有限元法在腰椎融合术与置换术生物力学研究中应用进展

回顾近年来有限元法(finite element method,FEM)在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究进展,并对其应用前景进行展望。通过归纳整理,得出FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究要点是手术方案的优化选择、植入器械的性能评价和临床手术的效果预测。最后依据当前的研究要点和发展方向,对FEM在个性化手术模拟、弹性内固定性能评价和新型术式效果预测等方面的应用前景进行展望。通过对FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学研究中的应用进展进行回顾和展望,以期为临床腰背痛疾病的手术治疗提供更加全面和系统的理论指导。     

小关节分级切除对腰椎间盘突出症稳定性影响的生物力学研究

目的：研究腰椎间盘突出症手术中小关节、椎间盘切除对腰椎稳定性的影响。方法：采用八具新鲜腰椎尸体标本进行生物力学应力分析。比较前屈、后伸、左侧屈、右侧屈等不同工况下Ｌ４～５双侧小关节分级切除后的稳定性的变化。结果：试验表明腰椎间盘突出症手术中小关节切除范围在侧隐窝减压至小关节１／２切除内应变强度、位移、ＲＯＭ与正常标本相比有显著性差异（ｐ〈０．０５）。结论：（１）腰椎间盘突出症手术中小关节切除范围应以侧隐窝减压为最大切除范围。（２）如手术需要切除１／２小关节时应考虑加用内固定以提高稳定性。     

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。     

人工颈椎间盘置换术后邻近下位关节突关节压力变化的生物力学研究

目的:探讨人工颈椎间盘置换术后邻近下位关节突关节内压力的变化,为其在临床应用提供生物力学依据,方法:在11具保留C3至T1的新鲜成人颈椎标本上,采用自行设计的圆片状微阻电式传感器测量C5/6椎间盘完整、椎间盘摘除、人工椎间盘置换和椎间融合4个模型组C6/7关节突关节内的压力负荷.结果:人工椎间盘置换组C6/7关节突关节内的压力在轴向(16.98±3.74)N、左侧弯(26.87±5.78)N、右侧弯(12.91±3.50)N、前屈(20.88±5.77)N、后伸(20.63±5.30)N,与完整组接近,差异无统计学意义(P>0.05),高于椎间盘摘除组(P<0.05),低于椎间融合组(P<0.05).结论:人工颈椎间盘置换后邻近下位关节突关节内的压力接近正常,提示人工椎间盘置换符合颈椎正常生物力学要求.     

人工腰椎间盘植入后小关节应力分布的比较研究

目的:通过三维有限元的方法研究正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘三组小关节的应力分布,探讨人工腰椎间盘植入小关节应力分布的影响.方法:利用有限元软件MSC.MARK,建立正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘及L4～5运动节段的三维模型,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:在各种运动状态下髓核摘除组小关节的应力最大,人工腰椎间盘组的小关节应力比正常椎间盘高,但明显小于髓核摘除组,但在旋转状态下,人工腰椎间盘小关节的中心部位承受的应力最大.结论:人工腰椎间盘植入后与髓核摘除组相比可降低小关节的应力,但仍高于正常的腰椎间盘组;人工腰椎间盘组的抗旋转能力明显低于正常腰椎间盘组和髓核摘除术后组,由此可见,目前的人工腰椎间盘具有腰椎间盘大部分的力学功能,与真正的腰椎间盘仍有差别.     

下段腰椎小关节突角度及形态不对称与腰椎间盘突出的相关性探讨

目的：探讨下段腰椎小关节突的关节角度及其形态不对称与腰椎间盘突出的相关性。方法：在CT片上观察127例患者的小关节突关节形态、椎间盘是否突出,并测量小关节突关节角度,计算其差值。按年龄分为4组,每个每年龄组中依据两侧小关节突关节角度差值分为〈5°、≥5°、≥10°三个组,并将形态不对称纳入关节角度差≥10°组中。在每个年龄组中,对L3～M、L4～L5及L5～S1节段发生椎间盘突出的病例的不同小关节突角度差值的组间进行组间两两比较;同时,对不同小关节角度差值的各节段椎间盘突出病例的各个年龄组亦进行年龄组间的两两比较;以及不同关节角度差值中,各节段椎间盘突出的总数进行两两比较。结果：在每个年龄组中,各节段椎间盘突出与小关节突角度差值无统计学意义,在不同小关节角度差值的不同年龄组中,仅个别节段椎间盘有统计意义;而在不同小关节角度差值中L3～L4与L4-L5两节段椎间盘突出总数具有统计学意义。结论：下段腰椎椎间盘突出与小关节是否对称无相关性,大多数腰椎间盘突出的病例与年龄亦无明显相关性,而与发生的腰椎节段有相关性。     

