新型脊柱外固定器的生物力学有限元分析

目的：运用有限元方法对新型脊柱外固定器的力学性能进行分析，为其临床应用提供生物力学理论依据。方法：通过有限单元法（FEM）的结构分析功能，建立新型脊柱外固定器的计算机模型，并根据外固定器固定在椎体上的重力受压情况模拟加载，仿真分析模型各部分的应力、应变值及分布和压缩刚度。结果：在模拟受压的情况下，外固定器的应力集中在椎弓根钉与纵向固定螺钉、连接器的接触区，其它部分（包括钉椎体结合部位）的应力分布较均匀；外固定器的刚度较弱，单纯外固定架不足以提供椎体支持刚度。结论：外固定器的椎弓根钉与纵向固定螺钉、连接器的结合部容易产生应力疲劳；外固定器应结合其他的能有效地提供支撑刚度的手段才能更好地应用于临床。     

坐位旋转手法时L4-5变形和位移的研究

目的：研究坐位旋转手法时腰椎各结构变形和位移的特点。方法：使用腰椎CT片，以Mimics软件系统逐层重建，建立L4-5三维有限元模型。根据手法原理，将坐位腰椎旋转手法进行分解，把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时腰椎各结构变形和位移的变化。结果：（1）正常腰椎间盘的前侧出现压缩变形，并向前膨出移位；左侧后部出现拉伸变形，并向前、向内侧回缩移位，髓核内的变形和位移变化相对较小，腰椎最大位移位于L4的棘突；（2）退变腰椎间盘变形和位移右侧大于左侧、前缘大于后缘，右后角有压缩变形，向后突出，髓核有后突的趋势，腰椎最大位移出现在L4的上关节突，左侧椎间孔增大。结论：（1）旋转手法使用不当可能会加重椎间盘突出症的病情；（2）向突出椎间盘的对侧旋转较为合理；（3）同样推拿力时退变腰椎的变形和位移较大，因此对退变腰椎的手法要轻柔。     

胸腰段后凸畸形对相邻椎间盘力学影响的三维有限元分析

目的：了解胸椎后凸畸形对相邻椎间盘(IVD)的影响，从生物力学方面探讨椎间盘退变及椎间盘突出的机制。方法：选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型(FEM)。利用FreeFonm成形软件构建胸椎后凸畸形模型。分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分析比较椎间盘和小关节应力分布情况。结果：胸椎后凸畸形后椎间盘应力分布发生明显的改变，椎间盘前部的压应力明显增加，后部出现张应力，小关节面的压应力减小。椎体的应力分布也发生了改变，由后向前应力越来越大。结论：(1)有限元方法是脊柱生物力学研究中很有效及很有前途的方法，但是要使其与人体达到近乎真实的模拟则还有不少问题有待完善。有些组织的材料性质了解不够，有限元模型的逼真度有一定影响。(2)利用FreeForm成形软件构建脊柱畸形的有限元模型是富有创意的建模方法。(3)脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。     

基于影像的人体铸型标本三维计算机建模研究

目的开展基于影像的人体铸型标本的三维计算机建模研究。方法采集小腿铸型标本(有骨和动脉结构)以及肺铸型标本(有肺动脉、肺静脉及支气管结构)各1件,将小腿铸型标本与肺铸型标本进行CT扫描。将CT数据导入三维重建软件Mimics13.01(Materialise公司,比利时)对图像进行三维重建。利用软件自带的阈值设定(Threshold)、图像编辑(Edit)、区域增长(Region growth)等功能可对选定的结构进行图像分割,采用软件的三维计算功能(3D calculation)重建人体小腿铸型标本及肺铸型标本的三维模型。结果获得小腿铸型标本CT图像共获得1310层图像,层厚为0.2mm,肺铸型标本CT图像共获得674层图像,层厚为0.4mm。经过三维重建可获得小腿铸型标本和肺铸型标本的三维模型,与原始的铸型标本相比,三维重建模型可清楚直观地再现小腿铸型标本及肺铸型标本的三维形态,能够满足临床应用。结论对人体铸型标本开展图像三维重建研究,将使人体铸型标本更好地应用于临床,可为进一步进行快速成型制造及相关数字医学研究奠定基础,并将产生很好的社会及经济效益。     

