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     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

两种坐位旋转手法腰椎应力及位移的有限元分析

摘要：目的 探讨两种坐位旋转手法的作用机理及其合理性、安全性。 方法 使用螺旋CT,以1mm的间隔,对1具男性青年新鲜尸体的腰椎标本沿轴向进行断层扫描,以jpg格式将其断面图像输入计算机。利用三维重建软件Minics建立腰椎三维计算机模型。根据手法原理,将两种坐位旋转手法进行分解,把力学参数带入三维有限元模型,利用Ansys 9.0 软件进行计算。结果 椎间盘: 两种手法椎间盘的应力都主要集中于纤维环,尤其是外层纤维环,髓核应力相对较小。两者的最大位移分布基本一致,都位于椎间盘的左侧。椎间盘后部位移也都以左侧明显。椎体及后部结构: 直腰旋转手法主要应力分布于小关节,腰椎定点旋转手法主要应力分布与椎体峡部、椎弓根侧隐窝及上位椎体小关节面的下端。两者的最大位移分布不同,直腰旋转手法最大位移位于L4棘突,腰椎定点旋转手法最大位移位于L4椎体上缘左侧及L4左侧上关节突;且腰椎定点旋转手法的椎间孔位移更显著。结论 手法造成了椎间盘、关节突的位移,有利于解除神经根的粘连。两种手法比较,脊柱定点旋转手法更具有效性及安全性。     

非线性三维有限元法分析腰椎间盘退变

目的 探讨椎间盘退变对腰椎活动节段生物力学的影响.方法 采用新型的基于CT图像的CAD建模方法精确建立L4-L5运动节段的三维非线性有限元模型,并通过改变椎间盘材料特性和椎间盘高度等参数,建立正常椎间盘模型和轻、中、重度椎间盘退变模型,分别对4种有限元模型进行生物力学测试,比较4种模型之间刚度、髓核内压、后部结构力、纤维环基质最大应力的差异,并比较椎体、终板的应力分布变化.结果 各种载荷条件下,退变椎间盘模型刚度均与正常椎间盘模型不同,其中轻度退变模型刚度小于正常模型,而中度退变模型和重度退变模型刚度大于正常模型,且重度退变模型刚度大于中度退变模型;与正常模型比较,轻度退变模型的后部结构力略有增大,而中度退变和重度退变模型的后部结构力逐渐减小;随着椎间盘退变程度的增加,髓核内压逐渐减小,纤维环基质最大von Mises应力渐行性增大,各指标在5种载荷下表现一致;随着椎间盘退变的加重,椎间盘承载向纤维环分散,椎体、终板外缘出现应力集中现象.结论 椎间盘退变可导致腰椎活动节段刚度改变,轻度椎间盘退变引起腰椎刚度下降,而中、重度椎间盘退变时腰椎刚度增加;椎间盘退变时腰椎间盘承载与腰椎后部结构力呈现负相关变化;退变椎间盘的承载模式发生改变,椎间盘、椎体、终板应力分布存在向外周扩散的趋势.     

腰椎椎管狭窄症的生物力学研究

目的；从生物力学角度对腰椎椎管狭窄症的病因、病理、临床表现、诊断和手术治疗进行研究。方法；采用三维有限元模型，三维运动学测量、腰椎测量、影像学测量等方法，探讨 椎椎管狭窄症的生物学改变，并对该手术治疗作改进。结果；椎间盘纤维环后外侧、椎体后表面、椎弓根部、椎弓峡部和关节突关节等部位均产生明显的应力集中，而椎间盘退变及腰椎后仲均这一趋势加剧。后部结构切除手术除对于腰椎的生物力学行为有明确的影响，改进     

