颈椎棘突骨折累及后方韧带复合体损伤对羊颈椎生物力学稳定性的影响

目的通过体外羊标本模拟颈椎棘突骨折累及后方韧带复合体(posterior ligamentous complex,PLC)损伤对颈椎生物力学稳定性的影响,探讨颈椎后方结构在维持颈椎稳定性中的作用。方法将新鲜羊颈椎C3~6标本24具随机平均分为3组:正常对照组(A组);单纯颈椎棘突骨折组(B组);颈椎棘突骨折合并PLC损伤组(C组)。在1.5 N·m力矩加载下,分别测量各组在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下颈椎活动度(range of motion,ROM),使用单因素方差分析比较3组之间的ROM差异。结果单纯颈椎棘突骨折对羊颈椎稳定性影响不大,各工况下ROM同正常对照组比较差异无统计学意义(P0.05);颈椎棘突骨折合并PLC损伤组在前屈、后伸及左右旋转工况下ROM显著增加,同正常对照组相比,差异具有统计学意义(P0.05),颈椎棘突骨折合并PLC损伤组在左右侧弯工况下同正常对照组比较ROM变化不显著,差异无统计学意义(P0.05)。结论单纯颈椎棘突骨折本身并不影响颈椎整体稳定性,但颈椎棘突骨折伴有PLC损伤时可造成颈椎不稳,需要手术干预。     

腰椎棘突间Coflex动态固定的三维有限元分析

目的比较腰椎棘突间Coflex动态固定、单纯减压及坚强固定术后各节段活动度及椎间盘应力,分析Coflex系统的生物力学特点。方法运用三维有限元方法建立正常成人腰骶椎模型,及开窗减压、棘突间Coflex动态固定、椎弓根钉棒坚强固定模型,约束骶骨及髂腰韧带,施加500N预载荷和7.5Nm运动附加力,测量腰椎节段各方向的活动度及椎间盘应力。结果 Coflex固定模型活动度和椎间盘应力分别为,植入节段(L4/5):前屈3.15°,2.571MPa,后伸1.21°,2.109MPa;上位邻近节段(L3/)4:前屈3.46°,2.001MPa,后伸2.75°,3.149Mpa;下位邻近节段(L5S1):前屈3.22°,2.681MPa,后伸2.46°,3.812MP。结论 Coflex动态固定可保留植入节段部分活动度并减低其椎间盘应力,而对相邻节段活动度及椎间盘应力无明显影响。     

后路固定术治疗胸腰椎爆裂骨折的生物力学研究

为了给胸腰椎爆裂性骨折病人手术方式的选择提供理论支持和临床依据,建立T10-L2节段正常脊柱模型、爆裂性骨折模型,经伤椎单节段固定模型、经伤椎双节段固定模型和跨伤椎短节段固定钉模型。在T10上表面施加400 N的压缩载荷和7.5 N·m的力矩,模拟人体前屈、后伸、左/右侧弯和左/右侧旋转6种生理活动,利用有限元方法分析3种手术固定方式的生物力学特性。结果表明,与完整的正常脊柱模型相比,3种固定模型在所有运动状态下的活动度(ROM)均有所减少。相比经伤椎双节段内固定模型,经伤椎单节段内固定模型在前屈、后伸、左弯、右弯、左旋和右旋6种受力状态下,椎弓根螺钉上的应力分别增加了78.1%、87.8%、90.5%、81.3%、51.3%,72.3%。经伤椎单节段固定术系统的活动度和正常脊柱最为相似,其在恢复脊柱稳定性的同时可最大可能地保护脊柱原有的力学属性,但其钉棒的最大应力远高于经伤椎双节段固定术。对于失稳严重的损伤,经伤椎双节段固定术可明显降低螺钉应力,同时提高脊柱的稳定性。     