腰椎小关节承载功能的三维有限元分析

目的 研究腰椎小关节在各种形式的负荷作用下的承载功能。方法 取青壮年男性新鲜尸体的L4～L5运动节段标本，经螺旋CT扫描得到断面图像，在Ansys5．6软件中建立L4～L5节段的三维有限元模型。对模型施加400N轴向压缩载荷和（或）8Nm前屈、后伸、左右侧弯弯矩和左右轴向旋转力矩，测量分析小关节面所受的压力。分析各种加载方式下小关节面的接触应力，评价小关节的承载功能。结果、L4～L5小关节约承受轴向压缩载荷的20％。前屈时小关节受力减小，后伸时受力增大；侧弯时对侧小关节受力增大，同侧小关节受力减小；轴向旋转时同侧小关节不受力，对侧小关节则受力极大。结论 腰椎小关节具有重要的承载功能，临床上应注意保护和维持小关节的完整性。     

颈椎终板生物力学特性在前路融合术中的作用

目的 研究颈椎保留终板与去除终板状态下不同位点生物力学特性的分布规律，评价颈椎终板在前路融合术中的作用。方法 将骨密度无差异的42例人体新鲜颈椎标本随机分为两组(保留终板组24例，去除终板组18例)，对每一终板平面上22个特定的测试点进行压缩实验，直径2mm的半球形压头以0．03mm／s的速度垂直于终板平面下压2mm，由所得的力-位移曲线计算出最大压缩力及刚度，采用t检验、析因分析及SNK检验对实验数据进行统计学分析。结果 颈椎上、下终板保留终板组与去除终板组之间的最大压缩力及刚度的比较均有显著性差异。颈椎后部是保留终板组颈椎上终板力学强度较大的区域，颈椎外侧区是颈椎下终板力学强度较大的区域；去除终板组颈椎后部是上终板平面力学强度较大的区域，颈椎后外侧是下终板平面力学强度较大的区域。结论 颈椎终板在颈椎前路融合术中起着相当重要的作用，在进行手术或改进椎间植入物设计时应考虑到此作用。     

模拟推拿时腰椎小关节有限元模型的生物力学分析

【目的】采用生物力学的方法分析模拟推拿时正常和退变腰椎小关节的应力分布状况。【方法】通过有限元及配套影像方法，建立能准确反映第4腰椎与第5腰椎间(L4-5)小关节实际状况的有限元模型，对模型分别施加前屈、后伸、侧弯、旋转与压缩5种载荷，以分析比较其在模拟推拿作用时的受力情况。【结果】腰椎小关节在承载方面具有较大的作用，特别是在抗旋转推拿运动过程中的作用更为明显。【结论】对有明显退变的腰椎，使用前屈旋转手法时以轻巧手法为宜。     

颈椎终板生物力学特性在前路融合术中的作用

目的研究颈椎保留终板与去除终板状态下不同位点生物力学特性的分布规律,评价颈椎终板在前路融合术中的作用。方法将骨密度无差异的42例人体新鲜颈椎标本随机分为两组(保留终板组24例,去除终板组18例),对每一终板平面上22个特定的测试点进行压缩实验,直径2mm的半球形压头以0.03mm/s的速度垂直于终板平面下压2mm,由所得的力-位移曲线计算出最大压缩力及刚度,采用t检验、析因分析及SNK检验对实验数据进行统计学分析。结果颈椎上、下终板保留终板组与去除终板组之间的最大压缩力及刚度的比较均有显著性差异。颈椎后部是保留终板组颈椎上终板力学强度较大的区域,颈椎外侧区是颈椎下终板力学强度较大的区域;去除终板组颈椎后部是上终板平面力学强度较大的区域,颈椎后外侧是下终板平面力学强度较大的区域。结论颈椎终板在颈椎前路融合术中起着相当重要的作用,在进行手术或改进椎间植入物设计时应考虑到此作用。     

骨质疏松椎体增强后对相邻椎体生物力学影响的有限元研究

目的利用骨质疏松腰椎三维有限元模型,探讨椎体成形术中骨水泥的量、不同分布及骨水泥向椎间隙渗漏等对邻近椎体生物力学的影响。方法选取老年男性正常人体脊柱标本一具,范围为L_(4．5),建立L_(4．5)的三维脊柱功能单位的有限元模型。模拟骨水泥在椎体内的不同分布特点,观察不同压力方向时,相邻椎体终板的应力变化。结果不同骨水泥的量对邻近椎体生物力学的影响不大,但骨水泥分布不均匀和骨水泥在椎间隙的渗漏可导致邻近椎体的终板应力增加。结论椎体成形术后骨水泥分布不均匀和骨水泥渗漏到椎间隙可引起邻近椎体终板应力的集中,这可能是邻近椎体骨折的原因。进行椎体成形手术时建议骨水泥均匀分布,并避免渗漏到椎间隙。