人工颈椎间盘置换术后颈椎生物力学的有限元分析

目的研究人工颈椎间盘植入术后节段的活动以及临近节段椎间盘、椎体内应力改变。方法建立C4～C7有限元模型，于C5C6之间分别植入人工椎间枯及植骨融合，计算在正常加载下压缩、屈曲、侧偏、轴向旋转时C4C5椎间盘及C5椎体内应力变化，以及C5C6节段的活动度。结果植入人工椎间盘后，该节段的活动基本正常，植骨融合术后该节段的活动丧失60～80％。植骨融合术后在压缩状态时，临近的上下椎间盘内应力明显增加，C5椎体内应力增加幅度最人，人工椎间盘置换术后临近节段椎间盘及椎体内应力变化很小。结论人工颈椎间盘置换可以恢复颈椎的正常活动，对于临近节段的牛物力学影响甚微。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学特性的有限元分析

目的研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度(range of motion,ROM)、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法建立C5~6椎间盘退变3种手术方案:Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果术后手术节段关节ROM变化:Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力(36.72 MPa)出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力(42.66 MPa)。结论人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

一种新型人工颈椎间盘置换的生物力学研究

目的研究新型人工颈椎间盘(Pretic-I)置换和颈椎前路椎间固定对颈椎活动范围(Range of motion,ROM)及邻近节段椎间盘髓核内压力(Intradiscal Pressures,IDPs)的影响。方法新鲜尸体颈椎标本6具,先后依次作为完整组(A组)、C_(5/6)人工椎间盘置换组(B组)和C5/6前路椎间固定组(C组)进行生物力学测试。给予75N跟随载荷,前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转均施加2.0Nm的纯力矩载荷,在0.2Nm/S的变化条件下测量手术节段及邻近节段ROM,以及邻近节段IDPs。结果 B组与A组在手术节段及邻近节段的ROM相比均无显著性差异(0.05)。在C_(5/6)节段,C组的ROM明显小于A组和B组(0.05)。在C_(4/5)、C_(6/7)节段,C组的ROM则明显大于其他两组(0.05)。B组和A组的C_(4/5)及C_(6/7)节段IDPs相比均无显著性差异(0.05),而C组的C_(4/5)和C_(6/7)节段IDPs均较其他两组显著增加(0.05)。结论 Pretic-I人工颈椎间盘置换术较好的维持了手术节段及邻近节段的活动范围,并保持了邻近节段椎间盘髓核内压力。     

Prestige LP和Discover人工颈椎间盘的生物力学有限元分析

目的探讨人工颈椎间盘的结构设计对人工颈椎间盘置换前后生物力学变化的影响。方法基于中国可视化人研究项目的首例男性CT扫描数据图像建立人体颈椎C5-C6节段的有限元模型,使用已有文献数据验证该模型以确保计算结果准确。选用PrestigeLP和Discover分别作为不固定旋转中心和固定旋转中心结构的代表建模,在之前所建的双节段颈椎模型上模拟人工颈椎间盘置换术,对置换前后颈椎在常见运动情况下的颈椎生物力学变化进行计算和分析。结果人工椎间盘置换后,手术节段运动范围有所增大,活动度随之上升,过度运动会给后部小关节带来压力,同时导致韧带张力增加,远期可能导致脊柱失稳和手术节段退变。结论不固定旋转中心的假体运动范围大于固定旋转中心的假体,适当限制运动范围可能更有益于人工椎间盘置换后的远期疗效。     

半限制型与非限制型假体在颈椎间盘置换中的应用

背景：人工椎间盘置换(非融合技术)是相对传统的颈椎前路减压椎体间植骨融合基础上设计的新术式,非融合技术的运用是一种新的理念。 目的：比较半限制型与非限制型假体在人工颈椎间盘置换中的应用效果。 方法：回顾性分析22例人工颈椎间盘置换患者的临床资料,非限制型假体Bryan 2例;半限制型假体Prodisc-C 15例,Activ-C 5例。通过比较手术时间、出血量、置换后颈椎活动度来比较颈椎间盘假体的置换效果。 结果与结论：Bryan假体具备置换后颈椎活动度好的优点,但价格昂贵,安装较为复杂。而Prodisc-C假体与Activ-C假体安装容易,但相对Bryan假体置换后颈椎活动度稍差。提示颈椎间盘置换在颈椎病的治疗上是一种行之有效的方法,非限制型及半限制型假体均取得了良好的临床效果,但半限制型假体Prodisc-C及Activ-C安装较为方便。     

