腰椎间盘退变后应力变化的有限元分析

目的 利用有限元分析方法,评估腰椎间盘退变后的生物力学变化.方法 利用MIMICS软件对正常腰椎的CT图像进行预处理后,导入ABAQUS软件建立正常椎间盘L3～L4节段的三维有限元模型.通过改变椎间盘退变后对应的材料属性,建立退变椎间盘L3～L4节段的有限元模型.对模型施加0.3 MPa均布轴向压缩载荷,比较正常和退变椎间盘的纤维环、髓核、软骨终板、关节突关节的应力.结果 与正常椎间盘比较,退变椎间盘的应力分布发生改变,纤维环周边承受较大应力,髓核的压应力明显降低,软骨终板的应力集中在外周偏后;关节突关节面的应力明显增大.结论 有限元方法可以直观地观察椎间盘退变对腰椎的影响,是对临床研究的必要补充.     

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.     

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。     

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.     

腰椎退变影响拔伸按压手法生物力学作用的有限元研究

目的:研究腰椎退变对拔伸按压手法治疗腰椎间盘突出症的生物力学影响。方法:应用L_(3～5)运动节段轻度退变与中度退变模型进行研究。假定腰椎间盘突出发生于L_4椎间盘左侧,为模拟拔伸按压手法,L_3椎体上终板固定,L_5椎体下终板施以500 N拉力;在L_(4～5)运动节段左侧椎板分别施以50 N与80 N按压力,比较两模型在不同按压力作用下L_4椎间盘左后方位移与L_(4～5)运动节段左侧小关节接触力。结果:手法按压力分别为50 N与80 N时,与轻度退变模型相比,中度退变模型L_4椎间盘左后方位移分别下降18.1%与34.5%,小关节接触力分别下降17.6%与43.4%;当按压力由50 N增至80 N,轻度退变与中度退变模型L_4椎间盘左后方位移分别增加146.3%与96.8%,小关节接触力分别增加195.9%与103.3%。结论:腰椎退变影响拔伸按压手法生物力学效应,但并不增加腰椎小关节接触力。     

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。     

复杂性腰椎管狭窄症的有限元建模与分析

目的精确建立复杂性腰椎管狭窄症(lumbar spinal stenosis,LSS)的退变腰椎全节段有限元模型,与正常模型进行对比。方法选取复杂性LSS患者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立退变腰椎全节段模型,同时构建正常材质和几何形态的腰椎模型,用相同边界条件进行对比分析。结果复杂性LSS腰椎的刚度增加、活动度范围比正常模型要小,特别是后伸工况减少了25.4%。总体上,退变腰椎的应力有增大趋势,退变节段椎间盘L4～L5和邻近上位椎间盘L3～L4的终板、髓核和和维环基质应力分布趋向四周边缘集中,特别是基质应力最大增加129%。结论复杂性腰椎管狭窄症的腰椎有限元模型的活动度减少、刚度增加,退变椎间盘四周出现应力集中,促进邻近椎间盘退变。     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

腰椎间盘髓核与软骨终板切除术后生物力学变化的实验研究

目的 通过研究腰椎间盘髓核与软骨终板同时切除以及单纯髓核摘除术后生物力学变化,明确其对腰椎稳定性的影响.方法 选择1岁健康犬9只,作为动物模型,手术部位为L5～6,L6～7,L7～S1,根据手术方式将27个椎间隙分为3组:分别为A组(对照组)、B组(单纯髓核摘除术)、C组(髓核及软骨终板切除术).术后24周取出L5～S1椎体,固定于生物力学实验机上测量相应节段在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转载荷下的生物力学稳定性.结果 B组脊柱节段稳定性与对照组比较差异有显著性,表现为在屈/伸方向上施加载荷时,运动范围(ROM)和中性区(NZ)均明显增大,在侧弯和轴向旋转方向上施加载荷时,NZ明显增大;C组脊柱节段在各方向上的ROM和NZ与对照组比较差异无显著性,稳定性较好.结论 髓核及软骨终板同时切除能够较好地保持脊柱节段的生物力学稳定性,可防止术后腰椎不稳的发生.     

