基于CAD技术的个体化退变腰椎有限元模型库的建立

目的根据退变腰椎的形态特征,采用计算机辅助设计（computer aided design,CAD）方法精确建立不同形态改变的退变腰椎L4-L5运动节段三维有限元模型。方法采用改良的“非种子区域分割”以及非平行“最佳切割平面”等一系列新型CAD方法精确建立包括终板凹陷角、椎间盘高度、腰椎小关节角及椎间盘前凸角改变的L4-L5节段表面模型基本“结构模块”,表面模型数据导入ANSYS获得各“结构模块”有限元模型后,通过界面间的拼接粘贴构建不同形态改变的退变腰椎有限元模型并进行充分加载验证。结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,正常和退变腰椎有限元模型预测结果与体外实验生物力学研究结果相符合。结论基于CT数据的新型CAD方法实现了个体化退变腰椎有限元模型库的建立。     

腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。 目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。 方法：健康男性志愿者,39岁,身高175 cm,体质量65 kg,采用16排螺旋CT机对L₃-L₅节段进行扫描,得到1.25 mm层厚的 CT图片共101张,Geomagic9.0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。 结果与结论：建立了正常人L₃-L₅三维有限元模型,整个模型共有213 736个节点和799 779个单元。该模型L₃-L₄,L₄-L₅节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

利用CT扫描及CAD技术建立腰椎活动节段的有限元模型

目的 :探讨腰椎活动节段有限元模型的建立。方法 :选取一正常自愿者L4～L5节段为研究对象 ,通过CT扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计建立了腰椎活动节段的有限元模型 ,通过Super SAP有限元分析软件包对模型进行了应力分析。结果 :建立了L4～L5活动节段的有限元模型 ,并分析了生理载荷下腰椎活动节段不同组成部分的应力分布。结论 :为腰椎活动节段有限元模型的建立提供了一种简便、准确的方法 ,为分析和研究该模型在各种情况下的生物力学表现创造了条件     

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。     

不同腰椎融合器对邻近节段影响的生物力学研究

本研究模拟了适用于3种腰椎融合术的融合器植入腰椎L3、L4节段的情况,对单独植入不同融合器时,对邻近节段的生物力学影响进行分析.建立并验证了一例基于CT断层扫描的腰椎L2至L5的有限元模型.椎间盘切除术、部分椎板切除或小关节切除和融合器植入等处理也通过有限元模型进行模拟,在L2腰椎上表面施加400 N的预载荷和±7.5 N·m的纯弯矩,比较和分析无损模型和不同融合器单独植入后,腰椎邻近节段在4种动作下(前屈、后伸、侧弯和轴向扭转)运动范围和邻近节段椎间盘内最大主应力变化.结果表明,单独植入时,前路融合器能提供更好的邻近节段稳定性,但与经椎间孔的融合器相比差别较小,后路融合器会显著增大邻近节段活动范围和邻近椎间盘内应力.     

基于CT数据构建人体腰骶椎的有限元模型

背景：目前有限元模型的方法主要是基于医学图像的建模方法,可直接反映人体腰椎真实的几何形态。 目的：以CT影像数据为基础,利用图像处理软件建立L1~S5节段的腰骶椎三维有限元模型。 方法：选取1名男性健康志愿者,采用各向同性分辨率 0.625 mm 薄层CT扫描数据,以Dicom 格式导入 Mimics 10.0软件,三维化处理后获得腰骶段三维几何面网格模型,通过Geomagic studio 12.0软件曲面化、HyperMesh 10.0软件网格划分,最终导入Abaqus10.1软件生成腰骶椎三维有限元模型。 结果与结论：建立了精确的人体腰骶椎三维有限元模型并验证有效。应用精细的影像学数据,通过软件进行图像处理,快捷有效完成了脊柱模型的构建。此完整的多节段模型可方便考察临床疾病和外科固定对脊柱整体的影响,弥补了目前单个运动节段模型的缺陷。     

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。     

椎板不同切除范围对腰椎生物力学影响的有限元分析

建立全腰椎有限元模型,模拟三种后路手术方式,分析不同椎板切除范围对腰椎生物力学的影响。综合利用三维重建自编软件和Hyper Mesh软件,建立腰椎(L1-L5)有限元模型并与前人所作体外实验数据比较,验证本模型的有效性。在此基础上模拟全椎板切除、半椎板切除及椎板开窗减压术,比较减压节段的运动范围及相应椎间盘的应力改变。L3-4、L4-5节段后部结构切除后,腰椎运动范围与椎板切除大小成正比,纤维环应力最大变化发生在前屈、后伸和左右旋转运动时,而在侧屈运动时无明显的变化。腰椎运动范围的增加与腰椎后部结构的切除程度有关。在彻底减压的同时,最大程度的保留腰椎后部结构,可以减小术后椎间盘应力,减轻关节突等结构的进一步退变。     

腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证

背景:传统的脊柱生物力学体外实验难以取得椎间盘液体相关的力学性能数据,国外可见多孔弹性有限元模型用于腰椎的固液二相性的研究,然而国内罕见相关报道。目的:利用ANSYS12.1有限元分析软件,建立腰椎运动节段流固耦合有限元模型,旨在推动有限元分析技术在脊柱生物力学方面的广泛应用。方法:对1名健康男性志愿者进行L4～5运动节段的螺旋CT扫描成像,利用医学图像处理软件Mimics10.01对其进行预处理,再利用逆向工程软件Geomagic9.0对模型进行NURBS曲面重构,然后导入有限元软件ANSYS12.1重建椎体皮质骨、松质骨、纤维环和髓核等结构,最后通过划分网格、定义材料属性、定义接触、加载求解等操作建立了腰椎运动节段流固耦合三维有限元模型,并将椎间盘高度随时间变化的数据与文献数据进行比较,以验证模型的有效性。结果与结论:建立了L4～5运动节段的流固耦合有限元模型,模型的总节点数210718个,总单元数85973个。将本模型所测得的椎间盘高度数据与文献数据进行比较,结果基本一致。腰椎流固耦合有限元模型更加符合人体的生物力学特点。     

基于CT影像的骨质疏松性胸腰椎压缩骨折PKP术后三维有限元力学模型的建立与验证

目的:建立胸腰椎（T11-L2节段）的三维有限元模型,并验证其生物力学分析有效性。方法:筛选1名T12椎体骨质疏松性压缩骨折的志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行连续性扫描,扫描区域为脊柱胸腰段T11-L2节段。将CT数据读盘为DICOM格式,导入Mimics 19.0软件进行原始模型的提取与转化;Geomagic Warp 2017软件进行特征去除、光顺、曲面实体拟合;Solidworks 2017软件进行零件结构的组装与附属结构生成;Ansys Workbench 17.0软件添加材料属性、边界条件、坐标及载荷设定及生物力学分析。结果:成功建立了T12椎体压缩骨折T11-L2节段的经皮椎体后凸成形术（PKP）术后三维有限元模型,并测得其前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转时的角位移分别为8.3°、3.8°、7.8°、7.6°、3.7°、4.0°,与以往力学实验验证结果位移趋势一致。结论:基于有限元建模软件能成功建立骨质疏松性椎体压缩骨折PKP术后有限元数字模型,有效性验证合格,所建模型可靠,具备生物力学测试性能。     

Influence of anteroposterior shifting of trunk mass centroid on vibrational configuration of human spine

This study attempts to determine the influence of anteroposterior (A-P) shifting of trunk mass from the upright sedentary posture on dynamic characteristics of the human lumbar spine. A three-dimensional finite element (FE) model comprising of the T12-Pelvis spine unit was used to mimic the human spine system. It is not clear how the A-P shifting of the upper part of human upper body affect on vibrational modality of the human lumbar spine under whole body vibration. Five trunk mass point locations were assumed by 2.0cm anterior, 1.0cm anterior, 1.0cm posterior and 2.0cm posterior to the upright sedentary posture including no shifting posture. FE modal analysis was used to extract the resonant frequencies and vibration modes of the human spine. The analytical results indicate that trunk mass centroid shifting onwards or rearwards may result in a reduction of vertical resonant frequency of the human spine. The human spine has the highest vertical resonant frequency at the normal upright sedentary posture with the trunk mass locating around 1.0cm anterior to the L3-L4 vertebral centroid. Larger A-P deformations and rotational deformations were also found at the spine motion segments L3-L4 and L4-L5, which imply higher compressive stress and shear stress at the disc annulus of those spinal motion segments. The findings in this study may explain why long-term whole body vibration might induce the degeneration of human spine at the relevant spinal motion segments.     

有限元分析不同牵伸时长相邻腰椎节段和椎间盘应力及位移的变化

文题释义：脊柱手法床：该手法床是模拟南少林骨伤科整脊手法,将传统医学通督脉理论与现代牵伸理论相结合的一种机械设备。具体操作是借助智能调控高压缓冲气室对气柱速率和频率的调节及气阀门控制系统对气体的充放,可以模拟㨰动、弹拨、牵伸等多种手法,有利于促进手法的规范化、自动化发展。 腰椎三维有限元分析：腰椎三维有限元模型的建立是通过CT、MRI 等途径获取腰椎的影像学资料,使用MIMICS、GEOMAGIC STUDIO 以及HYPERMESH等相关的软件对图像进行处理并建立三维有限元模型。随着科学技术的不断发展,腰椎有限元模型的建立在一定程度上完善了腰椎间盘、椎体间小关节、连接韧带、关节囊等软组织以及周围肌肉等结构的模型建立。 背景：与传统牵伸手法对比,利用脊柱手法床气柱叠加结构进行牵伸可以很好地掌控牵引时间,通过有限元分析能详细计算出相邻腰椎节段的应力,为临床脊柱手法床的腰椎牵引提供更好的牵引处方理论依据。 目的：利用脊柱手法床模拟倒盖金被手法进行牵伸,并通过有限元分析不同牵伸时长对相邻腰椎节段应力大小及分布的影响。 方法：选择健康男性志愿者1例,年龄26岁、身高174 cm、体质量60 kg,受试者对试验方案理解并签署知情同意书,研究获得福建中医药大学附属康复医院伦理委员会的批准(批准号：2016XJS-001-01)。依据志愿者T₁₂-S₁的CT图像,建立正常人体腰椎的有效三维有限元模型,通过三维有限元分析利用脊柱手法床顶推L₃棘突时,L₃在手法的牵引下分别维持至10,20,30 s时,上下相邻的腰椎间盘、椎小关节的应力变化情况,并且分析该变化的内在规律及作用机制。 结果与结论：①顶推高度为5 cm,作用时长介于1.25-17 s时,相邻腰椎节段的应力值是持续增大的,椎间盘：L₂-L₃为4.60-5.68 MPa,L₃-L₄为5.26-6.61 MPa;椎小关节：L₂-L₃为7.01-8.67 MPa,L₃-L₄为5.22-6.50 MPa;②在顶推作用时长超过24 s以后,相邻椎间盘、椎小关节应力基本保持不变;③因此脊柱手法床作用于腰椎时对相邻腰椎节段不会造成损伤;使用脊柱手法床的作用时长应在25-30 s之间。 ORCID: 0000-0002-4468-1464(李民) 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     