椎间盘不对称切除对小关节压力及腰椎稳定性的影响

目的探讨腰椎间盘不对称切除对小关节压力及腰椎稳定性的影响。方法采用7具人体脊柱标本(L2~3),制备完整椎间盘组、1/4椎间盘切除组、1/2椎间盘切除组,对标本施加7.5 N·m的屈伸、侧弯和轴向旋转方向的纯力偶矩,记录腰椎运动范围(range of motion,ROM)和小关节压力。结果后伸方向,1/4椎间盘切除状态下非切除侧小关节压力显著性增大;侧弯方向,1/2椎间盘切除状态下的两侧小关节压力均有显著性增大;轴向旋转方向,1/2椎间盘切除状态下仅切除侧小关节压力显著性增大。1/4椎间盘切除、1/2椎间盘切除状态下的ROM均大于完整椎间盘,但前屈方向各组间ROM无差别,各组间侧弯和轴向旋转的ROM在左、右侧无差别。结论腰椎间盘不对称切除导致腰椎除前屈方向外稳定性下降和小关节压力不对称性增大,提示腰椎间盘不对称退变引起腰椎不稳和小关节压力增大可产生腰痛。     

单双侧小关节分级切除的有限元分析

目的 :研究单双侧小关节部分和全部切除对腰椎稳定性影响。方法 :采用三维有限元法建立腰椎活动节段 (L3～L4 )的数学力学模型。结果 :全部切除L3～L4 节段间小关节 ,椎间盘纤维环的最大应力由 0 .72MPa上升为 0 .81MPa。活动节段的运动范围在单、双侧小关节切除时有明显增大 ,其最突出的倾向表现在轴向旋转和后伸旋转时 ,而前屈时最小。结论 :小关节不同程度切除后 ,腰椎活动节段纤维环最大VonMises应力的变化与其相对应的活动范围的变化呈明显的相关性。一侧小关节主要是限制活动节段向外侧扭转和向对侧弯 ,而对同侧的限制作用则较小     

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。     

腰椎椎间植骨融合的三维有限元分析

本研究首先建立腰椎椎间融合三维有限元模型,旨在分析腰椎椎间融合内部生物力学响应。在此基础上进行前路单节段融合,以观察复位,融合,固定后的应力分布和临近节段退变机制。目的为脊柱内固定设计和应用提供理论依据。同时为腰椎融合,固定进行临床观察和研究,尤其以手术方法的选择和适应症提供参考。     

矢状化小关节角度与退变性腰椎滑脱间关系的CT影像研究

目的 探讨矢状化小关节角度(FJA)与退变性腰椎滑脱(DLS)之间的关系。方法 回顾性研究。2010年1月—2018年5月首都医科大学宣武医院骨科单节段L_4/5 DLS住院患者89例纳入DLS组,按年龄分为A1、B1两亚组,A1组44例(男14例、女30例),年龄＜65岁;B1组45例(男17例、女28例),年龄≥65岁。对照组100例为同期骨科门诊腰腿痛患者,性别、年龄与DLS组相当,但未见腰椎滑脱者。按年龄分为A2、B2两亚组,A2组54例(男18例、女36例),年龄＜65岁;B2组46例(男15例、女31例),年龄≥65岁。在腰椎CT软组织窗测量各组L_4/5和L_3/4节段FJA,并应用SPSS 22.0统计学软件对患者FJA、小关节不对称(FT)程度和小关节退变分级之间的差异进行组间对比分析。结果 DLS组内,L_3/4节段A1组和B1组FJA分别为54.73°±7.26°和56.60°±6.94°,差异无统计学意义(P＞0.05);L_4/5节段A1组、B1组FJA分别为58.43°±10.41°和63.28°±6.56°,差异有统计学意义(P＜0.05)。对照组内,L_3/4节段A2和B2组FJA分别52.16°±10.07°和54.66°±8.66°,L_4/5节段A2组、B2组FJA分别为45.36°±7.78°和47.82°±9.65°,差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。DLS组与对照组L_3/4、L_4/5节段FJA比较,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。两组内各亚组间FT比较,L_3/4与L_4/5节段差异均无统计学意义(P值均＞0.05);DLS组与对照组组间FT比较,在L_4/5节段差异有统计学意义(P＜0.05),在L_3/4节段差异无统计学意义(P＞0.05)。在L_4/5节段及L_3/4节段,小关节退变程度DLS组均高于对照组, DLS组内B1组均高于A1组,差异均有统计学意义(P值均＜0.01);而对照组内两亚组间比较差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。结论 DLS患者具有更加矢状化的FJA,这可能是疾病发生发展过程中二次重塑的结果。     

随动载荷对腰椎小关节接触力的影响

目的研究不同大小随动载荷在腰椎不同姿态下对小关节接触力的影响。方法建立非线性三维有限元腰椎模型(L1~S1),并考虑小关节软骨的非均一厚度和非线性材料特征。对腰椎模型施加不同大小的随动力预载荷(0、0.5、0.8、1.2 k N)以及7.5 N·m不同方向上(前屈、后伸、侧弯、轴向旋转)的纯力矩,对比各运动节段两侧小关节上在不同加载工况下的接触力,并定量研究随动载荷对小关节不对称性的影响。结果随动载荷的应用会增大屈伸以及侧弯(同侧)状态下的小关节接触力,而减少侧弯(对侧)时的小关节接触力,而且这种增大(或减小)效应会随着随动载荷本身的增大而减弱。对于轴向扭转,预载荷对小关节力几乎没有影响。在腰椎不同的姿态下,随动载荷对于小关节接触力不对称性的影响按从大到小排列依次为:侧弯(同侧)、前屈、侧弯(对侧)、后伸、轴向扭转。结论随动载荷对腰椎小关节接触力的影响随腰椎运动姿态的不同而不同。在腰椎的生物力学研究中,小关节的不对称性需要被充分考虑,尤其是在生理载荷作用下腰椎后部结构的研究中。     

