不同工况对腰椎运动节段作用的三维有限元模型分析

目的：研究各种工况条件下腰椎活动节段的三维有限元模型。方法：使用ABAQUS6．5有限元分析软件建立L4-5运动节段的三维有限元模型,分析腰椎运动节段在屈曲、拉伸、侧屈及旋转扭矩作用力下各部结构的应力变化。结果i压缩时椎体密质骨、椎弓根、椎弓峡部和后部小关节部应力最高;拉伸时小关节出现应力集中,高于其他部分;侧屈时屈侧椎体、后部小关节及椎间盘部为应力集中,拉伸侧呈张应力;轴向旋转时后部小关节及椎间盘后部应力较高;屈曲加旋转时椎体及椎间盘前缘、后部小关节处出现应力集中。结论：应用有限元分析能形象模拟腰椎活动节段各种载荷下的应力分析,不同运动条件下,腰椎运动生理节段的应力集中部位不同。这是中医旋转复位手法治疗腰椎小关节紊乱和腰椎间盘突出症的力学依据之一。     

胸腰椎爆裂性骨折损伤机制的生物力学研究

目的　探讨胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制。方法　采用脊柱活动节段的三维有限元模型分析了脊柱在直立位、前屈位和后伸位的应力分布情况。结果　椎弓根以及椎体后上方与椎弓根相邻部分为应力集中区域。结论　胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制与脊柱的应力集中有关。     

胸腰椎爆裂性骨折损伤机制的生物力学研究

目的：探讨胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制。方法：采用脊柱活动节段的三维有限元模型分析了脊柱在直立位、前屈位和后伸位的应力分布情况。结果：椎弓根以及椎体后上方与椎弓根相邻部分为应力集中区域。结论：胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制与脊柱的应力集中有关。     

T12～L1椎体有限元模型的建立及其爆裂骨折的有限元分析

目的：建立T12～L1椎体三维有限元模型,并应用该模型探讨T12椎体在动态垂直方向冲击负荷下的胸腰结合部爆裂骨折的机制。方法：对1名例行体检的健康成年男性进行CT扫描,得到的数据图片以DICOM格式输出并保存,导入医学三维重建软件MIMICS中进行处理,生成三维实体,并确定单元类型赋予材料属性,然后将实体模型导入ANSYS 10．0有限元软件中,生成胸腰椎三维有限元模型。模型验证后,通过对T12椎体顶部预置的、密度均匀的、坚硬的板块上施加垂直方向上的冲击负荷,分析椎体的应力分布,探讨胸腰椎爆裂骨折的机制。结果：垂直方向上施加载荷后,T12椎体会产生震动;达到最大载荷时,终板会嵌入椎体里,终板的中心部位承受最大应力,应力集中于相应的与终板连接的松质骨的中心部位。结论：垂直方向上施加的载荷达到最大时,终板会嵌入椎体里,终板的中心部位承受最大应力．应力集中于相应的与终板连接的松质骨的中心部位,这可能证实了一种假设：终板核心物质进入椎体,继续进入使得松质骨的脂肪和骨髓被挤出来。当进入椎体的速度大于脂肪和骨髓被挤出的速度时,椎体会突破前方和后方的皮质骨发生爆裂。突发的后皮质骨折,紧接着短暂的碎片进入脊椎管的位置会比最终观察到的位置要深．因为在爆裂的过程中．碎片会退出椎体。     

椎骨胸腰节段压缩骨折的有限元分析研究

目的利用有限元方法建立椎体前缘不同压缩状态模型,并分析椎体前缘压缩程度与邻椎终板应力的相关性。方法基于正常成年人志愿者的胸腰段CT 数据,导入Mimics,经图像分割、修补及三维网格化获取胸腰椎T11～L1３个节段数据,网格赋材质属性后导入ABAQUS 软件,获取逼真的三维有限元模型。对模型进行生理载荷加载,验证正常模型的有效性。将L1模型底部全自由度固定,在T11模型上方施加前屈、后伸及轴向压缩载荷,分别将椎体前沿压缩至90%、80%、70% ...... 10% 9个状态,提取T11下终板及L1上终板的MISES应力,获得了压缩状态与邻近终板应力关系曲线。结果该模型高度逼真,能真实反映实际受力状态;T11椎体下位终板和L1椎体上位终板的应力值与T12椎体（研究对象）前沿的压缩程度正相关。结论应力增加可能导致终板骨折可能性增加,进而增大相邻椎体的骨折风险,有限元分析结果能够为临床实践提供依据。     