斜外侧椎间融合结合不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸的有限元分析

目的 运用三维有限元分析法验证斜外侧椎间融合(oblique lateral interbody fusion, OLIF)辅助不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸(degenerative lumbar scoliosis, DLS)的生物力学稳定性。方法 建立L1～S1三维有限元DLS模型(模型1),模拟L2～5连续三节段OLIF手术及其结合不同内固定方式,分别建立单纯OLIF(stand-alone OLIF)模型(模型2)、椎体钉棒固定模型(模型3)、单边椎弓根螺钉固定模型(模型4)和双边椎弓根螺钉固定模型(模型5)。在直立、前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下,记录并分析各模型融合节段活动度(range of motion, ROM)、融合器及内固定的应力及其分布情况。结果 6种运动工况下,模型2～5融合节段整体ROM均小于模型1;与模型1相比,模型3、4的ROM降幅大于模型2、小于模型5;前屈和后伸工况下,模型4与模型5的ROM降幅相仿;左右侧弯工况下,模型3与模型5的ROM降幅相仿。在所有运动工况下,模型3、4融合器应力峰值大于模型5、小于模型2;其中,模型3的L2～3、L3...     

不同腰椎生理曲度下牵引的三维有限元分析

文题释义：腰椎牵引：是指令患者平卧于治疗床上,使用束带将患者前臂固定,达到医者固定患者双臂的目的;波浪式滚动气柱以腰背部为作用点进行顶推,控制多层气柱叠加高度使受试者腰部逐渐过伸牵引脊柱关节,实现对软组织的牵伸,并结合自身重力过伸牵引脊柱关节,能够增大椎间隙及调整椎小关节,最终达到理筋整复的作用。 三维有限元分析：是指在获取腰椎的CT图像数据,并导入到Mimics等软件当中建立的有限元模型基础上,将L₃的发生的位移变化带入MSC.Nastam软件中,高度仿真模拟人体在不同生理曲度下,计算分析出全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。 背景：近年来利用有限元分析方法研究腰椎生物力学成为热点,研究认为腰椎生理性前凸可减少腰椎间盘压力负荷,而对腰椎起保护效应。 目的：研究腰椎在正常生理曲度、屈曲位及最大过伸位下进行腰椎牵引时对L₁-L₅腰椎各节段的生物力学效应,并评估腰椎牵引的最佳生理曲度。 方法：选取1名健康男性志愿者,26岁,身高174 cm,体质量60 kg,既往体健,排除腰椎骨骼异常疾病。以受试者L₃为作用点徒手操作南少林倒盖金被法,利用DR机分别获得受试者腰椎起始位和最大过伸位的腰椎侧位片,构建全腰椎有限元模型。计算腰椎不同生理曲度下全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。研究方案的实施符合福建中医药大学附属康复医院相关伦理要求,受试者对试验过程完全知情同意。 结果与结论：①模拟腰椎前屈、后伸,左右侧弯,左右旋转6种工况活动度：L₁-L₂的前屈与后伸活动度之和为9.31°,左右侧弯9.84°,左右旋转4.43°;L₂-L₃：前屈与后伸10.22°,左右侧弯12.35°,左右旋转4.57°;L₃-L₄的前屈与后伸的活动度之和为11.20°,左右侧弯11.63°,左右旋转5.32°;L₄-L₅前屈与后伸活动度之和13.16°,左右侧弯11.58°,左右旋转5.05°;②在正常生理曲度牵引腰椎时,腰椎各个结构的应力值远大于过伸位牵引的应力值;前纵韧带应力值正常曲度是2.47 MPa,过伸位是21.20 MPa;L₃的椎体应力值达到最大,是过伸位牵引应力值的4倍;L₂-L₃的椎间关节及椎间盘的应力值在腰椎各个节段是最大的;③结果说明,腰椎在过伸位较正常生理曲度牵引下椎体、椎间关节、椎间盘的压力减轻更大,而且前纵韧带的压力值始终在安全范围内。腰椎在过伸位牵引时可能获得更好的临床疗效,同时具备一定的安全性。 ORCID: 0000-0002-4468-1464(李民) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善,侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而,当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。 目的：建立精细下颈椎(C3-C7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型,对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。 方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT,得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。 结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细,外形逼真,共包含503 911个四面体单元,93 390个节点,并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程,最终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性,重建后颈椎的活动度远低于完整模型,且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力最为集中。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

