下颈椎关节突三维参数测量与关节突螺钉导向器的设计

背景：近年来,颈椎关节突关节在颈椎病的发病机制和外科治疗中逐渐被重视,但是目前关于成人下颈椎关节突关节的解剖学研究相对较少。目的：测量下颈椎关节突三维参数,为下颈椎经关节突螺钉导向器的设计提供依据。方法：选取2021年6月至2022年6月于徐州医科大学附属医院行颈椎CT检查人员100例,男50例,女50例,年龄20-50岁。经筛选每例图像均无颈椎椎管狭窄、颈椎椎间盘突出、明显的骨质增生、感染及肿瘤等病变。经过三维重建后,测量C_3-7每个节段颈椎关节突关节矢状面上的倾斜角和矢状面下颈椎经关节突螺钉与关节突关节面的夹角。根据统计分析测量结果,利用CAD软件设计出下颈椎经关节突螺钉导向器。结果与结论：矢状面颈椎关节突关节面倾斜角以C₅为中心呈U形分布,大小关系为C₇>C₆>C₃>C₄>C₅;矢状面上经关节突螺钉角度大小关系为：C_6/7>C_5/6>C_4/...     

7-12岁儿童颈椎关节突关节的数字化三维形态研究

文题释义： 颈椎关节突关节：是由下位椎骨的上关节突及上位椎骨的下关节突所形成的近似平面型的微动小关节,外面覆盖关节囊,但关节囊松弛,可以进行滑动,属滑膜关节,其关节囊位于关节的外侧,小关节作为脊柱后柱的重要组成部分,其关节直接承受着脊柱前屈、后伸、压缩、牵拉、剪切、扭转等负荷,其作为运动枢纽,对维持脊柱稳定及正常生理活动起着至关重要的作用。 背景：国内外学者研究均证实关节突关节面的不对称性和关节突关节角的不对称性均可导致关节退变、关节滑脱及相应的病变,但目前的研究均集中于成人。已证实随着年龄的增长,关节突关节的病变如小关节紊乱、绞锁等均是引起颈椎疼痛、失稳、滑脱、骨性关节炎及神经、血管受压甚至致瘫等的最常见原因之一。对于儿童关节突关节的相关研究则甚少。 目的：通过收集7-12岁儿童颈椎CT影像扫描数据,行三维重建并行颈椎关节突关节的形态测量与分析,以探索关节突关节形态发育特征及增龄变化规律,为临床儿童颈椎病的早期诊断与治疗提供理论依据。 方法：收集2013年9月至2015年9月间在内蒙古医科大学第一、二附属医院及内蒙古国际蒙医医院影像科行儿童颈椎多层螺旋CT扫描的影像资料99例,将原始以DICOM格式数据导入Mimics软件进行三维重建,并在三维模型上行形态学测量。试验于2015-03-11经内蒙古医科大学医学伦理委员会批准,批准号YKD2015049。 结果与结论：①儿童颈椎关节突关节面长总体随年龄的增长呈递增趋势,随椎序的增长呈递减趋势;②关节突关节面宽中上关节突关节面宽呈V型,下关节突关节面宽随椎序递增呈增大趋势;③关节突关节结间距总体呈“尖峰”状;④关节突关节冠状位角整体呈“V”型;⑤关节突关节矢状位角呈倒“V”趋势;⑥提示7-12岁儿童颈椎节段关节突关节的形态学特征不存在关节突的不对称性。 ORCID: 0000-0003-0209-0102(刘路) 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     

成年猕猴C0-T1全颈椎有限元模型的建立及有效性验证

背景:猕猴与人类均属灵长类,其颈椎结构和生理功能及生存条件与人类十分相似,但目前对于猕猴全颈椎有限元分析的研究甚少.目的:建立成年猕猴C0-T1颈椎有限元模型及相关运动效能与人类颈椎的有限元模型之间进行对比研究,以发现其差异性.方法:选择7岁龄成年雄性猕猴1只,于2019年12月在内蒙古医科大学附属医院影像科行多层螺旋...     