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 当轴向压力以0.3、1.0、4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

腰椎活动节段力学模型的研究

力学模型是研究脊柱生物力学的重要手段。我们运用有限元方法(Finite element meted)建立了腰椎活动节段(Motion segment)的三维线性力学模型,并根据这一模型分析了正常人站立时腰椎应力分布情况。该模型有388个节点,共组成293个单元,包括椎体、椎间盘、后部结构以及韧带等部分。研究结果表明,当腰椎活动节段承受120O N的轴向压缩载荷时,椎体皮质骨的应力明显高出松质骨,椎间盘纤维环的应力则以后方较高。此外,在后部结构中,椎弓根、椎弓峡部、小关节等处也产生明显的应力集中。上述     

胸段脊柱侧凸矫形术对腰段脊柱应力影响的有限元分析

目的采用有限元方法,分析胸段脊柱侧凸矫形术后对腰椎应力的影响。方法采用脊柱三维有限元模型模拟计算矫治特发性脊柱侧凸。在患者施行脊柱侧凸矫形术之前对胸段及腰段脊柱进行CT平扫,提取脊椎各节段椎体（胸2-腰5）的结构信息,删除肋骨等非脊柱结构并编辑分离脊柱节段,分别对脊柱侧凸矫形的主要步骤进行模拟并计算其腰段脊柱应力的分布。结果模拟计算结果显示脊柱腰段各椎体之间小关节周围的应力相对均大于模型中其他节段,最大值应力为68.62MPa,位于腰2与腰3之间凹侧椎小关节处。结论通过应力分布分析,腰椎应力较大,在矫形过程中,应充分考虑胸段脊柱侧凸矫形对腰椎的影响。     

梯形角度在腰椎侧后斜投照中应用研究

目的 研究腰椎椎弓峡部及小关节结构的最佳显示投照位置.方法 经透视下定位,找出显示腰椎椎弓峡部及小关节结构的最佳位置,并测量其腰椎后斜角.结果 ①不同椎体的腰椎后斜角不同,下一个椎体较上一个椎体约大5度.各椎体之间所应用的角度形成梯形角度.②L5椎体后斜位角度的标准差变化较大,说明L5椎体先天发育变异程度大.结论 采用梯形角度进行腰椎斜位摄影是显示多个椎弓峡部及小关节结构的最佳方法.     

腰椎椎弓根壁侧置钉内固定方式及生物力学三维有限元分析

目的：建立L4,L5三维有限元模型,并分别行椎弓根常规置钉及壁侧置钉两种内固定方式,用三维有限元法分析固定后椎体及螺钉的应力分布特点。方法选取正常成年人L3～L5节段的多层螺旋CT扫描的薄层原始数据（DICOM格式）,利用Mimic等软件建立人正常L4,L5三维有限元模型,并建立L4,L5椎弓根螺钉内固定模型。并于L4上表面施加500N预载荷,再施加8N· m的力矩模拟腰椎垂直压应力、前屈、旋转等生理活动,观察不同情况下两种模型中椎体螺钉应力分布情况。结果由应力分布图可知,在各种载荷下,两种模型的螺钉应力从钉尖至钉棒连接处逐渐减少,螺钉根部附近应力最小。3种载荷之间比较,垂直压缩时螺钉应力最大。椎弓根壁侧置钉内固定方式较常规置钉内固定方式的螺钉应力明显减小。结论模拟两种内固定方式正常生理活动时,椎弓根常规置螺钉内固定模型中椎弓根螺钉的应力主要集中在与椎体交界界面处,而椎弓根壁侧置螺钉内固定模型中螺钉的应力基本分散在钉体上,一部分应力分布在椎弓根皮质上,增加了椎弓根螺钉的抗拔出力,从而增加固定的可靠性,减少发生内固定螺钉断裂等风险。     

伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的三维有限元分析

目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的应力情况,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取一无慢性腰背痛及胸腰椎外伤史的青年志愿者,利用CT扫描的Dicom数据图像和Simpleware5．0软件建立T12-L2椎体三维模型,模拟L1椎体骨折,并分别模拟联合伤椎置钉固定（有横连和无横连）两种治疗方法,将两种模型分别导2kAbaqus6．9有限元分析软件,加载750N压力,ION·m扭矩载荷。结果：在轴向压缩状态下,腰椎骨折内固定后的应力分布发生变化,钉棒系统成主要应力集中部位。钉棒系统有无横连差异无统计学意义（P〉0．05）。在扭转状态下,横连系统的应力主要集中在连接杆上,而无横连的应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈O．05）。在屈曲状态下,应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈0．05）。结论：有横连的六螺钉椎弓根螺钉系统置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

胸腰椎三维非线性有限元模型的建立

目的 为胸腰椎的生物力学有限元分析研究建立有效的T11～L3节段的三维非线性有限元模型.方法 将健康成人自T11～L3节段脊柱的CT扫描图像,以DICOM格式导入软件Simpleware2.0,生成三角网格模型.利用软件Geomgic8对模型进行修复和优化后生成实体模型,导入有限元软件Abaqus6.9中,骨性结构均采用C3D8单元;椎间盘由髓核和纤维环组成,髓核由5层8节点实体单元组成,纤维环有8层相互交叉胶原纤维层组成,髓核与纤维环采用C3D8RH单元进行网格划分,胶原纤维采用TRUSS单元;赋予所有韧带1 mm的厚度,通过S4R壳单元模拟了前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带,采用S3R壳单元模拟小关节囊韧带.赋予椎间盘超弹性、骨性结构弹塑性及韧带黏弹性材料属性.并通过验证模型的几何相似性和椎间盘的载荷-位移变化以及冲击暴力下的应力分布情况,验证模型的有效性.结果 建立了胸腰椎(T11～L3)的三维有限元模型,共包含71 939个节点和78 887个单元.本模型几何相似性好;与体外实验在相同条件下得到的椎间盘载荷-位移曲线图结果非常相近;在动态冲击实验下观察应力云图,椎体皮质骨、后部结构及松质骨的应力分布规律和其他实验一致.结论 建立的具有六面体网格的、非线性模型的完整胸腰椎(T12～L1)有限元模型,可进行冲击实验并进行动态分析,为下一步进行胸腰椎生物力学研究提供了有效的三维有限元模型.