脊柱胸腰段骨折后路经伤椎单节段固定与常规短节段固定的力学性能比较

目的 应用三维有限元技术构建胸腰椎骨折经伤椎单节段固定及常规短节段固定模型,研究经伤椎单节段固定的生物力学特点,论证其在胸腰椎骨折治疗中应用的可行性。方法 选取青壮年健康男性志愿者,利用CT扫描数据建立脊柱T10~L2正常模型、T12骨折模型以及经伤椎单节段固定和短节段固定模型;分析在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈及轴向旋转下各个节段的最大位移差及内固定物的应力情况。结果 骨折模型T10~11、T11~12、T12~L1的最大位移差较正常模型在大多数加载情况时明显增大,经短节段或者经伤椎单节段固定后,该值明显减小,两种固定方式无显著差异。内固定物应力方面：在轴向压缩及前屈时,经伤椎单节段固定模型中螺钉应力明显低于短节段固定;而在后伸、侧屈及轴向旋转时,螺钉应力无明显差异。对于固定棒,轴向压缩及前屈时,两种固定方式无差异;后伸及侧屈时经伤椎节段固定应力高于短节段固定,而旋转时则恰恰相反。结论 对于胸腰段单节段不完全骨折,经伤椎单节段固定可以提供与常规短节段固定相近的生物力学稳定性,是治疗胸腰椎不完全骨折的一种良好的选择。     

新型后路寰枢椎限制性非融合内固定系统的有限元分析

背景:寰枢椎融合是目前治疗寰枢椎脱位的主要修复方式,但是其前提是牺牲寰枢椎活动为代价,特别是旋转功能。限制性非融合内固定是一种既可以维持寰枢椎稳定性,又可保留寰枢椎活动功能的方法,其生物力学特点与传统融合术之间的差异有待进一步研究。目的:通过建立寰枢椎不稳的三维有限元模型并模拟后路寰枢椎限制性非融合内固定系统和后路寰枢椎钉棒内固定系统,验证该新型内固定系统的生物力学特性。方法:选择1名31岁成年健康男性志愿者,采集从枕骨底到第3颈椎(C0-C3)的CT数据,应用Simpleware3.0、Geomagic 8.0、Hypermesh 10.0、Abaqus 6.9、Rhino 4.0软件构建有限元模型。施加1.5 N·m的纯力偶矩,使模型在屈伸、侧弯、旋转方向上运动,将模型的椎间活动度与文献报道的体外生物力学实验数据相比进行验证。建立后路寰枢椎限制性非融合内固定系统模型和后路寰枢椎钉棒内固定系统模型,对比两种模型在前屈、后伸、侧弯、旋转等工况下的椎间活动度,记录下限制性非融合内固定系统模型的SMise应力云图。结果与结论:(1)实验建立了健康人的上颈椎(C0-C3)三维非线性有限元模型,模型包括206 747单元,72 500个节点,其外形逼真,椎间活动度与文献报道的体外生物力学实验结果吻合;(2)限制性非融合内固定系统模型C1-C2节段前屈、后伸工况的活动度与传统钉棒内固定系统模型相似;(3)在左右侧屈工况下,传统钉棒内固定系统模型C1-2间的侧屈活动度明显受限,而限制性非融合内固定系统模型的活动度比寰枢椎脱位模型有所增加,与正常寰枢椎模型基本相同;(4)在左右旋转工况下,传统钉棒内固定系统模型寰枢椎之间的旋转活动度基本消失,而限制性非融合内固定系统模型其活动度虽有所减少,但仍保留大部分旋转活动度;(5)限制性非融合内固定系统模型在螺钉与连接棒、连接杆接触部位出现应力集中;(6)结果表明,后路寰枢椎限制性非融合内固定系统是一种实用、有效的寰枢椎内固定方式,该限制性非融合内固定装置具有限制屈伸活动,并且有效保留寰枢椎轴向旋转和侧弯活动功能的特点。     