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。     

融合与Topping-off术对腰椎影响的有限元分析

目的:应用有限元方法分析Topping-off术对融合节段的相邻节段的影响。方法:建立L1~L5正常腰椎有限元模型,经与文献结果对比验证有效性后分别建立2种手术模型:(1)L4/L5节段融合的后路腰椎椎间融合术(posterior lumbar intervertebral fusion,PLIF)模型,(2)L4/L5节段融合及L3/L4节段植入棘突间固定装置(interspinous spacer,ISP)的Topping-off模型。分别对两者L1椎体上终板施加500 N垂直压缩载荷以及10 Nm前屈、后伸、(左)侧屈和(右)旋转力矩载荷,观察L3/L4节段活动度、椎间盘压力、小关节应力及L3、L4棘突应力情况,使用SPSS 21.0统计软件对结果进行分析。结果:在前屈、后伸载荷下,Topping-off模型L3椎体相对位移、椎间盘纤维环及髓核压力、双侧小关节应力小于PLIF模型(P<0.05),L3、L4椎体棘突应力大于PLIF模型(P<0.05)。在左侧屈载荷下,Topping-off模型L3/L4节段左侧小关节应力小于PLIF模型(P<0.05)。结论:Topping-off术能够降低融合相邻节段的椎间盘和小关节负荷,具有潜在的预防融合相邻节段退变的作用。     

腰椎小关节接触模型的有限元分析

目的建立腰椎4-5运动节段的有限元模型,分析小关节在不同状态下的生物力学特性。方法获取一新鲜成人尸体腰椎4-5节段的断层CT扫描图像,利用此二维图像建立三维立体有限元模型,小关节部位处理为接触问题。模拟人体的不同承载状态对此模型进行计算处理。结果小关节在不同状态下承担着不同的载荷,特别是在椎体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。结论小关节部位应该处理为接触问题,这有助于正确了解脊柱运动节段的生物力学特性。     

腰椎后路单节段椎弓根螺钉内固定的三维有限元分析

目的 建立腰34节段的后路经椎弓根螺钉内固定的有限元模型,评估固定前后系统的应力变化,探讨后路内固定对腰椎和内固定器械的力学影响.方法 利用Pro/E三维建模软件模拟脊柱后路的钉棒内固定系统,MIMICS软件模拟手术实际操作,建立后路经椎弓根螺钉固定前后的腰3-4节段三维实体,导入有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.采用腰4椎体做收敛性分析,建立5种不同网格划分数目的 腰4模型进行验证.分析椎体和螺钉系统在0.5 mPa轴向压力下的力学变化.结果 在均布压力下,腰4模型位移为0.00125815 mm,与基准位移的误差只有0.8167%,模型收敛性好.在轴向压力作用下,固定后的椎体、椎间盘和内固定的应力发生明显变化,椎间盘的应力集中部位由后外侧转向前外侧,固定椎体产生的应力明显减小,应力遮挡效应明显.螺钉根部的上下方,存在着明显的应力集中,且上一椎体固定的螺钉要比下一椎体的螺钉承受应力大.结论 利用计算机辅助系统和有限元分析结合的方法 ,可以模拟腰3-4节段后路椎弓根内固定手术,较直观地观察脊柱后路固定前后系统的力学变化.     

基于三维有限元法的腰椎动态稳定系统建立及生物力学行为初步分析

目的：基于三维有限元建模方法,建立腰椎弓根动态稳定钉棒系统的模型,初步分析处于不同载荷下腰椎的应力分布及各节段的活动度。方法对一名健康成年男性志愿者行CT扫描,用Mimics 10.01、Abaqus 6.10软件建立正常人L3～S2节段模型。结合Bioflex动态稳定系统建立模型。对模型施加150 N预载荷,在3个主平面施加10 Nm扭矩,获得前屈、后伸、侧屈及旋转6种运动状态下的Bioflex钉棒应力分布和各节段的椎间活动度,初步测定后伸及旋转运动的活动度。结果建立的腰椎L3～S2节段和动态稳定系统有限元模型符合生物力学模型,初步分析显示腰椎动态稳定系统的应力主要集中于螺旋固定棒;在各种加载下,腰椎动态固定的节段活动度明显降低。结论基于三维有限元方法建立的Bioflex腰椎弓动态固定模型能很好地模拟腰椎的动态固定力学活动,可以对固定后的腰椎的应力和各种活动进行很好的模拟,具有很好的研究价值。     

