不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析

背景:肘按法是推拿治疗腰椎间盘突出症的常用手法,在使用肘按法时,不同的角度对腰椎的作用不同,且手法操作不当可能会加重病情,目前相关研究有待进一步完善。目的:基于有限元分析方法,观察不同角度肘按法对腰椎L4-L5椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向,探讨肘按法最安全及适宜角度,为临床提供参考。方法:取1名25岁健康男性志愿者的CT图像,利用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Hypermesh、ABAQUS软件建立正常腰椎有限元模型,并改变髓核和纤维环的弹性模量、泊松比建立向左后突出的腰椎间盘有限元模型。以突出物的体表投影为按压点,按压力度为400N,从左往右每隔15°模拟按压1次至165°。分析不同角度肘按法对正常及腰椎间盘突出腰椎有限元模型椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向。该研究方案的实施符合湖南中医药大学第一附属医院的相关伦理要求,受试者对测试过程及用途完全知情同意。结果与结论:(1)与正常腰椎模型相比,腰椎间盘突出模型后部结构中小关节、椎弓根、模拟按压部位等处应力集中范围较大,且L4右侧椎板下部及L5椎体下部后面与侧面等多处出现应力集中...     

轴向振动时节段曲度对腰椎间盘应力演化的影响

研究人体腰椎运动节段承受长期轴向振动载荷时节段曲度对腰椎间盘应力演化的影响。基于人体腰椎L4～5节段CT扫描数据,建立人体腰椎L4～5节段的有限元模型。对腰椎间盘赋予多孔材料属性,并验证有限元模型的有效性。基于有限元模型,模拟L4～5节段以3种不同节段曲度(中立位、伸展2°、弯曲2°)承受时长为1 000 s的轴向振动的过程,得到这3种节段曲度下腰椎间盘的应力演化情况。各个曲度下腰椎间盘纤维环部分的峰值轴向应力均出现在其后外侧。在受载过程中,各个曲度下纤维环峰值轴向应力均呈非线性增大,且增速不断减小,至1 000 s时已趋于稳定。1 000 s时,伸展2°下纤维环峰值轴向应力比中立位下大39%,比弯曲2°下大109%。在受载过程中,各个曲度下髓核轴向应力亦呈非线性增长,增速不断减小。1 000 s时,伸展2°下髓核的轴向应力略小于其他两种情形。当L4～5节段以伸展2°的状态受载时,腰椎间盘受到的损伤最为严重;而当其以弯曲2°的状态受载时,腰椎间盘受到的损伤最小。当长时间处于全身振动条件下时,应尽量避免使腰椎处于向后伸展的姿态,而腰椎的小幅前屈可以保护腰椎间盘。     

坐位旋转手法对腰椎内在应力的实时监测

目的：研究坐位旋转手法时对腰椎内在应力分布的特点。方法：使用L4-5腰椎CT片，以Mimics软件系统逐层重建，建立L4-5三维有限元模型。根据手法原理，将坐位腰椎旋转手法进行分解，把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时腰椎间盘的位移和内在应力的变化。结果：正常腰椎在旋转手法作用时应力主要集中在椎体、终板和椎间盘处。退变腰椎在手法作用时应力主要集中在L4小关节的下关节突和椎弓，且应力分布集中。结论：(1)坐位腰椎旋转手法时，对于正常腰椎应力主要作用于椎体、终板和椎间盘等前部结构。(2)对于退变腰椎，应力主要作用于后部结构，并且所受应力分布集中，易损伤小关节、椎弓。     