人工颈椎间盘置换术与融合术的生物力学比较

目的 分析颈前路植骨融合术（anterior cervical discectomy and fusion,ACDF）与颈椎间盘置换术（total disc replacement,TDR）后颈椎生物力学特性。方法 采用12具人体颈椎标本,通过三维非接触式光电测量系统及位移控制方式,测试原始状态（intact）、TDR及ACDF术后各节段在前屈与后伸、左侧弯与右侧弯、左旋转与右旋转6种独立工况的运动和载荷分布,并探讨颈椎正常生理运动规律及植入器械特点。结果TDR术后,颈椎各节段运动保留效果明显,能恢复接近正常的运动,并以屈伸、旋转工况为优;同等工况下ACDF术后手术节段运动丢失达73.41%,其他节段运动也存在明显改变。侧弯工况两者均存在较大运动改变,TDR达45.92%,ACDF达108.06%。试验发现,颈椎正常生理运动为空间三轴耦合运动,以侧弯工况耦合程度最大,绕X轴运动分量达35%,TDR术后,颈椎能恢复接近正常的耦合运动规律。结论TDR术能使颈椎恢复更接近正常的生理运动,在屈伸、旋转工况效果最好,侧弯次之。本研究为TDR与ACDF的临床手术提供理论依据和定量参考。     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

人工椎间盘植入术后颈椎邻近节段生物力学变化的有限元分析

目的研究人工椎间盘植入术后邻近节段的运动范围及椎间盘应力改变。方法将接触问题引入生物建模,建立正常全颈椎有限元模型,模拟C5/6椎间植骨融合和C5/6人工间盘植入,分析两种状态下其相邻节段的运动范围及椎间盘的应力改变。结果(1)所建立模型包含了韧带、关节囊及其他软组织结构,而且真实细腻,准确度高;(2)椎间植骨融合术后邻近椎间隙运动范围增加,相应椎间盘应力明显增大,上位节段髓核与纤维环的应力约增加70%,而下位节段髓核与纤维环应力约增加40%;(3)人工间盘植入后颈椎运动范围除仅后伸受限(P(0.05)外,邻近节段椎间盘应力增加不超过10%。结论植入的颈椎人工间盘可在一定程度上降低相邻椎体节段的应力,且有利于改善颈椎的活动度。     

Maverick型人工椎间盘的生物力学研究

在＂中国力学虚拟人＂模型库中选择L4-L5基本功能单元,对新型的Maverick型人工椎间盘假体进行了生物力学研究。在相同的边界条件和加载作用下比较正常组和假体植入后椎体皮质骨、松质骨上的应力变化,比较L4和L5两椎体间的相对运动范围和小关节上受力变化。其结果从生物力学角度证实了Maverick型假体可以重建椎间盘高度,满足椎体间相对运动的要求。但由于假体材料属性与椎体骨组织的属性相差很大,假体植入后会引起椎体骨应力的改变,增加小关节的受力,因此其远期的疗效还需要通过随访进一步研究。     