切除不同范围钩突后颈椎关节突的有限元对比分析

背景：钩突增生常导致颈椎病发生,无需内固定的钩椎关节切除术具有重要意义,但尚存诸多问题。目的：建立全颈椎(C₀-T₁)三维有限元模型,切除钩突不同范围后,探究颈椎关节突的应力变化特点和规律,为临床颈椎病的手术治疗提供理论依据。方法：对40岁男性正常成人志愿者进行全颈椎螺旋CT轴位薄层扫描来获得原始数据,应用Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、Abaqus等软件技术建立C₀-T₁全颈椎三维有限元模型,在C₅椎体上构建单侧钩突切除50%、100%和双侧钩突切除100%的3种模型组,然后加载相同力矩赋予前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种工况,以观测切除不同范围钩突后颈椎关节突关节在不同状态下的应力与位移变化。结果与结论：(1)通过构建全颈椎正常与切除钩突不同范围后的有限元模型,加载相同力矩后发现颈椎关节突的受力集中区由正常组的C₆处上移至切除不同范围钩突组的C₅处,得出关节突的受力随椎序增加呈现递增趋势;(2)...     

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°、...     

关节突关节切除范围对下颈椎稳定性影响的生物力学研究

研究保留椎旁肌肉情况下,下颈椎单侧关节突关节分级切除对颈椎稳定性的影响,为临床手术提供理论依据.取5具新鲜山羊颈椎标本,先后分5组进行操作,即完整标本组,左侧C4-5关节突关节25%、50%、75%、100%切除组.先后测量每组每个颈椎标本在三维空间六个方位(前屈、后伸、左右侧屈、左右轴向旋转)随载荷增加而变化的活动度.最后将所得数据进行统计分析.结果表明:随关节突关节切除范围的增大,在相同载荷条件下的位移也增大,其中增长幅度最大发生在50%～75%切除组之间,增长幅度平均在46.7%(前驱、后伸、左右侧弯四个方向)和71.5%(左右轴向旋转).在保留椎旁肌肉情况下,单侧关节突关节切除范围大于50%时,颈脊柱稳定性丧失.     

体位对颈椎旋转手法整复神经根型颈椎病关节突关节骨错缝的有限元分析

背景：颈椎旋转手法的操作体位主要包括前屈位、中立位、后伸位和旋转方向,关于选用哪种体位实施颈椎旋转手法更有利于整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病,目前尚不清晰。目的：比较不同体位实施颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病的生物力学差异。方法：建立并验证C₅-C₆正常三维有限元模型,分别模拟前屈、中立、后伸体位往右侧旋转实施颈椎旋转手法,比较不同体位实施颈椎旋转手法时C₅双侧下关节突的前后方向和上下方向位移分布。选取整复侧C₅下关节突的相同结点作为位移值参考点,比较不同体位实施颈椎旋转手法时整复侧C₅下关节突的前后方向和上下方向位移值。结果与结论：(1)在前屈、中立和后伸3种体位实施颈椎旋转手法,旋转侧C₅下关节突均向后下滑动,旋转对侧C₅下关节突均向前上滑动,所以C₅下关节突的滑动趋势与旋转方向有明显相关性,而与前屈、中立和后伸体位没有明显相关性;(2)在前屈、中立、后伸体位实施颈椎旋转手法,旋转...     

大鼠颈椎关节突关节神经的来源—HRP逆行追踪法

目的：研究交感神经与支配颈椎关节突关节的初级感觉神经元分支的关系,探讨椎孔外颈神经受压产生颈肩痛和头面部症状的机制。方法：选用8只Wistar大白鼠,右侧为实验侧,左侧对照,用微量注射器在右侧C5／C6颈椎关节突关节囊上注射30％HRP5μl作为对照。动物存活48小时后经升主动脉灌流杀死,切取双侧C1－T1颈部脊神经节（Dorsal root ganglion,DRG)、双侧颈交感神经节和双侧三叉神经节,冰冻切片后利用TMB法进行显色反应,观察切片内HRP标记细胞的情况,并应用图像分析系统对实验侧DRG和交感神经节内标记细胞进行分类和计数。结果：颈中、下交感神经节和C5－C7DRG内发现HRP标记细胞,标记细胞以中型和小型细胞为主,其中颈中神经节和C6DRG标记细胞的平均面积和及平均光密度较高（P＜0．01）,而对照侧和双侧三叉神经未节发现标记细胞。结论：颈椎关节主要受相邻三条颈神经的感觉支和颈交感神经分支支配,可能与椎孔外颈神经卡压产生颈肩痛及头面部症状有关。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