Effects of a carrageenan-induced inflammation in rabbit lumbar facet joint capsule and adjacent tissues

The effects of experimentally induced inflammation of the lumbar facet joint capsule and adjacent tissues were investigated electrophysiologically and histologically. Type II carrageenan was injected into the receptive fields innervated by identified mechanosensitive afferent units. The multi-unit spontaneous background discharge rate showed increases that consisted of two phases over a time period of 150 min: the first phase (0–30 min) and the second phase (45–150 min). The time course of single units, identified as groups II, III and IV, and silent units, was also investigated. The silent unit discharge rates displayed a gradual increase in the first 15 min and persisted beyond 75 min. Histological examination revealed inflammatory changes in carrageenan injected tissues. In contrast, in isotonic saline injected control experiments there were no changes observed in the electrophysiological or histological studies. This study shows the effects of inflammation in rabbit lumbar facet joint capsule and adjacent tissues. The electrophysiological results show that inflammation of the facet joint and deep back muscles causes (1) increases in multi-unit discharge rate, (2) sensitization to mechanical stimuli and (3) recruitment of previously silent units. Inflammatory changes were also demonstrated histologically.     

腰椎融合术中椎弓根螺钉损伤关节突关节的研究进展

目的 探讨腰椎融合术中椎弓根螺钉损伤关节突关节的生物力学、发生率及相关影响因素的研究进展。方法 在PubMed、Springerlink、Medline、CNKI、万方数据等数据库中,以“腰椎融合术、椎弓根螺钉、关节突关节损伤”和“lumbar interbody fusion、pedicle screw、facet joint violation”为关键词,检索2003年1月—2015年12月有关腰椎融合术中椎弓根螺钉损伤关节突关节的相关研究成果,针对椎弓根螺钉损伤关节突关节的生物力学、发生率及相关影响因素的研究进行分析总结。结果 关节突关节是维持脊柱运动节段稳定的重要结构,其损伤可导致关节突关节挛缩、僵硬及骨性关节炎,从而加速邻近节段退变的发生。手术创伤是造成关节突关节损伤的重要因素,尤其是以术中植入椎弓根螺钉内置物损伤关节突关节为主。无论是开放置钉还是微创置钉,螺钉损伤关节突关节的发生率均较高。影响椎弓根螺钉损伤关节突关节的因素包括年龄、性别、体质量、融合节段、融合数量、手术方式、术中CT导航、置钉方位、置钉方法和螺钉类型等。结论 关节突关节损伤继而增生退变是导致邻近节段退变的重要危险因素,无论是开放还是微创置入椎弓根螺钉均可增加关节突关节损伤的发生,因此外科医师在置钉时需要注重关节突关节的保护,规避不良置钉影响因素。     

Effects of degenerated intervertebral discs on intersegmental rotations,intradiscal pressures,and facet joint forces of the whole lumbar spine

The effects of intervertebral disc (IVD) degeneration on biomechanics of the lumbar spine were analyzed. Finite element models of the lumbar spine with various degrees of IVD degeneration at the L4-L5 functional spinal unit (FSU) were developed and validated. With progression of degeneration, intersegmental rotation at the degenerated FSU decreased in flexion–extension and left–right lateral bending, intradiscal pressure at the adjacent FSUs increased in flexion and lateral bending, and facet joint forces at the degenerated FSU increased in lateral bending and axial rotation. These results could provide fundamental information for understanding the mechanism of injuries caused by IVD degeneration.     

椎间盘髓核摘除对腰椎间小关节承载功能影响的实验研究

目的分析椎间盘髓核摘除后腰椎小关节受力大小及变化情况。方法采用8具新鲜脊柱腰骶段(L1~S1)标本,在MTS系统上用压敏片分别测量L3-L4、L4-L5两个节段小关节面在中立位和前屈、后伸位时受力大小;摘除L4-L5椎间盘髓核,重复测量。结果完整脊柱标本中,L4-L5与L3-L4节段关节面受力大小相似:中立位时受力占轴向压缩载荷的15%;前屈10°、20°时受力占压缩载荷的比例减为9%、5%;后伸10°、20°时受力占压缩载荷的比例增至23%、33%。L4-L5椎间盘髓核摘除后,L4-L5节段小关节面在各个运动状态下受力均显著增大,而L3-L4节段小关节受力也有增加的趋势。结论腰椎小关节有一定的承载功能。腰椎间盘切除术后,同一平面及相邻平面小关节受力增加,可能引发腰痛。