寰枢关节后路动态固定的生物力学研究

目的探讨动态固定(转动钉、滑动钉)对寰枢关节稳定性的影响。方法用6具新鲜成人枕骨(Oc)～颈椎(C4)节段进行测试,分别模拟完整状态、损伤状态、坚强固定、转动钉固定、滑动钉固定。采用重复测量的实验设计,在完整、损伤和不同固定状态下,通过脊柱试验机对标本分别施加1.5 N·m前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转纯力偶矩。三维运动系统测量寰枢椎运动,分析比较固定节段角度的运动范围(range of motion,ROM)和中性区(neutral zone,NZ)。结果损伤状态下,寰枢关节ROM在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著增加,产生了寰枢关节不稳。在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上,坚强固定和动态固定后ROM均显著减小。与坚强固定比较,动态固定仅在侧弯方向上ROM较大。动态固定显著减小了在屈伸、侧弯和旋转方向上的NZ,且与坚强固定之间的差异无显著性。结论寰枢关节动态固定后,在前屈、后伸和旋转方向上的稳定性与坚强固定相当,但在侧弯方向上较弱。动态固定能够维持寰枢关节的相对稳定。     

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。     

人体腰椎L_(4~5)节段有限元建模及分析

本文基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体腰椎L4~5节段有限元模型,进行前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下的生物力学特性分析。首先,选择一名正常志愿者腰椎L4~5节段的CT图像数据建立三维模型,模型包括椎体、椎间盘、软骨终板、连接韧带和小关节突关节等部分,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况加载下进行生物力学性能的分析。结果表明,建立的腰椎模型几何形态逼真且验证有效,在500、1 000、1 500和2 000N分布压力下,腰椎L4~5有限元模型的轴向位移分别为0.23、0.47、0.76、1.02mm,与前人在相同条件下离体实验和有限元分析的研究相近,几种情况下腰椎整体及椎间盘的应力分布符合腰椎的生物力学特性。因此,本文所建立的腰椎L4~5节段有限元模型能有效地模拟腰椎的生物力学特性,为后续腰椎植入物的生物力学性能研究奠定良好的基础。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围(range of motion,ROM)及中性区(neutral zone,NZ)变化。结果在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone, NZ）变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围（range of motion, ROM）及中性区（neutral zone, NZ）变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。     

单双侧小关节分级切除的有限元分析

目的 :研究单双侧小关节部分和全部切除对腰椎稳定性影响。方法 :采用三维有限元法建立腰椎活动节段 (L3～L4 )的数学力学模型。结果 :全部切除L3～L4 节段间小关节 ,椎间盘纤维环的最大应力由 0 .72MPa上升为 0 .81MPa。活动节段的运动范围在单、双侧小关节切除时有明显增大 ,其最突出的倾向表现在轴向旋转和后伸旋转时 ,而前屈时最小。结论 :小关节不同程度切除后 ,腰椎活动节段纤维环最大VonMises应力的变化与其相对应的活动范围的变化呈明显的相关性。一侧小关节主要是限制活动节段向外侧扭转和向对侧弯 ,而对同侧的限制作用则较小     

腰椎单节段棘突问CoflexTM固定对脊柱三维运动的影响

目的:探讨棘突间稳定装置CoflexTM单节段固定后对固定及邻近节段活动度的影响.方法:选取6具新鲜成人尸体脊柱标本(L1～S1段),进行前屈/后伸、左右侧弯/旋转6个运动方向的稳定性测试.计算L2/3,L3/4和L4/5的=三维运动范围(ROM)和中性区(NZ),分别比较完整标本(a);CoflexTM固定L3/4(b);L3/4双侧部分失稳(c);c+b(d)4种状态下3个节段的活动度.结果:ROM值:L3/4前屈时状态b＜a,d＜c(P＜0.01),后伸时状态b、d＜a、c(P＜0.01),旋转时状态b＜a、d＜c(P＜0.05);L2/3和L4/5后伸时状态b、d＞a、C(P＜0.05),前屈及旋转时无差别(P＞0.05);侧弯时3个节段4种状态下均无差别(P＞0.05).结论:CoflexTM可以限制同定节段的前屈、后伸和旋转运动,使上下各一个邻近节段后伸活动度增加,前屈和旋转活动度无变化;对侧弯活动度均无影响.     

Coflex和X-STOP在治疗腰椎管狭窄中生物力学性能研究

目的 分析棘突间撑开器Coflex和X-STOP在治疗腰椎管狭窄中的不同生物力学特性,为棘突间植入物的设计改进提供参考。方法依据1名正常志愿者中立位下螺旋CT扫描资料构建L2~5健康腰椎有限元模型、L4/5椎间盘轻度退变有限元模型、棘突撑开器X-STOP和Coflex的动态固定模型,并对4组模型分别模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转,验证和对比分析活动度（range of motion, ROM）的变化和应力在棘突和撑开器上的分布。结果与退变模型相比,Coflex和X-STOP有效限制退变节段后伸ROM-48.12%和-75.35%,Coflex还能限制前屈ROM-59.58%,侧弯和扭转ROM不受限制。Coflex和X-STOP减少椎间盘后伸时应力达-58.03%和-80.75%,Coflex在前屈时应力减少-52.84%。侧弯和扭转的ROM基本不受影响。Coflex最大应力发生在前屈时U型弯处,X-STOP最大应力出现在扭转时左翼螺钉连接处。Coflex与腰椎接触最大应力发生在扭转时,为31.38 MPa。X-STOP与腰椎接触最大应力发生在侧弯时,为46.86 MPa。结论Coflex和X-STOP是治疗腰椎管狭窄的有效方法,均可以显著降低后伸ROM和椎间盘压力,对相邻节段无明显影响。     