颈前路钢板置入内固定加椎间植骨治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学评价

背景:C2/3椎间盘切除,钢板置入内固定加椎间植骨是治疗Hangman骨折的常用术式。该术式在临床应用广泛,但目前尚缺乏相关实验评价钢板置入内固定治疗Hangman骨折的生物力学特点研究。目的:评价钢板置入内固定+椎间植骨治疗Ⅱ型Hangman骨折的生物力学稳定性。方法:6具正常成人新鲜冷冻颈椎,每一标本依次制作成以下3种状态组:即正常对照组、Ⅱ型Hangman骨折模型组、椎间植骨+钢板内固定组。按以上顺序应用脊柱三维运动试验机和三维激光扫描仪测试每一状态C2/3节段的三维运动范围。结果与结论:与正常对照组比较,Ⅱ型Hangman骨折模型组C2/3节段前屈、后伸、旋转及侧弯关节活动度均显著增大(P0.05),钢板内固定+椎间植骨组旋转方向关节活动度显著增大(P0.05);与Ⅱ型Hangman骨折模型组相比,钢板内固定+椎间植骨组C2/3节段前屈、后伸及侧弯关节活动度均显著减小(P0.05)。结果提示钢板置入内固定能够在前屈、后伸及侧弯方向恢复Ⅱ型Hangman骨折的稳定性,然而在旋转方向缺乏稳定作用,术后需辅以外固定以确保融合。     

脊柱胸腰段钉棒系统后外侧前后一体内固定的有限元分析

背景:目前脊柱胸腰段内固定方法均有优缺点,希望探索一种新的内固定方案,使脊柱有效固定的同时,可更安全、方便的进行其他操作。目的:建立脊柱胸腰段(T12-L2)三维有限元模型,观察钉棒系统后外侧前后一体内固定对胸腰段稳定性的影响。方法:基于人正常T12-L2节段的CT扫描数据,利用Geomagic 11.0、Ug 7.0、Hypermesh 10.0、Abaqus6.9.1软件建立T12-L2节段三维有限元模型,并在此基础上分别建立钉棒系统后路固定、前路固定、后外侧前后一体内固定模型,在T12上表面施加500 N预载荷,再施加7.5 N·m的力矩,模拟胸腰段前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等生理活动,观察不同工况下内固定节段的平均刚度。结果与结论:3种内固定模型在不同工况下的平均刚度均较正常模型的平均刚度高。在前屈、左右侧屈、左右扭转等不同工况下,后外侧钉棒系统前后一体固定的平均刚度均高于单纯后路固定,平均刚度分别较后路固定高13%,28%,11%,17%和9%,后伸时平均刚度低于后路固定,比后路固定低6%。但与前路相比,后外侧钉棒系统前后一体内固定在前屈、左右侧弯3种工况下的平均刚度低于前路固定,平均刚度分别比固定低15%,10%和14%,而在后伸、左右扭转情况下平均刚度高于前路固定,分别比前路固定高5%,12%和2%。提示后外侧钉棒系统前后一体内固定能够明显提高固定节段的稳定性,在抗后伸及左右扭转方面的稳定性略好于前路固定,而在抗前屈、左右侧弯、左右扭转方面略好于后路固定,因此可作为一种可选的内固定方法。     

伴椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折后路寰枢椎固定术的有限元分析

研究伴枢椎单侧椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折采用两种组合后路寰枢椎内固定术式治疗的生物力学特性,分析上颈椎的稳定性和内固定植入椎板螺钉、椎弓根螺钉和C2pars螺钉的应力分布情况。基于人体颈椎Ⅱ型齿状突骨折的CT图像数据,结合有限元前处理软件,依据临床手术方案,建立上颈椎两种组合后路寰枢椎内固定模型:一种是单侧枢椎椎板螺钉(C2TL)+寰枢椎椎弓根螺钉(C1PS、C2PS)固定(C1PS-C2TL+PS模型),另一种是单侧C2pars螺钉+寰枢椎椎弓根螺钉固定(C1PS-C2pars+PS模型),分析两种固定模型在屈伸、侧弯和旋转工况下的关节活动度和内固定植入器械的应力分布情况。结果表明,伴椎动脉高跨Ⅱ型齿状突骨折在后路寰枢椎两种固定术式中,C1PS-C2TL+PS模型在屈伸、侧弯和旋转工况下寰枢关节的关节活动度比骨折模型分别减小92.71%、91.28%、95.89%,C1PS-C2pars+PS模型分别减小89.50%、94.77%、92.72%,表明椎体固定节段的刚度都显著提高。此外,C1PS-C2pars+PS模型在前屈和后伸运动时,枢椎螺钉的根部和连接棒下部出现明显的应力集中,最大应力值分别为179.9和167.6MPa,比C1PS-C2TL+PS模型分别增大55.1和52.2MPa。C2pars螺钉在不同工况下最大应力值的变化幅度比较显著,最大值为前屈工况的123.7MPa,比C2TL最大应力值增大21.4MPa。伴椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折采用C1PS-C2TL+PS和C1PS-C2pars+PS两种固定术式,均能有效地提高寰枢椎的刚度,前者在屈伸和旋转时具有更好的稳定性,C1PS-C2TL+PS内固定术式在结构和应力分布上更加合理,结果可为伴椎动脉高跨Ⅱ型齿状突骨折内固定术式的研究提供一定的理论依据。     