Evaluation of load transfer characteristics of a dynamic stabilization device on disc loading under compression

In the current study, finite element analyses were conducted to examine the biomechanical capability of a newly design dynamic stabilization system, FlexPLUS, to restore the load transmission of degenerated intervertebral L4-L5 lumbar motion segment spine under compression. Detailed three-dimensional FE models of L4-L5 motion segment and the FlexPLUS were developed. Compressive loading up to 1000 N was applied to the intact L4-L5 model, the L4-L5 models with slight and moderate degenerated disc, and the implanted L4-L5 model. Further more, the load transmission characteristics of Dynesys and a rigid rod was also simulated for comparison. The resultant load–displacement curves and the load transferred through annulus under various conditions were compared. The predicted axial displacement of L4 top surface against applied compressive force of the intact L4-L5 model agreed well with experimental data. The predicted results showed that degenerated disc has significant effect on the lumbar segment load bearing capacity. Not only the stiffness of the segment was greatly increased, the uniform nature of the disc stress distribution was also altered. The FlexPLUS can effectively reduce the disc loading of degenerated model. Although the non-uniform load distribution pattern through annulus was not improved, the overall stress magnitude was greatly reduced to the level of intact model for grade II degeneration.     

人体腰椎有限元建模及其生物动力学研究

我们建立了一个详细的腰椎L3-L5段的三维非线性有限元模型,以研究振动环境对人体脊椎组织的影响。研究表明,在振动过程中,脊柱不同部位的振动程度不尽相同,L4-L5段椎间盘后部附近的应力要大于其前部的应力水平。振动对L4-L5段小关节的影响比该运动段的其它部位的影响要大得多。在系数为0.08的阻尼情况下,脊柱的应力与变形的变化幅度将降低50%左右。     

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     

腰椎侧位骨密度值与前后位值之间的相关关系评价

目的　探讨腰椎前后位、侧位骨密度值之间的相关性 .方法　对 73例绝经后女性腰椎前后位、侧位骨密度值 ,作相关性分析 .结果　总前后位 3椎体骨密度均值与总侧位小框 3椎体均值、总侧位大框 3椎体均值均呈正相关 .结论　腰椎侧位和前后位骨密度值评价骨密度各有特点 ,两种体位相结合对做出正确诊断是必要 .     

颈椎椎体次全切除，钛网植骨钢板固定三维有限元模型的建立

目的 探讨利用螺旋 CT建立颈椎椎体次全切除减压植骨固定的三维有限元模型的高度数字化方法,为研究颈椎减压手术的生物力学实验提供标准模型。方法 对健康成年男性志愿者进行CT 扫描,获得C4～C7节段的断层图片,将数据保存为Dicom格式,导入Mimics 9.1 软件进行三维几何模型重建,形成三维图像,利用Freeform 软件进行模型修改和表面划分,以IGES格式转入有限元软件Ansys 9.0完成颈椎骨性模型的建立。利用有限元软件Ansys 9.0,在颈椎骨性模型的基础上,补建终板、补充建立终板、 椎间盘、 髓核、 前纵韧带、 后纵韧带、 黄韧带、 棘间韧带、 棘上韧带等结构。然后模拟颈椎椎体次全切除,将C5椎体、前纵韧带、上下椎间盘切除,将建立的钛网、钢板实体模型添加到减压区。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行有限元网格划分。结果 颈椎脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics 和有限元软件Ansys 9.0 , 成功进行椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定三维模型有限元网格划分。整个模型共有138995个节点和94039个单元,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。结论 建立的椎体次全切除植骨固定手术三维有限元模型接近真实的生物力学标本,可以进行临床和实验研究。     

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1~5节段有限元模型,对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态,获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中;各阶模态最大振幅急剧变化,L5节段腰椎附近的振幅较大,是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数,对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。