有限元法分析举重运动员预备提铃动作过程中腰椎节段的受力变化

背景:多年来,国内外学者对腰椎的生物力学特性进行了大量的研究,但是由于腰椎生理结构的复杂性以及研究手段的局限性,很多问题有待于进一步探索,特别是对举重运动员腰部损伤的防治是目前亟待解决的问题。目的:建立人体完整腰段脊柱三维有限元模型,分析举重运动员预备提铃动作时腰椎节段的受力特点。方法:引入"组装搭配式"思想,利用Dicom数据,建立人体脊柱腰椎节段(L1~5)完整的、真实的三维有限元模型。并模拟举重运动员预备提铃动作时,各椎体及椎间盘所受应力情况。结果与结论:举重运动员预备提铃动作时,各椎体应力分布在椎体前下方,此处应力水平明显高于其他部位,椎体后部结构中椎弓根处出现应力集中现象,应力也处于较高水平。椎间盘应力分布在纤维环的中部和前部,但是前部更为明显。此时,不同椎体、腰椎间盘所承受的应力不同,其应力表现为自上向下呈逐渐增大趋势。各椎体的应力值大于其下方椎间盘的应力值,各椎体应力值是其下方椎间盘的四五倍。证实实验所建腰椎节段三维有限元模型可以用于模拟脊柱腰椎节段的生物力学特性研究。     

腰椎间盘退变对软骨终板生物力学特性影响的有限元分析

目的　研究腰椎终板不同位点的压应力分布规律,分析腰椎间盘退变对软骨终板压应力的影响。 方法　选取一青壮年男性新鲜尸体的腰椎运动节段标本,螺旋CT机对腰椎运动节段进行连续CT扫描,利用有限元分析方法,建立L4/5运动节段有限元分析模型,在此基础上建立椎间盘退变模型。模拟椎间盘正常状态和椎间盘退变状态,在L4、L5椎体终板上选择具有代表性的结点,分别代表椎体终板正中部、左右侧边缘、后中部和前中部,对上下软骨终板压应力分布进行有限元分析。 结果　椎间盘退变组较正常组的终板压应力均显著增大,上下终板在轴向加载、前屈、后伸、左旋和右旋加载时椎间盘退变组较正常状态时应力分布均显著增大,具有统计学意义（P<0.05）。 结论　腰椎椎间盘退变因素对终板的应力分布有明显影响, 随着椎间盘退变,椎间盘软骨终板应力显著增大。     

不同位置植入SMH人工腰椎间盘对小关节应力分布的影响

目的:通过三维有限元方法研究正常椎间盘、SMH人工腰椎间盘前置、中置和后置四组模型中小关节的应力分布情况,探讨不同位置植入SMH人工腰椎间盘对小关节应力分布的影响。方法:建立正常腰椎间盘、人工SMH腰椎间盘前置、中置和后置的三维模型,然后模拟腰椎节段的运动,进行小关节应力分布的比较研究。结果:与正常L4/5椎间盘模型相比,除SMH人工腰椎间盘前置模型前屈时比正常模型小关节应力小外,其余运动时SMH人工腰椎间盘前置、中置和后置模型中小关节的应力均高于正常腰椎间盘组,但后置SMH人工腰椎间盘组则相对较小。结论:SMH人工腰椎间盘后置可以更好地预防小关节的退变;人工椎间盘植入位置的不同对人工腰椎间盘术远期疗效的预测具一定的作用。     

腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法

目的建立腰椎间盘突出症力学特征的数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法。方法利用健康成人L4～5腰椎运动节段CT影像,采用Mimics 10.01医学图像处理软件和Geomagic10.0逆向工程软件分别建立L4～5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立腰椎L4～5运动节段有限元模型,构建正常模型和腰椎间盘突出模型;运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸5种载荷下的生物力学特征参数。结果椎间盘突出后,椎间盘的应力分布及传递载荷的能力改变,应力集中于纤维环后外侧;在相同的载荷情况下,突出的椎间盘的最大形变量比正常椎间盘的大;椎间盘突出模型的小关节突接触力比正常模型的小关节突接触力大。结论椎间盘突出后,椎间盘的承载功能下降,关节突的应力水平升高,小关节的负荷增加,从而导致腰椎稳度下降。     