Abstract：

Objective To build an effective nonlinear three-dimensional finite-element (FE) model of T11 - L3 segments for a further biomechanical study of thoracolumbar spine. Methods The CT ( computed tomography) scan images of healthy adult T11 - L3 segments were imported into software Simpleware 2. 0 to generate a triangular mesh model. Using software Geomagic 8 for model repair and optimization, a solid model was generated into the finite element software Abaqus 6. 9. The reasonable element C3D8 was selected for bone structures. Created between bony endplates, the intervertebral disc was subdivided into nucleus pulposus and annulus fibrosus (44% nucleus, 56% annulus). The nucleus was filled with 5 layers of 8-node solid elements and annulus reinforced by 8 crisscross collagenous fiber layers. The nucleus and annulus were meshed by C3D8RH while the collagen fibers meshed by two node-truss elements. The anterior (ALL) and posterior (PLL) longitudinal ligaments, flavum (FL), supraspinous (SSL), interspinous (ISL) and intertransverse (ITL) ligaments were modeled with S4R shell elements while capsular ligament (GL) was modeled with 3-node shell element. All surrounding ligaments were represented by envelops of 1 mm uniform thickness. The discs and bone structures were modeled with hyper-elastic and elasto-plastic material laws respectively while the ligaments governed by visco-elastic material law. The nonlinear three-dimensional finite-element model of T11 - L3 segments was generated and its efficacy verified through validating the geometric similarity and disc load-displacement and stress distribution under the impact of violence. Using ABAQUS/EXPLICIT 6. 9 the explicit dynamic finite element solver, the impact test was simulated in vitro. Results In this study, a 3-demensional, nonlinear FE model including 5 vertebrae, 4 intervertebral discs and 7 ligaments consisted of 78 887 elements and 71 939 nodes. The model had good geometric similarity under the same conditions. The results of FEM intervertebral disc load-displacement curve were similar to those of in vitro test. The stress distribution results of vertebral cortical bone, posterior complex and cancellous bone were similar to those of other static experiments in a dynamic impact test under the observation of stress cloud. Conclusion With the advantages of high geometric and mechanical similarity and complete thoracolumbar, hexahedral meshes, nonlinear finite element model may facilitate the impact loading test for a further dynamic analysis of injury mechanism for thoracolumbar burst fracture.     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11～L2段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎后凸成形术的评估。     

两种不同经椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的生物力学研究

目的：运用有限元分析的方法,探讨两种不同椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的应力情况,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取一无慢性腰背痛及胸腰椎外伤史的青年志愿者,利用CT扫描的Dicom数据图像和simpleware5．0软件建立T12L2椎体三维模型,模拟L1椎体骨折,并分别模拟后路短节段椎弓根钉固定（PF）和联合伤椎置钉固定两种治疗方法,将两种模型分别导入Abaqus6．9有限元分析软件,加载750N压力,模拟人胸腰部正常生理压缩状态下,比较两种模型在不同生理活动下两种方法固定后椎体结构和内固定器械的应力分布情况。结果：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小（P〈0．05）。结论：在压缩状态下,短节段固定组的应力明显增加,与伤椎置钉组螺钉相比具有统计学差异;而连接棒的应力没有明显改变,二者相比没有统计学差异。因此短节段固定组可能会进一步导致内固定的失效。     

椎体后凸成形术后骨水泥椎间盘渗漏对邻近节段力学影响的有限元分析

目的 探索椎体后凸成形术(PKP)术后骨水泥椎间盘渗漏对相邻椎体的力学影响,探讨相邻椎体继发骨折的病因.方法 利用MIMICS软件用有限元方法对1例T12压缩骨折PKP术后出现椎间盘骨水泥渗漏的患者手术前后CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10-L2的三维有限元模型,设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价骨水泥椎间盘渗漏对骨折相邻椎体的力学影响.结果 成功建立了PKP术后骨水泥椎间盘渗漏的手术前后三维有限元模型,当轴向压力以0.3、1.0、4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.PKP术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的上、下终板应力增强区域范围增加;相邻椎间盘(T11-12、T12-L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11、L1)所受最大应力显著增加,但是远端椎体(T10、L2)的最大应力明显减少.结论 PKP术后骨水泥椎间盘渗漏引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学行为的改变密切相关.

Abstract：

Objective To explore the biomechanical effects on adjacent vertebra of thoracolumbar osteoporotic vertebral compression fracture (OVCF) after percutaneous kyphoplasty (PKP) with cement leakage into the disc by using finite element analysis. Methods T10-L2 segment data were obtained from computed tomography (CT) scans of an elder female with single T12 OVCF undergoing a cement leakage into the T1 2-L1 disc after PKP. A three-dimensional finite element Model of thoracolumbar spine (T10-L2)was built in the Mimics and the ABAQUS software. The stress on annulus fiber, nucleus pulposus, endplate and facet joints under axial pressure (0. 3, 1.0, 4. 0 MPa) were analyzed. Results The 3D finite element after percutancous kyphoplasty (PKP) with cement leakage into the disc may be strongly related with the changes of biomechanical effects on adjacent vertebras of thoracolumbar OVCF. Models of thoracolumbar OVCF before and after PVP with a cement leakage into the T12-L1 disc were successfully established. The stresses increased with a rising axial pressure in the model of cement leakage into the disc after PVP, the stress augmentation scope on adjacent end plates ( T11 low plate & L1 top plate) and intervertebral disc (T11-12 & T12-L1 ) increased. The maximal Von Mises stress on adjacent vertebras (T11 & L1 ) increased while but the maximal Von Mises stress on end vertebras (T10 & L2) decreased. Conclusion Postoperative adjacent vertebral fracture.     