Coflex和X-STOP治疗腰椎管狭窄的生物力学性能

目的分析棘突间撑开器Coflex和X-STOP在治疗腰椎管狭窄中的不同生物力学特性,为棘突间植入物的设计改进提供参考。方法依据1名正常志愿者中立位下螺旋CT扫描资料构建L2~5健康腰椎有限元模型、L4/5椎间盘轻度退变有限元模型、棘突撑开器X-STOP和Coflex的动态固定模型,并对4组模型分别模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转,验证和对比分析活动度(range of motion,ROM)的变化和应力在棘突和撑开器上的分布。结果与退变模型相比,Coflex和X-STOP有效限制退变节段后伸ROM-48.12%和-75.35%,Coflex还能限制前屈ROM-59.58%,侧弯和扭转ROM不受限制。Coflex和X-STOP减少椎间盘后伸时应力达-58.03%和-80.75%,Coflex在前屈时应力减少-52.84%。侧弯和扭转的ROM基本不受影响。Coflex最大应力发生在前屈时U型弯处,X-STOP最大应力出现在扭转时左翼螺钉连接处。Coflex与腰椎接触最大应力发生在扭转时,为31.38 MPa。X-STOP与腰椎接触最大应力发生在侧弯时,为46.86 MPa。结论 Coflex和X-STOP是治疗腰椎管狭窄的有效方法,均可以显著降低后伸ROM和椎间盘压力,对相邻节段无明显影响。     

一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统的设计和力学测试

[摘要]目的设计一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统，并测试其对失稳腰椎的稳定性效果及对相邻节段的作用。方法 1采用6具人新鲜尸体腰椎标本，测试各个节段的活动度，为新型动力内固定系统的设计提供参数支持。2以钛合金棒、钛缆和钛合金碟片弹簧为主要结构，根据正常腰椎各节段的活动度，参照文献报道的相关测试结果，设定动态连接棒屈曲范围0~10°，旋转范围0~5°，并对其进行了相关力学测试。3制作腰椎失稳模型，测试新型动力内固定系统固定后失稳腰椎固定节段及相邻节段的运动范围（ROM）和中性区（NZ），并与坚强固定对比，同时测定其上邻节段软骨终板下压力，探讨其稳定性及对相邻节段的作用。结果 与完整脊柱相比，新型动力内固定系统固定后屈伸和侧屈方向的ROM和NZ较完整脊柱减小（P<0.05），但旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P>0.05）。与坚强固定组相比，新型动力内固定组三个主方向的ROM和NZ均显著增加，差异有显著性意义（P<0.01）。疲劳试验后的结果表明，固定节段在三个主方向上的ROM和NZ均较疲劳前显著增加（P <0.05），但与失稳脊柱相比，差异仍具有显著性意义，与完整脊柱相比，动力内固定屈伸方向的ROM和NZ仍较小，两组相比差异显著（P <0.05），侧屈与旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P >0.05）。结论 新型动力内固定系统可控性强、可靠性好、能够提供足够的活动度。新型动力内固定系统能对失稳腰椎提供各方向上的稳定性，尤其对前屈后伸的稳定效果最好，疲劳试验后也能提供足够的稳定性。相邻节段的ROM和上邻节段终板下压力与固定方式无显著相关。     

微创椎间融合不对称固定的稳定性和椎体应变分布研究

目的研究腰椎微创经椎间孔椎体间融合术(MI-TLIF)不对称内固定条件下节段稳定性和椎体前柱应变分布特点。方法采用新鲜小牛腰椎标本8例,完成L4~L5节段完整状态测试后建立TLIF手术损伤模型,分别测试右侧椎弓根螺钉固定(UPS)、右侧椎弓根螺钉加对侧经关节突椎弓根螺钉(UPS+TFPS)固定、双侧椎弓根螺钉固定(BPS)状态的三维运动范围(ROM),同时在L4椎体前柱表面用电阻应变片技术测量在前屈和侧弯运动中电阻应变数据。结果 UPS+TFPS和BPS固定状态的稳定性效果接近,UPS固定抗旋转稳定性不足。UPS+TFPS固定后椎体前柱应变在前屈和侧弯运动下较BPS固定分别增加21.8%和24.2%。结论 UPS+TFPS固定提供有效稳定的同时可以实现更好的椎体-内植物载荷共享。     

Effects of degenerated intervertebral discs on intersegmental rotations,intradiscal pressures,and facet joint forces of the whole lumbar spine

The effects of intervertebral disc (IVD) degeneration on biomechanics of the lumbar spine were analyzed. Finite element models of the lumbar spine with various degrees of IVD degeneration at the L4-L5 functional spinal unit (FSU) were developed and validated. With progression of degeneration, intersegmental rotation at the degenerated FSU decreased in flexion–extension and left–right lateral bending, intradiscal pressure at the adjacent FSUs increased in flexion and lateral bending, and facet joint forces at the degenerated FSU increased in lateral bending and axial rotation. These results could provide fundamental information for understanding the mechanism of injuries caused by IVD degeneration.     