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。     

前后路重建治疗II型Hangman骨折对颈椎稳定性的影响

目的评价颈前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术重建上颈椎稳定性的生物力学性能,并与临床常用的C2～3开槽植骨融合钢板内固定术、后路椎弓根螺钉内固定术作对比。方法 6例新鲜尸体上颈椎标本(含C2～4),在标本完整(完整组)、C2双侧椎弓峡部切断加C2～3前纵韧带切断加C2～3椎间盘切除(Hang-man骨折组)、后路C2双侧椎弓根螺钉内固定(后路固定组)、前路C2～3植骨融合内固定术(前路内固定组)以及前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术组(前路椎体切除+内固定组)状态下,依次用脊柱三维运动测量系统测试其C2～3、C3～4节段分别在0.5、1.5、2.5 N.m力矩下的运动范围(rage of motion,ROM),并行统计学分析。结果 (1)C2～3节段:前路内固定组和前路椎体切除+内固定组在0.5、1.5、2.5 N.m力矩载荷下的6个方向上,ROM值较完整,Hangman骨折组、后路固定组均明显减小(P<0.05),前路内固定组与前路椎体切除+内固定组间比较无显著性差异。后路固定组在各种载荷条件下6个方向ROM均较完整组大(P<0.05)。后路固定组在各种载荷条件下前屈和后伸时与骨折组无显著性差异,在所有载荷条件下左右旋转及2.5 N.m力矩载荷下左右侧屈时与骨折组间存在显著性差异(P<0.05)。(2)C3～4节段:除前路椎体切除+内固定组外,其余各组在各种载荷条件下6个方向ROM各组间无显著性差异。在各种载荷下前路椎体切除+内固定组6个方向ROM明显较其余各组小(P<0.05)。Hangman骨折组、后路固定组、前路内固定组中,虽然前路内固定组在各个方向上ROM较其他组略大,但无统计学意义。结论从生物力学观点来看,前路C3椎体大部分切除、植骨融合钢板系统内固定术固定伴有C2～3节段前纵韧带、椎间盘损伤的II型Hangman骨折较C2后路椎弓根螺钉固定更为适当和稳定,是治疗伴有C2～3椎间盘损伤的Ⅱ型Hangman骨折的一个合适选择。     

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。     

基于Coflex改良设计棘突间动态固定系统的有限元分析

背景：国内应用较广的棘突间动态系统Coflex存在较高的棘突骨折并发症发生率。 目的：通过有限元分析,验证改良的Coflex设计中与脊柱棘突的接触中的刚性限制,为半刚性限制,从而减少在脊柱屈伸,侧屈及旋转活动中棘突的受力情况,降低棘突骨折的发生。 方法：提取首都医科大学附属北京朝阳医院影像系统中腹部CT扫描患者的图像,建立腰椎三维有限元模型;通过精密仪器测量在CAD软件SolidWorks软件中建立Coflex及改良后的系统模型;在SolidWorks软件中进行棘突模型简化,在ANSYS软件中分析假体模型在拉力、剪切力和轴向旋转力作用下的静态受力情况。 结果与结论：在拉力、横向剪切力和旋转力作用下,与Coflex系统相比,改良后的系统中棘突模型应力明显减小(P < 0.01)。说明改良后的模型在棘突骨骼受力方面均优于原方案,能够减少在脊柱受力情况下的棘突应力,降低了棘突骨折的发生。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程      