青少年正常腰椎与腰椎间盘突出症关节突关节有限元分析

目的 探讨13～18岁正常与青少年腰椎间盘突出症(ALDH)关节突关节不对称对腰椎生物力学的影响。方法 联合应用软件MIMICS 21.0、3-Matic Medical 13.0、Geomagic Wrap 2017、HYPERMES 2019和有限元软件ABAQUS 2021建立下腰椎正常与ALDH三维有限元模型,根据关节突关节左右之差,选择13～18岁正常青少年和ALDH患者资料各3例,共计6例,分析比较施加不同力矩载荷下(中立位、侧屈和旋转工况)椎间盘应力大小。结果 1.建立6例男性正常与ALDH患者的L₃～L₅节段三维有限元模型,获得中立位、前屈、后伸、侧屈和旋转工况正常与ALDH应力、位移云图;2.正常青少年关节突关节角左右对称在中立位时,L_4～5纤维环后侧应力增大;3.不同工况下,椎间盘应力纤维环均大于髓核,纤维环应力前屈>中立位>后伸;4. ALDH患者下腰椎关节突关节左侧大于右侧10°模型,后伸工况L_4～5节段纤维环后侧应力明显增大。侧屈工况下,左侧屈纤维环左侧应力与右...     

上颈椎三维六面体网格有限元模型的建立及有效性验证

目的 改善目前国内上颈椎有限元模型质量,建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性六面体网格有限元模型并验证其有效性,以期应用于临床相关生物力学研究.方法 对一名健康成年男性志愿者,采用16排螺旋CT机进行0.5 mm薄层扫描,获得枕骨底C0到C3的体层图像数据并以Dicom格式保存.将数据导入Mimics 10.01软件,进行上颈椎三维几何模型重建,利用ICEM软件对C0～ C3三维重建模型进行六面体网格划分,关节软骨面间隙为0.5 mm,终板厚0.2 mm,关节软骨面定义为滑动接触,摩擦系数设为0.1.再运用Hypermesh V10.0调整网格质量,加载韧带,初步建立上颈椎(C0～ C3)三维六面体单元有限元模型.随后进行材料赋值、边界约束,模拟模型产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将数据导入有限元软件ABAQUS 6.11进行各椎体三维运动的计算分析.最后将模型的三维活动度(ROM)及各工况下的应力云图与体外实验及其他模型文献数据进行有效性对比验证.结果 建立了具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性六面体有限元模型,整个模型共30 550个节点和41 909个单元,模型运动范围及应力分布与文献数据相符合.结论 建立的上颈椎有限元模型具有较高的真实性,可应用于临床相关生物力学研究.     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则（解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证）及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型，并指出其未来发展的一些新动向。     

部分钩突切除对颈椎稳定性影响的有限元分析

目的建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型,研究钩突切除前后对颈椎稳定性的影响。方法根据健康志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics13.1和Solid Works2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS15.0软件,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型。在建立的模型上加载,模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,获取位移、应力等数值云图,并进行分析验证。在C5节段左侧钩突上分别切除钩突高度的25%、50%和60%,获得不同范围钩突切除时的左侧弯状态下颈椎各部位的位移、应力等数值云图,分析不同范围钩突切除对颈椎稳定性的影响。结果本研究建立了三个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,研究了不同范围钩突切除后,颈椎稳定性受到的影响。钩突切除高度的25%后的左侧弯状态与未切除时对比分析,位移云图变化不大,最大等效应力减小。钩突切除高度的50%、60%后的左侧弯状态下的位移继续增大,最大等效应力逐渐减小。结论切除钩突高度的25%时对颈椎稳定性影响不大,随着切除钩突范围的增加,颈椎的稳定性逐渐降低。     