前路椎体次全切除减压融合术治疗下颈椎的有限元分析

目的建立人体下颈椎C3~7节段前路椎体次全切除钛网植骨融合术的三维有限元模型,分析术后椎体稳定性及内固定器械的应力分布。方法建立前路椎体C5节段次全切除钛网植骨钢板螺钉内固定颈椎C3~7节段有限元模型,同时建立C3~7节段下颈椎原始模型。对术后模型分别施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m扭矩,分析前屈、后伸、侧弯及轴向旋转时关节活动度(range of motion,ROM)、关节突关节最大应力与内固定器械整体应力分布情况。结果前路椎体次全切除减压融合术(cervical corpectomy and fusion,ACCF)后,C5重建节段ROM随扭矩的增大而增加,与无损模型在1.0 N·m、预载荷50 N工况下相比,C5重建节段、C3~4,C6~7和C3~7节段ROM分别下降81%、62%、58%和80%;C5重建节段后方关节突关节最大应力减小,临近节段关节突关节应力显著升高;钛网应力主要分布于运动受压侧,螺钉根部承受较大载荷。结论 ACCF术式会较大提升颈椎稳定性,降低手术节段后方关节突关节应力,对于减缓因脊髓型颈椎病引起的脊髓压迫有较好疗效。研究结果可为ACCF手术的临床应用研究提供理论依据。     

利用非接触测量技术研究颈椎活动度

目的颈椎的转动范围较大,传统的数字图像相关(digital image correlation,DIC)算法不能准确测量颈椎的活动度。提出一种改进的DIC算法,可以实现大转角的变形测量。方法采用一种子区窗口旋转的相关匹配法,通过引入子窗口的旋转角作为一个新的迭代量,和传统的位置参数(x,y)一起进行Newton-Rapshon迭代运算。在初始时只需提供位置和角度的迭代初值,即可求出精确的位移和角度值,同时通过平动和转动实验验证该方法的精度和可靠性。结果平动实验证实,本文方法与传统的DIC具有相同的效果,位移测量精度在0.5%以内;转动实验证实,本文方法可以测量任意转角的变形,角度误差与旋转量无关,角度误差在0.5°以内。将该方法用于颈椎的压缩实验,准确地测量了颈椎在压缩过程中的活动度。结论对比传统的DIC,子区窗口旋转的相关匹配法实现了颈椎在各种载荷作用下大范围活动度的测量,为颈椎的生理稳定和生理活动的测量判断提供了有效的方法。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。     

颈胸段脊柱全脊椎切除术后不同重建方式的有限元分析

目的 基于CT图像对人体颈胸段脊柱C5~T2节段进行三维模型重建,采用有限元方法探究椎弓根螺钉、钛网和钢板等不同内固定器械组合对颈胸段脊柱全脊椎切除（total spondylectomy, TS）术后稳定性的影响及内固定器械的应力分布。方法 建立颈胸段脊柱C5~T2节段健康完整模型,并通过与体外实验关节活动度（range of motion, ROM）结果对比验证模型有效性。在健康完整模型基础上,建立颈椎C7节段行TS后的4种重建模型：TM+AP+DPS模型（钛网+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,TM+AP+SPS模型（钛网+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉固定）;TM+DPS模型（钛网+后路双节段椎弓根螺钉固定）;AP+DPS模型（前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,并分析各重建模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转时的ROM及内固定器械的应力分布情况。结果 TS术后重建会大幅度降低重建节段ROM,模型的重建节段ROM均下降超过93%,后路单节段螺钉固定时,钛网出现应力集中现象。结论 4种模型重建节段固定效果相近,后路双节段螺钉固定的3种模型中内固定器械应力分布较为平均,模型整体稳定性优于后路单节段固定模型。     