Hangman骨折相关三维有限元模型的建立和验证

背景：目前有关上颈椎多节段有限元模型的相关文献很少,尚无建立Hangman骨折有限元模型的报道。 目的：建立C2~4节段正常颈椎及不同程度Hangman骨折的三维有限元模型,并对各模型进行模拟及加载验证。 方法：选择一健康成年男性志愿者进行C2~4节段CT扫描,以CT扫描图像为基础,在计算机工作站利用ANSYS等有限元分析软件,建立C2~4节段颈椎三维有限元模型,模型包括椎体和椎弓、椎间盘、韧带成分,在此模型基础上逐步模拟切断双侧C2椎弓峡部、切除C2~3前纵韧带和部分椎间盘的Hangman骨折模型,分别计算正常颈椎、不同Hangman骨折模型在模拟施加50 N载荷下,C2~3,C3~4节段三维六自由度的角位移(ROM)。 结果与结论：C2~3节段Hangman骨折加韧带椎间盘切除模型在各个方向上均较正常和固定模型ROM增大,在屈伸运动时增大最明显,而在旋转和侧屈时与正常标本相差不多。C3~4节段各组间的ROM相差不超过0.16°。各种三维有限元模型的位移和应力验证结果与实验生物力学结果基本相符,提示建立的三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

不同方式颈椎融合手术对上颈椎Jefferson骨折稳定效果的影响

目的建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折有限元模型,分析后路寰枢椎融合(posterior atlantoaxial fusion,PSF)和枕颈融合(occipitocervical fusion,OCF)对颈椎椎体生物力学特性和钉棒系统力传导特性的影响。方法基于CT图像建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折模型,依据临床手术方案实施PSF、OCF1和OCF2内固定术,施加50 N集中力和1.5 N·m力矩于枕骨底部,研究上颈椎C0～3节段在前屈、后伸、侧屈和旋转运动时,颈椎椎体的应力分布和关节活动度(range of motion,ROM)、钉棒系统最大应力以及椎间盘的应力分布情况。结果 OCF1和OCF2椎体ROM较PSF增加,钉棒应力减少,OCF具有较好的固定效果。结论 PSF、OCF1、OCF2固定术式均可减少上颈椎ROM,重建上颈椎的稳定性,使椎体和椎间盘应力分布趋向正常水平。研究结果可为临床手术方案提供理论依据。     

下颈椎全脊椎切除术后两种内固定重建方法的有限元分析

研究下颈椎C5椎体全脊椎切除术(TS)之后,前后路不同联合内固定重建方法对颈椎稳定性的影响。基于CT图像建立下颈椎C3-C7节段完整无损模型,在无损模型基础上,建立C5全脊椎切除术后两种内固定重建模型：一为钛网重建+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉模型(TM+AP+SPS);二为钛网重建+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉模型(TM+AP+DPS)。对模型分别施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m的扭矩,分析两种模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转等工况下的关节活动度（ROM）以及钛网、钢板、椎弓根螺钉的应力分布情况。结果表明,重建节段ROM随着扭矩的增大而增加,呈现出非线性的趋势,TM+AP+SPS模型的增加幅度较大。1.0 N·m工况下,两种模型重建节段ROM均减少83%以上;TM+AP+SPS模型在后伸、侧弯和扭转时,邻近节段的ROM均增加11%以上,C6-C7节段的ROM在扭转时增加41.79%,TM+AP+DPS模型的邻近节段ROM则显著降低。TM+AP+SPS模型和TM+AP+DPS模型中钛网应力分别集中于受压侧和后方。TM+AP+SPS模型的邻近节段有较大的代偿活动,TM+AP+DPS模型各节段ROM均大幅度减小,TM+AP+DPS模型的稳定性更好。     

正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

目的：建立颈椎C2～C7节段三维有限元模型,分析模型的生物力学特征,进行有效性验证。方法：招募一名健康志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫描区域设定为枕骨至C7椎体节段。将获得的图像数据DICOM文件导入至Mimics图像分割软件中,对颈椎骨性结构进行分割提取。在Geomagic studio软件中对获得的颈椎骨性结构模型进行去噪、光顺、修补填充等处理,拟合曲面实体,并偏移分割生成皮质骨与松质骨,将模型保存为STEP文件。在Solidworks软件中完成椎间盘髓核、纤维环及关节软骨结构的建立与模型的组装匹配。ANSYS Workbench软件中添加材料属性、接触关系、边界条件及载荷,测量颈椎在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种应力作用下位移变化。结果：成功建立颈椎C2～C7节段有限元模型,颈椎C2～C3屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.2°、5.3°,颈椎C3～C4屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.1°、6.2°,颈椎C4～C5屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为8.1°、7.9°、7.8°,颈椎C5～C6屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为6.9°、...