全腰椎三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立全腰椎及骶椎的有限元模型,为分析L4～5之间纤维环易破裂的病理提供可靠的模型。方法利用健康成人椎骨的CT影像,采用Mimics医学图像处理软件和Geomagic逆向工程软件建立L1～S1椎骨和椎间盘三维模型,再导入有限元软件Hypermesh中划分网格,并附加腰椎相关韧带,赋予材料属性,建立边界条件,构建腰椎加骶椎有限元模型;模拟腰椎受轴向压力、前弯、侧弯和后伸4种载荷下的生物力学反应。结果模型在受到10 N.m载荷作用分别发生前屈、侧弯和后伸运动下的整体刚度分别为0.61、0.7和0.75 N.m/(°),与实验结果较为吻合;轴向施加力和弯矩时L4～5之间的纤维环应变较大;纤维环在各种载荷下均出现较明显的应力集中。结论 L4～5之间纤维环局部应力集中和应变较大是导致其易破裂的原因之一;所建立的L1～S1椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特性,可用于脊柱生物力学的进一步研究。     

颈椎关节突关节矢状位角的不对称性和关节突关节退变关系的影像学研究

目的 探讨颈椎关节突关节矢状位角的不对称性和关节突关节退变的关系。 方法 利用4度评估法,3位测评者对20具新鲜尸体颈椎标本的轴向位CT图像上C3/4 ~ C6/7节段共160个关节突关节矢状位角和退变程度进行单盲随机测评,并统计分析。 结果 20具颈椎标本在不同节段间的关节突关节矢状位不对称角度无显著性差异（F＝0.55,P＝0.65）,关节突关节退变程度也无显著性差异（左侧：Z＝3,P＝0.646;右侧：Z＝3,P＝0.376）,但C3/4和C4/5的关节突关节矢状位角的不对称程度与同节段关节突关节退变的程度之间有显著的差异性（C3/4：Z＝8.567,P＝0.014;C4/5：Z＝2.000,P＝0.025）。 结论 关节突关节矢状位角的不对称性可能和关节突关节的退变有关。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型,并指出其未来发展的一些新动向。     

3岁儿童C4-C5颈椎有限元模型开发及拉伸、弯曲验证

基于CT扫描,建立具有精确骨骼几何及详细椎间盘解剖学结构的3岁儿童C4-C5颈椎段有限元模型;参考成人颈部生物材料实验数据及相关成人与对比研究结果,采用缩放方法计算得到3岁儿童颈部组织材料参数;分别在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲及轴向旋转载荷条件下,对模型进行验证。结果显示,准静态拉伸刚度为211.8 N/mm,动态拉伸最终失效力为759.9 N,最终失效位移为5.08 mm,均与实验值吻合良好;准静态伸展、弯曲、侧向弯曲及轴向旋转运动范围分别为9.75°、9.29°、3.79°和7.04°,均在实验基准数据允许的误差范围内,吻合良好。结论表明:该模型能较好地反映3岁儿童C4-C5颈椎段在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲和轴向旋转载荷下的生物力学特性,具有较高的生物逼真度。     

有限元分析优化设计人工颈椎复合关节系统球窝关节

目的对人工颈椎复合关节系统球窝关节进行优化设计。方法建立人工颈椎复合关节系统的三维模型,并采用有限元方法对其进行网格划分;设置球窝零件球柄高度的尺寸的变化范围,模拟假体系统在体负载情况;对模型进行优化设计分析,对不同尺寸特征的复合关节系统进行应力、应变分析,并评价系统安全系数。结果系统最大Vonmises应力出现在该装置前屈位球柄和基底部相接处,并随球柄高值增大,最小安全系数呈近似抛物线变化。结论综合考虑系统的稳定性和活动度需要,认为当球柄高为6.0mm时,球窝关节结构最优。     

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。     

腰椎关节突关节和椎间盘内应力测量方法的研究

目的：探寻动态载荷下对腰椎关节突关节和椎间盘内应力进行直接测量的方法及其可行性,为进一步研究各种运动状态下关节内应力变化规律提供实验基础。方法：采用自行研制的微型压电晶体传感器,以长腰椎节段作为研究对象,对在六种工况下的讯号进行采集、转换和分析。分析和检验输出讯号和仪器的特性。结果：实验中我们得到是一种复杂的非周期性瞬态讯号。整个实验装置具有拾取动态讯号、灵敏度高、响应频率大、稳定性高和重复性好的特性。结论：本方法是一种新的可行的生物力学研究方法,更直接更实际地反映关节内的应力变化。