腰椎斜扳手法时椎间盘的有限元分析

背景：利用计算机技术和有限元法分析法研究中医传统的脊柱推拿手法,来解释手法的作用机制、适应证和禁忌证,可为临床上常用的腰椎斜扳手法提供了客观的、科学的理论依据。 目的：应用有限元法了解进行斜扳手法时腰椎间盘的内在应力及位移分布的特点。 方法：使用正常腰椎CT片,以Mimics软件系统逐层重建,建立L4~5三维有限元模型。根据手法原理,将腰椎斜扳手法进行分解,把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时腰椎间盘的位移和内在应力的变化。 结果与结论：椎间盘的应力远小于后部结构;从椎间盘中心到右侧有一个向后的扭转矢量,使椎间盘产生变形。结果证明腰椎斜扳手法对椎间盘是安全的,并且在椎间盘突出的对侧进行手法操作更为合理;腰椎椎管狭窄的患者不宜使用腰椎斜扳手法。     

不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析

目的比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系,分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段(L4~5)三维有限元模型,模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下,分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化,并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果在不同运动状态下,人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布,一定程度地增大椎管内的空间,使神经根所受的应力减小,椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位;椎间盘内部应力前屈位大于后伸位;且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时,与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比,从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程,能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据,也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。     

提拉旋转斜扳法操作时腰椎椎间盘应力及应变的有限元研究

目的　通过有限元分析方法,观察提拉旋转斜扳法操作时椎间盘应力及应变发生的变化规律,探寻手法治疗腰椎疾患的科学性和安全性。 方法　在构建的L4~5节段腰椎模型上模拟加载提拉旋转斜扳手法,观察手法作用过程中椎间盘应力的分布及变化,髓核及纤维环的位移及应变。 结果　椎间盘应力变化从右后方开始出现,以弧形向周围传递扩散,应力的变化呈递减分布。椎间盘应变最小的位置在髓核偏后,以此为中心呈圆弧状向周围递增。应变最大的位置主要发生于纤维环,特别是椎间盘右侧外缘。 结论　手法操作中应力主要集中于后侧关节突关节,椎间盘的应力变化相对较小,提示手法治疗是安全的。纤维环后外侧在操作中有较明显的应变,局部的位移变化可能是手法疗效的机制之一。     

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     

骨保护素基因敲除小鼠腰椎间盘退变与腰椎骨质疏松

背景：骨保护素基因敲除小鼠已被证明会表现出明显的骨质疏松及骨关节炎表型。 目的：观察骨保护素基因敲除小鼠随年龄增长腰椎间盘退变和骨质疏松的动态变化关系。 方法：分别取出生后4,8,12周的骨保护素基因敲除纯合子小鼠及正常对照组小鼠的L3椎体和L4/5椎间盘,运用Micro-CT检测L3椎体松质骨微结构指标;用苏木精-伊红染色法观察L4/5椎间盘形态学,测量椎间盘及软骨终板高度。 结果与结论：骨保护素基因敲除纯合子小鼠组L3椎体骨小梁数量、骨小梁厚度、骨体积分数较正常组均明显下降(P < 0.05),而骨小梁分离度、结构模型指数较正常小鼠增高(P < 0.05)。8周及12周的骨保护素基因敲除纯合子小鼠的L4/5椎间盘软骨终板出现退变征象,软骨终板排列不规则,并有骨髓腔组织进入软骨终板及外层纤维环。提示骨保护素基因在维持椎间盘正常的结构和功能方面起到重要作用,骨保护素基因缺失后可导致椎间盘退变和椎体骨质疏松。     