基于脊柱矢状面曲线建立腰椎 L4 ~ 5 力学简化模型及其有效性验证

目的 根据人体脊柱矢状面曲线建立腰椎 L4~ 5 活动节段力学简化模型,对该模型结构进行有效性验证与分 析。 方法 采用基于飞行时间测距原理的体外测量装置获取人体脊柱矢状面曲线,基于该曲线构建腰椎 L4 ~ 5 机 械简化模型,并从关节活动度(range of motion, ROM)、椎间盘应力( intervertebral disc pressure, IDP)分布及小关节 力(facet joint force,FJF)方面对模型有效性进行验证。 结果 在 0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1 kN 随动载荷( follower load, FL)下模型最大 IDP 分别为 0. 23、0. 46、0. 69、0. 92、1. 15 MPa,纯扭矩下模型屈曲、后伸、侧屈及轴向扭转时 ROM 分 别为 6. 61°、4. 03°、3. 30°、2. 03°,在 FL 和扭矩共同作用下屈曲、后伸、侧屈及轴向扭转时 IDP 分别为 1. 80、1. 00、 1. 36、0. 80 MPa,后伸、侧屈及轴向旋转时 FJF 分别为 79. 60、29. 49、94. 64 N。 结论 基于人体脊柱矢状面曲线构建 的力学简化模型可用于脊柱矢状面曲线变化的脊柱力学分析。     

单侧椎弓根钉棒固定单节段腰椎及其邻近节段生物力学研究

目的分析单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎的生物力学稳定性及其对邻近节段活动度的影响。方法新鲜成人尸体腰椎标本6具,测定L4～5不稳固定节段及其上下邻近节段屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向ROM,按4组顺序依次测试:A组(完整组);B组(模拟L4～5不稳组);C组(单侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage);D组(双侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage)。结果L4～5节段除左侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P0.05);L3～4、L5～S1节段除左、右侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P0.05)。结论单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎在大部分运动方向上具有与双侧固定相似的即刻稳定性,邻近节段侧弯活动度较双侧固定后更少。     

动态固定位置对腰椎稳定性影响的实验研究

目的腰椎棘突间动态稳定装置Coflex是一种临床上腰椎退行性疾病手术治疗的器械,在置入时其U形底部与硬脊膜之间的距离是手术的关键,Coflex置入不同深度后对手术节段的影响是本文关注的问题。本文通过体外实验评估Coflex的U形底部与硬脊膜的距离对术后腰椎稳定性的影响。方法选取成年新鲜尸体腰椎(L1—L5)标本6具。每个标本按照实验过程分为6组模型:完整组(A组)、失稳组(B组)、10 mm安装组(C组)、5 mm安装组(D组)、0 mm安装组(E组)、融合组(F组)。对模型进行前屈/后伸、左右侧弯、左右旋转6个方向的运动测试,通过观察手术节段的运动角度和关节活动度(range of motion,ROM)来分析其稳定性。结果各实验组手术节段运动角度与完整组的相似性为E组D组C组B组F组;ROM的计算结果显示,E组的ROM值比其他组相对较小,刚度较大。结论前屈后伸、左右侧弯、左右旋转6种方向运动时,棘突间动态稳定装置Coflex置入位置距脊柱较近时,术后手术节段性能更加接近正常腰椎。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

人工腰椎间盘置换术后上位关节突关节内应力变化的研究

目的　研究人工腰椎间盘置换术对上位相邻节段关节突关节内应力（FS）的影响,并与腰椎融合术进行比较,为人工腰椎间盘的临床应用提供理论依据。 方法　选取6具新鲜成人尸体的腰骶段（L2~S1）标本,将每具标本依次制作成L4/5椎间盘完整（对照组）、L4/5椎间盘置换和L4/5椎间融合模型,并依次进行生物力学实验,将压力传感器置入L3/4关节突关节,以400 N的恒定轴向载荷,±7.5 Nm的力矩模拟生理状态下轴向、后伸和左右侧弯4种运动,分别测量3种模型在各种运动下L3/4关节突关节内压力。 结果　在模拟生理载荷的各种运动下,人工椎间盘置换组与椎间盘完整组相比较,上位关节突关节内压力差异无统计学意义（P＞0.05）,而腰椎间融合组相对于椎间盘完整组和人工椎间盘置换组,上位关节突关节内压力均显著增加,差异具有统计学意义（P＜0.05）。 结论 人工腰椎间盘置换术后,上位相邻节段关节突关节内压力与正常腰椎相比无明显改变,而腰椎间融合术后,上位相邻节段关节突关节内压力则显著增加。