胸腰段脊柱骨折AF内固定疗效分析

目的探索本科制定AF治疗胸腰段脊柱骨折的类型，并观察其临床效果。方法取后正中切口，以伤椎为中心，显露两侧椎板及椎间小关节，椎弓根钉固定伤椎上、下相邻椎体撑开复位；后严格规定卧床时间和内植物取出时间。结果68例患者中，随访10—26mo，平均16mo，均见骨折复位后，高度无丢失，内固定器取出后，均恢复了原有的生活和工作。结论胸腰段脊柱骨折，根据受伤的暴力及方向，可出现不同的骨折类型，只要严格掌握AF治疗脊柱骨折的原则，才能取得好的效果，降低内植物的失效率。     

寰枕融合伴寰枢椎脱位的三维非线性有限元模型的建立和分析

目的使用有限元技术建立正常寰枕枢椎三维非线性有限元模型及寰枕融合伴寰枢椎脱位三维非线性有限元模型,为上颈椎临床研究提供生物力学方法。方法对1例27岁男性志愿者CT数据进行有限元分析,建立正常寰枕枢椎三维非线性有限元模型(正常模型)。对1例35岁寰枕融合伴寰枢椎脱位男性患者CT数据进行有限元分析,使用计算机模拟其在高载荷下单纯韧带断裂的理想状态,建立寰枕融合伴寰枢椎脱位的三维非线性有限元模型(寰枕融合伴寰枢椎脱位模型)。两种模型均在枕骨上表面施加竖直向上的1.5 N·m的扭矩,通过对两种模型在应力下前屈、后伸、侧弯、旋转活动度(ROM)数据做对比分析,以及在1.5 N·m扭矩下的应力与变形分析,验证两种三维非线性有限元模型的有效性。结果研究建立的正常模型在1.5 N·m扭矩载荷下各单元前屈、后伸、旋转运动的最大运动范围与人体力学实验测量结果接近,显示出良好的仿真性,模型应力与变形结果符合力学基本原理,模型的扭矩-角位移表现出明显的非线性特征。寰枕融合伴寰枢椎脱位脱位模型在1.5 N·m扭矩下其寰枕关节活动度与本次正常模型相比,寰枕关节活动度降低,而C1～C2关节活动度在4种情况(屈曲、后...     

Pedicle screw fixation with kyphoplasty decreases the fracture risk of the treated and adjacent non-treated vertebral bodies: a finite element analysis

Adjacent vertebral fractures are common in patients with osteoporotic vertebral compression fractures (OVCFs) after kyphoplasty. This finite element study was to examine whether short segment pedicle screw fixation (PSF) with kyphoplasty may decrease the fracture risk of the treated and adjacent non-treated vertebrae after kyphoplasty for OVCFs. By simulating cement augmentation with or without short segment pedicle screw fixation (PSF), two tridimensional, anatomically detailed finite element models of the T10–L2 functional spinal junction were developed. The insertion of pedicle screws into the intact vertebra apparently decreased the stress distribution of the treated vertebra in vertical compression and other load situations. The stress distribution in the bone structures of the intact vertebra adjacent to the intact-screwed vertebra was much less than that in the one adjacent to the treated vertebra. The insertion of pedicle screws into the intact vertebra greatly decreased the maximum displacement of the cortical bones and cancellous bones of the vertebrae. Our results indicated that short segment PSF with kyphoplasty may decrease the fracture risk of the treated and adjacent non-treated vertebrae in the management of OVCFs.