腰椎间盘的扩散张量成像观测及临床应用

目的　为腰椎间盘退变导致的腰腿痛等病症的临床诊断提供影像学依据。 方法　选取脊柱腰段扩散张量成像（DTI）扫描检查正常者200例和腰椎间盘退变者100例,在工作站划分腰椎间盘和腰椎间盘退变的感兴趣区,测量感兴趣区的表观扩散系数（ADC）和各向异性分数（FA）,比较不同解剖部位、年龄组腰椎间盘和不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA、ADC值。 结果　不同解剖部位腰椎间盘的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的FA值逐渐降低,L4~5、L5~S1椎间盘的FA值则逐渐增高;L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的ADC值逐渐增高,L3~4、L4~5、L5~S1椎间盘的ADC值则无明显变化。不同年龄组腰椎间盘的FA值无统计学差异（P>0.05）,ADC值有统计学差异（P<0.05）,随着年龄增长ADC值逐渐降低。不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,随着Pfirrmann分级增高,FA值逐渐增高,ADC值逐渐降低。 结论　解剖部位、年龄均影响腰椎间盘的ADC值,DTI的FA值和ADC值可以定量评估腰椎间盘及其退变程度,为早期腰椎间盘退变的临床诊断提供影像学依据。     

腰椎间盘的扩散张量成像观测及临床应用

目的　为腰椎间盘退变导致的腰腿痛等病症的临床诊断提供影像学依据。 方法　选取脊柱腰段扩散张量成像（DTI）扫描检查正常者200例和腰椎间盘退变者100例,在工作站划分腰椎间盘和腰椎间盘退变的感兴趣区,测量感兴趣区的表观扩散系数（ADC）和各向异性分数（FA）,比较不同解剖部位、年龄组腰椎间盘和不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA、ADC值。 结果　不同解剖部位腰椎间盘的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的FA值逐渐降低,L4~5、L5~S1椎间盘的FA值则逐渐增高;L1~2、L2~3、L3~4椎间盘的ADC值逐渐增高,L3~4、L4~5、L5~S1椎间盘的ADC值则无明显变化。不同年龄组腰椎间盘的FA值无统计学差异（P>0.05）,ADC值有统计学差异（P<0.05）,随着年龄增长ADC值逐渐降低。不同Pfirrmann分级腰椎间盘退变的FA值和ADC值均有统计学差异（P<0.05）,随着Pfirrmann分级增高,FA值逐渐增高,ADC值逐渐降低。 结论　解剖部位、年龄均影响腰椎间盘的ADC值,DTI的FA值和ADC值可以定量评估腰椎间盘及其退变程度,为早期腰椎间盘退变的临床诊断提供影像学依据。     

腰椎间盘退变MRI：与Modic改变相关的影像学分析

背景：部分椎间盘源性下腰痛患者MRI可出现Modic改变,但Modic改变的相关因素及Modic改变与椎间盘退变之间因果关系目前尚不十分清楚。 目的：分析存在腰椎间盘Modic改变的下腰痛患者性别、年龄分布特点及腰椎间盘发生Modic改变的相关因素。 方法：回顾性分析634例(2 536个椎间盘)存在腰椎间盘Modic改变患者的性别、年龄分布特点,并分析腰椎间盘Modic改变与椎间盘突出或膨出、Schmorl结节、椎体滑脱、椎间盘解剖水平及椎间盘退行性改变程度的相关性。 结果与结论：634例患者中,女性患者ModicⅡ、Ⅲ型出现率均较男性高,而ModicⅠ型出现率小于男性患者(P < 0.001);40岁以上患者较40岁以下患者Modic各型改变的出现率均高(P < 0.001)。2 536个腰椎间盘中,有椎体滑脱、出现Schmorl结节、有椎间盘突出或膨出者Modic各型改变的出现率均比无此类表现者高(P < 0.001);L4/5、L5/S1水平(低位)Modic各型改变的出现率均比L2/3、L3/4水平(高位)高(P < 0.001);椎间盘退行性改变越严重,Modic各型改变的出现率越高(P < 0.001)。椎间盘退行性改变分级、Schmorl结节与Modic改变有显著相关性。结果说明,腰椎间盘Modic改变与患者性别、年龄、椎间盘有无突出或膨出、有无Schmorl结节、椎体有无滑脱、椎间盘解剖水平及椎间盘退行性改变分级均有相关性。其中,椎间盘退行性改变分级、Schmorl结节与腰椎间盘Modic改变间的相关性最高,且椎间盘退行性改变分级较Schmorl结节与之相关性更高。     