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。     

腰椎小关节接触模型的有限元分析

目的 建立腰椎4-5运动节段的有限元模型。分析小关节在不同状态下的生物力学特性。方法 获取一新鲜成人尸体腰椎4-5节段的断层CT扫描图像，利用此二维图像建立三维立体有限元模型。小关节部位处理为接触问题，模拟人体的不同承载状态对此模型进行计算处理。结果 小关节在不同状态下承担着不同的载荷，特别是在椎体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。结论 小关节部位应该处理为接触问题，这有助于正确了解脊柱运动节段的生物力学特性。     

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。     

腰椎小关节力学机制的有限元分析

目的 研究腰椎小关节在各种形式负荷作用下的承载功能.方法 取青壮年男性新鲜尸体的L4-L5运动节段标本,经螺旋CT扫描得到断面图像,在ANSYS软件中建立L4-L5节段的三维有限元模型.对模型施加400N轴向压缩载荷和/或8Nm前屈、后伸、左右侧弯弯矩和左右轴向旋转力矩,测量分析小关节面所受的压力.分析各种加载方式下小关节面的接触应力,评价小关节的承载功能.结果 L4-L5小关节约承受轴向压缩载荷的20%.前屈时小关节受力减小.后伸时受力增大;侧弯时对侧小关节受力增大,同侧小关节受力减小;轴向旋转时同侧小关节不受力,对侧小关节则受力极大.结论 腰椎小关节具有重要的承载功能,临床上应注意保护和维持小关节的完整性.     

可膨胀椎间融合器治疗腰椎间盘轻度退变的有限元分析

目的: 建立可膨胀椎间融合器(EVIFC)和第4、5腰椎的有限元模型,分析EVIFC植入对腰椎生物力学的影响,为EVIFC的临床应用提供依据。方法: 根据健康成年男性腰椎CT扫描数据建立正常第4、5腰椎有限元模型,在此模型上模拟腰4-5椎间盘轻度退变,在三维模型上植入EVIFC。在屈伸、侧弯和旋转的载荷下,分析腰椎模型置入EVIFC前后的稳定性、椎间盘压力、终板压力及小关节载荷变化。结果: EVIFC的置入减少了退变节段终板、髓核和小关节的应力。屈伸时,腰4-5椎体退变模型的终板及髓核平均压力分别是6.1620和0.2016MPa,小关节载荷是32.8N;植入EVIFC后其数值分别是3.526、0.107MPa和8.5N。侧弯及旋转载荷结果一致。对于邻近的腰椎节段,与退变模型比较,植入EVIFC后,腰4-5终板和髓核应力值均有所减小,但其相邻节段纤维环的应力值均有所增加。结论: EVIFC对退变腰椎能起到良好的稳定效果,可满足人体生物力学需求,是一种适宜的新型腰椎融合器。     

有限元模型分析髓核摘除术后腰椎生物力学特性变化

目的采用三维有限元模型分析方法,探讨腰椎间盘突出症髓核摘除术对腰椎生物力学特性的影响。方法采用新型CAD方法精确建立腰椎L4～L5活动节段有限元模型,构建正常模型、退变模型、髓核摘除即刻模型和瘢痕长入模型,分别模拟正常椎间盘、退变椎间盘、髓核摘除术后即刻和术后中长期随访时的椎间盘,并在压缩、屈曲、伸展、前剪及后剪5种载荷条件下对4组模型进行生物力学测试。结果 (1)各种载荷下退变模型的腰椎节段刚度较正常模型提高;(2)髓核摘除即刻模型的刚度较退变模型减小,但较正常模型提高;(3)瘢痕长入模型腰椎节段刚度大幅回升并超过退变模型;(4)髓核摘除即刻模型在屈曲、后伸和后剪载荷下关节突接触力减小,瘢痕长入模型则表现为在后伸、前剪和后剪载荷下关节突接触力增加;(5)各种载荷下退变模型后向膨出度较正常模型明显减小,髓核摘除即刻模型后向膨出度一定程度回升,但其纤维环内环会发生"内向膨出"。结论腰椎间盘髓核摘除术可在术后不同时段对腰椎运动节段生物力学特性产生不同影响,髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小,而髓核摘除中长期后则可有腰椎运动节段变硬和关节突的应力增加。     

