随动载荷对腰椎小关节接触力的影响

目的研究不同大小随动载荷在腰椎不同姿态下对小关节接触力的影响。方法建立非线性三维有限元腰椎模型(L1~S1),并考虑小关节软骨的非均一厚度和非线性材料特征。对腰椎模型施加不同大小的随动力预载荷(0、0.5、0.8、1.2 k N)以及7.5 N·m不同方向上(前屈、后伸、侧弯、轴向旋转)的纯力矩,对比各运动节段两侧小关节上在不同加载工况下的接触力,并定量研究随动载荷对小关节不对称性的影响。结果随动载荷的应用会增大屈伸以及侧弯(同侧)状态下的小关节接触力,而减少侧弯(对侧)时的小关节接触力,而且这种增大(或减小)效应会随着随动载荷本身的增大而减弱。对于轴向扭转,预载荷对小关节力几乎没有影响。在腰椎不同的姿态下,随动载荷对于小关节接触力不对称性的影响按从大到小排列依次为:侧弯(同侧)、前屈、侧弯(对侧)、后伸、轴向扭转。结论随动载荷对腰椎小关节接触力的影响随腰椎运动姿态的不同而不同。在腰椎的生物力学研究中,小关节的不对称性需要被充分考虑,尤其是在生理载荷作用下腰椎后部结构的研究中。     

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。     

椎间融合器高度对颈椎生物力学影响

目的研究颈椎前路减压融合术中椎间融合器高度对颈椎生物力学影响,为融合器选择提供参考。方法建立正常颈椎C2~7节段有限元模型并验证,在C5~6节段分别植入高度为5、6、7、8 mm的融合器,施加1.5 N·m力矩使颈椎产生前屈、后伸、侧弯和轴向旋转运动,并探究融合器高度变化对颈椎活动度(range of motion,ROM)、小关节应力、椎间压强等的影响。结果融合器高度每增加1 mm,手术节段的角度值平均增加0.68°。植入融合器后C5~6 ROM范围小于0.44°。融合器高度差异对C4~5的ROM影响大于C6~7,对非融合节段ROM的影响小于7.3%。融合器高度差异对非手术节段ROM、小关节应力、相邻节段椎间压强的影响较小。关节囊韧带、融合器和钉板系统应力均随融合器高度增加而明显增加,6、7、8 mm融合器模型的关节囊韧带、融合器和钉板系统应力均远高于5 mm融合器模型。结论对于需要植入融合器的患者,建议植入物高度比原椎间隙高0~1 mm。     

生物医学工程中的散斑计量法应用

散斑计量法是60年代诞生的实验力学中光测力学的一种，迄今已经得到了很大的发展并在工程各学科领域（包括生物医学）中获得了广泛的应用。本文作者对散斑计量法的缺本原理及特点进行了阐述，并分别对散斑照相法、散斑干涉法、电子散斑干涉法、数字散斑相关法和生物散斑法等散斑计带的主要方法及其在生物医学工程领域中应用的发展和现状作了作了概要的介绍。     

骶骨部分切除术后骨盆重建的三维有限元分析

目的　研究骶骨部分切除术后骨盆重建的生物力学特征。方法　分别构建完整骨盆。经S1、S2之间施行骶骨部分切除术后的缺损骨盆和重建骨盆的三维有限元模型。模拟人体坐位时的负荷，研究3种模型的位移与应力分布变化。结果　得到了三个模型中骶岬前方参考点在垂直方向的位移值及整个模型和重建器械的应力分布情况。结论　骶髂关节部位的重建可以增强骶骨部分切除术后骨盆的稳定性，并改变骨盆应力分布，降低骶器关节应力峰值，减少术后骨盆破坏的风险。L5椎弓根螺钉与髂骨钉之间的钛棒发生断裂的风险较大，提示术中应当重视弯棒操作，避免钛棒过度成角，防止应力过度集中，减少断棒的危险。     

Hybrid手术对颈椎力传导方式的影响

目的研究人工椎间盘置换(total disc replacement,TDR)合并融合的Hybrid手术后颈椎的力传导模式,从生物力学角度加深对Hybrid手术的认识。方法建立正常颈椎有限元模型(INTACT模型),模拟C4~6节段退变的3种手术方案:上置换+下融合(TDR45模型)、上融合+下置换(TDR56模型)、双节段融合(Fusion456模型)。结果所有手术模型中,融合节段的活动能力完全丧失,置换节段的活动能力有所增加。在160 N轴向力作用下,INTACT模型整个节段后伸4°,而TDR45与TDR56模型的颈椎节段分别后伸8.2°与8.9°。在TDR56模型中,经过C5椎体的力减少20%,经过置换节段小关节的力增加3.8倍。在TDR45模型中,经过置换节段小关节的力增加50%。INTACT模型的最大关节应力为0.8 MPa,而TDR45与TDR56模型置换节段的小关节应力均高达正常颈椎的2倍。结论由于置换节段活动范围的增加,Hybrid术后颈椎曲度在轴向力作用下发生较大改变(后伸)。这种改变将导致经过置换节段椎体的力有所减少,而经过小关节的力有所增加,从而增加置换节段小关节的应力。     