不同扭矩作用下腰椎有限元模型分析

应用有限元方法研究扭矩作用下腰椎内部结构的应力变化。用ABAQUS6.1有限元软件建立腰椎L4-5有限元模型。对模型加载不同的扭矩。结果为随着作用扭矩的增大以及旋转角度的加大,作用在小关节上的力量也加大。椎间盘内轴向有效应力加大,髓核内压力,纤维环的应力和应变增加。     

睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析

背景：目前睡姿和枕高的研究主要集中在临床方面,多采用统计调查、测量及影像学相结合的方法。但采用三维有限元法分析睡姿和枕高对颈椎应力影响的研究至今鲜见报道。 目的：采用数学仿真的方法探讨睡姿及枕高对颈椎应力的影响。 方法：以正常人体头颈CT图像为原始数据,依次经过Mimics 10.0、Geomagic Studio 11.0及Hypermesh 10.0软件建立全颈椎的三维有限元模型,利用Abaqus 6.10软件仿真分析仰卧状态与侧卧状态不同枕高下颈椎的应力特性。 结果与结论：睡姿和枕高对颈椎应力均有影响。枕高相同时,仰卧位椎间盘应力的最大值大于侧卧位。同样睡姿下,颈椎椎体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增大。从颈椎应力的生物力学角度看,侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康,且仰卧位枕高应低于侧卧位。     

肌肉加载下腰椎间盘突出的有限元研究

目的通过观察腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,LDH)患者肌肉加载下腰椎有限元模型的应力变化,探讨LDH患者肌肉功能对结构应力的影响。方法选取正常志愿者、LDH患者各1名,采集CT数据建立相应的正常、LDH腰椎-骨盆三维有限元模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到附着在腰椎骨盆周围肌肉的肌力及髋关节力作为加载条件,分别进行自身加载和正常模型加载LDH肌肉力,比较两种加载情况下L4、L5椎间盘及骶髂关节两侧应力变化。结果正常模型加载LDH肌肉力后,自身加载时的双峰曲线消失,代之以异常的单峰曲线,与LDH模型自身加载后的时间-应力曲线变化趋势一致。LDH患者肌肉力加载于正常模型后,L4、L5椎间盘及骶髂关节两侧应力差值较LDH模型自身加载后的应力差值减小。结论 LDH患者腰椎骨盆肌肉功能异常会引起腰椎及骶髂关节应力异常,结构失衡本身可导致应力失衡,而肌肉作为动力因素是导致结构动态应力异常的重要原因,由此可导致关节运动模式的异常。临床治疗LDH要重视对周围肌肉功能失衡的评估。     

穿戴模拟重力服对微重力环境下人腰椎间盘退变影响

目的分析微重力环境下穿戴模拟重力服对人腰椎间盘的生物力学影响。方法基于健康成年志愿者CT影像,建立人L4～5脊柱有限元模型。在腰椎有限元模型空载荷以及加载4 h 400 N轴向载荷基础上,分别模拟微重力环境下无干预和穿戴模拟重力服对腰椎间盘的生物力学影响。结果微重力环境下,人腰椎间盘中心孔压、径向位移和含水量随时间推移而增大。微重力环境穿戴模拟重力服情况下,72 h后腰椎间盘中心孔压、轴向应力、径向位移和含水量与无干预组相比均有减小。结论微重力环境下,穿戴模拟重力服了在一定程度上可帮助宇航员对抗微重力造成的对脊柱的不利影响。