垂直冲击下L1应力分布的有限元研究

目的利用有限元法动态分析L1在垂直冲击作用力下应力分布及应力变化规律。方法建立胸腰椎(T11-L3)的三维非线性有限元模型,并验证模型的有效性。模拟体外实验,予以100J能量垂直冲击有限元模型,利用Abaqus 6.9显式动力学求解器Explict进行求解,分析L1的应力分布特点及变化规律。结果建立了有效的胸腰椎三维非线性有限元模型。在垂直冲击作用下L1应力随时间变化而变化,应力最大值部位随时间变化而变化,应力最大部位出现在椎弓根基底部、关节突关节及峡部,椎弓根基底部应力最大值出现在椎弓根基底部的外下方,应力在此集中并沿椎体壁向前方传递;在椎体后上方出现明显的应力峰值,在椎体前上方应力随时间变化不明显,无明显应力峰值出现。结论所建立的完整胸腰椎三维非线性有限元模型有效,可进行动态分析;椎体后上方应力峰值的出现可能是椎体爆裂性骨折椎管内占位骨折块形成的原因。     

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.     

腰椎间孔成形幅度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

目的应用腰椎L3~5节段三维有限元模型,分析椎间盘摘除+不同幅度椎间孔成形前后对腰椎生物力学的影响。方法选取1位20岁既往无腰椎疾病史中国男性志愿者的CT数据,在Mimics15.0软件中建立L3~5节段三维有限元模型,在Geomagic12.0中修补、降噪及曲面化,在Pro/E5.0中行椎间盘的曲面建模,修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4~5椎间盘中度退变（模型M1）,在Hypermesh12.0中进行有限元网格处理,并导入ABAQUS软件进行分析。模拟经皮椎间孔脊柱内镜技术侧后入路,以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道,去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核,以模拟腰椎间盘摘除手术,构建模型M2,以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术,构建一级椎间孔成形模型M3（环锯直径5mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5mm）,给予特定加载条件,比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种工况下的生物力学特征。结果建立了有效的L3~5三维有限元模型,除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外,其他5种工况下椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加,但成形的幅度对L4椎体的位移无明显影响。M1模型在各种工况下L4~5关节突关节的应力左侧较右侧大。M2模型在腰椎前屈及右旋工况下L4~5左侧关节突关节的应力下降,右侧的应力上升;腰椎后伸下L4~5左侧关节突关节的应力上升,右侧的应力下降;腰椎左侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均上升;腰椎右侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均下降。除腰椎左旋工况下M5模型的L4~5右侧关节突关节应力增加明显外,其他各种工况下M3、M4、M5模型L4~5关节突关节应力变化不明显。结论在精确穿刺的指引下,1~3级椎间孔成形对术后即刻的腰椎稳定及关节突关节的应力分布无明显影响。     

颈前路融合手术对相邻节段影响的有限元分析

目的：通过有限元分析比较正常人体下颈椎、颈前路椎间盘切除植骨融合术（ACDF）后及颈前路椎体次全切植骨融合术（ACCF）后活动度（ROM）和相邻节段椎间盘及关节突关节的应力变化。方法建立正常人体下颈椎三维有限元模型。通过与已发表的关于颈椎ROM的文献相对比,验证该模型的有效性。模型验证成功后,建立下颈椎ACDF、ACCF模型,并对比正常颈椎、ACDF及ACCF术后ROM和相邻节段椎间盘及关节突关节的应力变化。结果所建立的下颈椎三维有限元模型在各个方向上的ROM与已发表研究所测得的ROM数值基本吻合,验证了模型的有效性。ACDF和ACCF术后总体ROM和融合节段ROM显著低于正常下颈椎。ACDF及ACCF术后相邻节段各个方向的ROM显著高于正常下颈椎。ACDF、ACCF术后相邻节段椎间盘及关节突关节应力峰值在各个运动方向上高于正常下颈椎组。结论颈椎融合术后总体ROM减少、相邻节段ROM增加,并且相邻节段椎间盘及关节突关节应力峰值升高,显著改变了颈椎的正常生理特性。