U型骶骨骨折固定的有限元分析

采用有限元法对三种U型骶骨骨折后手术固定模型的生物力学特性进行了研究。在之前建立并验证有效的完整腰椎—骨盆模型的基础上,建立了三种U型骶骨骨折手术固定模型:①S1S2贯穿螺钉(S1S2),②L4–L5椎弓根螺钉+髂骨翼螺钉(L4L5+IS),③L4–L5椎弓根螺钉+S1贯穿螺钉+髂骨翼螺钉(L4L5+S1+IS)。然后,通过对L4上表面施加400 N竖直向下的力以及7.5 N·m不同方向的扭矩(前屈、后伸、轴向旋转、轴向侧弯),对比三种固定方式在坐姿和站姿下产生的骨折缝隙分离值和最大应力的差异。研究结果表明,在不同姿态下,不同手术组产生的骨缝隙分离值为:L4L5+S1+IS远小于L4L5+IS和S1S2。对于内植入物而言,上述三种固定方式产生的最大应力值为L4L5+IS L4L5+S1+IS S1S2;对于椎间盘而言,上述三种固定方式产生的最大应力值为S1S2远大于L4L5+S1+IS和L4L5+IS。综合考虑,对于U型骶骨骨折而言,可以优先考虑L4L5+S1+IS固定方式进行固定。本文研究的目的在于通过比较采用三种不同的内固定方式固定U型骶骨骨折后的生物力学的差异,进而为临床手术提供有效的参考。     

人体足踝部有限元模型的建立及有效性分析

背景：传统的足踝部生物力学研究有其局限性,本文介绍一种足踝部有限元建模方法,使其具有高度的几何相似及物理相似。目的：探讨建立足踝部有限元模型的方法,为生物力学研究提供数字化仿真平台。方法：通过CT扫描1名男性志愿者踝关节获取足踝部影像学资料,将其输入Mimics软件重建骨骼和韧带,通过Geo—magic处理并生成关节软骨后导入Ansys的Workbench模块,建立足踝部有限元模型,参考相关文献确定材料属性,划分网格,设置边界条件,模拟踝关节正常站立状态下受力,进行加载分析。结果：本研究建立了一个包含骨、软骨及韧带的足踝部有限元模型,相对客观地反映了人体足踝部的基本解剖结构和力学特性。模拟人体站立状态垂直加载600N载荷于胫、腓骨下端的上截面,踝关节胫骨下关节面的接触应力主要分布在中部及前外侧,最大接触应力为3．74MPa,接触面积为335．5mm2。踝关节周围四条主要韧带的位移（拉伸长度）中：胫跟韧带〉胫舟韧带〉跟腓韧带〉下胫腓联合前韧带。结论：本研究所建立的人体足踝部有限元模型经验证结果可靠,可进一步用于足踝部生物力学研究。     

椎板切除对腰椎融合后邻近节段生物力学的影响

目的从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法在完整腰椎有限元模型基础上,建立3种椎板切除程度不同的手术模型:双侧小关节切除(Bi-TLIF)、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除(LAM-PLIF)。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究,对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果前屈状态下,手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显,其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%,而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%,在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力,Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加,而在L5～S1节段则不明显。结论椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力,这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大,对邻近节段产生的影响越大。因此,更多地保留后部结构复合体,对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。     

基于飞行仿真的Herbst机动飞行员过载分析

目的 利用飞行仿真获取Herbst机动中飞行员生理坐标系下的各方向过载,并对获得的典型数据进行分析。方法 依据典型4代机设计参数,在CAD软件中建立飞机三维几何模型,通过飞行仿真获取机体质心6个关键运动参数,根据中国飞行员人体测量数据建立人体三维几何模型;依据座舱和座椅在飞机中的位置建立飞机与人体装配模型;通过人机系统运动学分析获取机动飞行时人体不同部位的各方向过载,对3 km高度、90 m/s速度下开展的Herbst机动进行过载分析。结果 人体胸部、足部和头部各方向过载基本一致,但手部与胸部Gy曲线相差很大,手部过载峰值约为1.6 g;在人体三向过载中+Gx峰值最大,约为3.0 g。结论 使用机体质心过载曲线代替人体过载曲线会带来较大误差,在研究多轴向载荷对操控行为的影响时手部Gy过载曲线不能使用其他部位过载代替。