推拿手法对腰椎间盘突出症腰椎结构三维位移的影响

目的通过观察推拿手法对腰突症患者腰椎三维空间位移的影响,探讨推拿手法治疗腰突症"骨错缝"的干预机制。方法选取10名腰突症患者,分为理筋手法组(5例,简称理筋组)和理筋手法加调整手法组(5例,简称理调组)进行治疗;正常志愿者5例为理筋手法(简称正常组)。应用ITK重建软件重建腰椎椎体并进行有限元分析,比较3组手法干预前后腰椎椎体三维位移变化情况。结果 3组腰突症患者推拿手法治疗后L1～5各椎体的空间位置发生了一定改变。理调组L3在X轴角位移为(1.77±0.46)°;L4在X、Y轴角位移分别为(1.78±0.53)°、(1.89±0.75)°,显著大于理筋组和正常组(P<0.05);理调组L1～5在X轴三维角位移分别为(1.50±0.47)°、(1.55±0.57)°、(1.77±0.46)°、(1.78±0.53)°、(1.61±0.39)°,均显著大于正常组(P<0.05);理调组L3在Y轴三维位移为(2.87±0.74)mm,L4在X轴三维位移为(1.68±0.64)mm,显著大于理筋组和正常组(P<0.05);理调组L1、L4、L5在X轴三维位移分别为(1.28±0.21)、(1.68±0.64)、(1.30±0.51)mm,L1～3在Y轴三维位移分别为(1.92±0.42)、(2.25±0.61)、(2.87±0.74)mm,均显著大于正常组(P<0.05)。理筋手法组L1～5各节段三维角位移和位移与正常组相比,均呈现大于正常组的趋势。结论理调手法比理筋手法更能调整失稳或退变节段的空间位置,使腰椎椎体产生水平及旋转移位,而非上下移位,对纠正腰椎"骨错缝"产生重要作用。理筋手法对腰突症患者腰椎结构有一定的影响,但不显著。     

人工颈椎间盘置换联合前路减压融合术治疗多节段颈椎病的临床疗效分析

目的探讨人工颈椎间盘置换联合前路减压融合术治疗多节段颈椎病的临床疗效。方法回顾性分析2009年1月~2013年4月因多节段颈椎病于我院行人工颈椎间盘置换联合前路融合术的18例患者临床资料,男7例,女11例;年龄37~59岁,平均47.1岁;11例患者行人工颈椎间盘置换联合椎间盘切除减压融合术,7例患者行人工颈椎间盘置换联合椎体次全切减压融合术。采用日本整形外科协会评分(Japanese orthopaedic association,JOA)、颈椎功能残障指数(neck disability index,NDI)、疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)评价临床疗效;行颈椎正侧位、功能位X线片及颈椎CT三维重建扫描,分别测量置换节段、手术相邻节段及颈椎整体活动度,并观察融合节段融合率、内固定位置及异位骨化情况。结果术后随访18~54个月,平均26.3个月,术后各随访点患者JOA、NDI、VAS评分均较术前显著改善(P<0.05);术后24个月时置换节段活动度(8.37°±2.77°)与术前(8.23°±3.36°)相比差异无统计学意义(P>0.05),颈椎整体活动度(41.71°±6.99°)较术前(44.91°±9.48°)显著减小,置换邻近节段活动度(9.16°±2.72°)与术前(9.41°±2.72°)相比差异无统计学意义(P>0.05),融合邻近节段活动度(9.43°±2.6°)较术前(8.18°±2.42°)显著增加(P<0.05);术后12个月融合节段融合率100%,术后各随访点未观察到内植物松动、移位及异位骨化等并发症。结论人工颈椎间盘置换联合前路减压融合术治疗多节段颈椎病可有效缓解疼痛、改善神经功能、维持颈椎生理活动度,获得满意临床疗效。     

A wearable inertial system to assess the cervical spine mobility: Comparison with an optoelectronic-based motion capture evaluation

In clinical settings, the cervical range of motion (ROM) is commonly used to assess cervical spine function. This study aimed at assessing cervical spine mobility based on head and thorax kinematics measured with a wearable inertial system (WS). Sequences of imposed active head movements (lateral bending, axial rotation and flexion–extension) were recorded in ten controls and 13 patients who had undergone an arthrodesis. Orientation of the head relative to the thorax was computed in terms of 3D helical angles and compared with the values obtained using an optoelectronic reference system (RS). Movement patterns from WS and RS showed excellent concurrent validity (CMC up to 1.00), but presented slight differences of bias (mean bias < 2.5°) and dispersion (mean dispersion < 4.2°). ROM obtained using WS also showed some differences compared to RS (mean difference < 5.7°), within the range of those reported in literature. WS enabled the observation of the same significant differences between controls and patients as RS. Moreover, ROM from WS presented good test–retest repeatability (ICC between 0.63 and 0.99 and SEM < 6.2°). In conclusion, WS can provide angles and ROM comparable to those obtained with RS and relevant for the cervical assessment after treatment.