一种新型椎间融合器用于腰椎融合的有限元模型建立

目的建立可被进一步作生物力学研究的部分可吸收型椎间融合器应用于腰椎融合的有限元模型。方法应用Mimics10.01、Geomagic、Ansys12.0软件建立正常人体L3～L4节段的有限元模型。应用Ansys12.0软件建立部分可吸收椎间融合器的有限元模型,并建立植入椎间融合器后的模型。施加400N垂直压缩载荷和10Nm扭矩载荷以模拟腰椎屈伸、侧弯及旋转运动,验证模型的有效性。模拟腰椎垂直压缩状态,提取模型应力图并做初步评估。结果快速建立外形逼真的部分可吸收型椎间融合器用于腰椎融合的有限元模型。有限元模型在加载同样的载荷后,前屈、后伸的运动范围(ROM)值分别为5.76°、3.19°,左、右侧屈的ROM值分别为5.08°、5.01°,左、右旋转的ROM值分别为1.78°、1.73°。椎体及椎间融合器应力分布均匀合宜,局部未见明显应力集中。结论所建模型可被进一步应用于相关生物力学研究。     

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。     

The stress distribution of the lumbar spine and disc degeneration.

A three-dimensional finite element model of the lumbar motion segment was developed to study the effect of disc degeneration upon stress distribution in the lumbar spine. The results showed that after degeneration of the intervertebral disc, the stress distribution and load transmission of the lumbar spine are significantly changed. It is concluded that these changes provide a biomechanical basis for understanding the etiology of spinal canal stenosis and nerve root entrapment.     

下位腰椎小关节面形态及方向与椎间盘退变的关系

用ＣＴ图像观测１５２例经ＣＴ，ＭＲＩ或手术证实的Ｌ４－５及Ｌ５－Ｓ１椎间盘退变或正常的患者之相应小关节面形态及小关节面水平夹角（ＴＩＦＡ）。结果显示：Ｌ４－５椎间盘退变率及其小关节面呈弧形改变率均高于Ｌ５－Ｓ１单元；Ｌ５－Ｓ１椎间盘退变率与Ｌ４－５ＴＩＦＡ呈正相关，与Ｌ５－Ｓ１ＴＩＦＡ呈负相关，与Ｌ５－Ｓ１和Ｌ４－５ＴＩＦＡ差值呈特殊相关。提示下位腰椎间盘退变与小关节面形态及方向变化有关。     

模拟推拿时腰椎小关节有限元模型的生物力学分析

【目的】采用生物力学的方法分析模拟推拿时正常和退变腰椎小关节的应力分布状况。【方法】通过有限元及配套影像方法，建立能准确反映第4腰椎与第5腰椎间(L4-5)小关节实际状况的有限元模型，对模型分别施加前屈、后伸、侧弯、旋转与压缩5种载荷，以分析比较其在模拟推拿作用时的受力情况。【结果】腰椎小关节在承载方面具有较大的作用，特别是在抗旋转推拿运动过程中的作用更为明显。【结论】对有明显退变的腰椎，使用前屈旋转手法时以轻巧手法为宜。     

Isobar TTL半坚强内固定系统与USS坚强内固定系统的三维有限元分析比较

目的建立USS坚强内固定系统、Isobar TTL半坚强内固定系统的腰椎三维有限元模型,对比两种模型的力学分布特点,探索动态内固定系统对腰椎生物力学的影响,为动态内固定系统临床应用提供理论依据。方法依据1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT扫描资料,利用Mimics 11.1、Geomagic studio 10.0、HyperMesh 10.0和Abaqus 6.8等软件构建L3～S1三维有限元模型,重建Isobar TTL和USS术后模型,对模型施加150N预载荷及10Nm力矩,分别记录不同工况下模型的椎间活动度、邻段椎间盘应力及内固定应力分布和应力峰值。结果成功建立了解剖结构精细的L3～S1三维有限元模型及Isobar TTL和USS术后模型。Isobar TTL和USS模型应力主要分布在螺钉钉身,USS模型应力峰值大于Isobar TTL模型,主要集中在螺钉中部,但均不超过100MPa;Isobar TTL模型椎间稳定性与正常模型无明显差异,而USS模型的运动范围明显下降,在屈伸工况下最为明显;Isobar TTL模型邻段L3/L4椎间盘应力在前屈、后伸、侧曲、旋转工况下分别增加了6.2%、9.7%、3.6%、3.8%,而USS模型分别增加了8.5%、13.5%、4.3%、4.8%。结论 Isobar TTL系统能有效维持术后腰椎活动度,减少应力遮挡,理论上可以减缓邻近节段的退变。