离体脊柱生物力学测试的加载方法研究进展

离体脊柱标本三维运动载荷-位移特性的描述是脊柱生物力学研究的基础,如何准确地模拟在体脊柱的载荷与运动情况是脊柱生物力学研究的难点。国内外学者从测试理论与测试工具上都进行了大量的研究。目前脊柱三维运动测试按照控制方法主要分为载荷控制、位移控制和混合控制。基于不同的控制方法,测试工具也在不断的发展与完善之中。总结目前国内外研制的脊柱离体加载装置的工作原理,并分析其主要优缺点,为离体脊柱生物力学加载装置研究提供参考。     

三维有限元分析在脊柱生物力学中应用研究

三维有限元分析方法作为脊柱生物力学研究方法之一,随着人们对脊柱力学特性的认识,有限元分析软件在国内外不断开发与应用,不但促进了有限元技术的发展,而且推动着脊柱生物力学研究更深入发展。作者从有限元法概念及原理、脊柱有限元模型构建、颈椎和腰椎三维有限元应用、内固定器械三维有限元分析等方面综述了近年来的一些研究进展。     

有限元方法在脊柱生物力学中的应用研究

有限元分析可对形态、结构、材料和载荷情况及复杂的构件进行应力、应变分析,具有力学性能测试全面、可重复性等优点,目前广泛应用于脊柱复杂结构的生物力学研究中。文章简单介绍了有限元的概念、原理和建模方法,主要从腰椎、颈椎、内固定器械和术式选择上阐述了有限元在脊柱上应用。     

数字标记点相关法在脊柱生物力学中的应用研究

脊柱是由刚度较大的椎体和刚度较小的椎问盘与韧带通过特殊的构型和连接所成的运动体。通过对数字标记点相关法对动物（牛）脊柱的生物力学行为进行测量，得出了比较合理的结果。实验表明，在相同的试验条件下（模拟生理环境纯力矩状态下），将脊柱中相邻脊椎（L4-L5）固定起来所表现出的力学行为，如位移、变形以及相邻脊椎之问的相对转动角度等，与没有固定时的脊柱的整体力学行为表现基本相同，没有太大的差别；而当将相邻三节脊椎（L3-L4-L5）固定起来的脊柱所表现的整体力学行为却与没有固定时的脊柱有着明显的不同。同时也验证了该测试方法的可行性，更能为其它类似情况研究提供了一种新的测试方法，并可为脊柱融合手术提供可靠的数据支持。     

我国脊柱生物力学研究现状

引言 脊柱伤病在临床上颇为多见,医学工作者曾为改进诊断和治疗,探讨脊柱疾患进行过不懈的努力,但仍有不少问题尚未明了。近二、三十年来随着生物力学的发展,得知脊柱伤病的许多问题都与力学密切相关。本文试就我国脊柱生物力学在这一问题上的研究作一简要回顾。     

有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

脊柱生物力学信号智能分析系统的研究

目的为脊柱生物力学测试平台开发一套信号智能分析系统,对不同采集装置产生的海量数据进行格式规范与整合,实现对数据的科学管理和快速处理。方法利用OptotrakCertus运动测量系统、MTS材料试验机和USB数据采集卡,以Matlab和MySQL为软件开发平台,搭建脊柱生物力学信号智能分析系统。对脊柱模型的生物力学性能进行测试,测试参数主要包括脊柱各节段运动角度、加载力矩。结果由系统自动处理得到的脊柱各节段运动角度变化规律,与力及力矩载荷的变化一致。结论本系统能有效应用于脊柱及其内固定器械的生物力学测试中。     

脊柱离体运动加载方法研究进展

离体脊柱生物力学测试研究对于理解和掌握脊柱的功能、损伤、退行性变以及脊柱植入物的影响均有重要的意义。脊柱生物力学的研究包括对脊柱的加载方法及脊柱运动状态的描述两个方面,脊柱的加载方法主要经历了从逐级加载到连续加载的过程。本文针对脊柱生物力学研究现状,分析国内外相关文献资料,总结了现有脊柱离体运动加载研究方法并对其进行了综述,为今后脊柱运动加载研究提供一定的参考和帮助。     

脊柱生物力学测试研究进展

随着现代力学测试手段的不断改进，各种生物力学测试方法广泛运用于脊柱力学研究。然而不同测量方法受到诸如适应范围、精度等因素影响，所以根据研究目的选择合适测试手段非常重要。本文就近年来有关脊柱生物力学测试的测量模型类型、标本长度的影响、脊柱运动测试方法进展以及加载负荷的运用等方面作一综述。     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。     

基于LabVIEW与6轴机械臂的脊柱生物力学测试系统构建及初步可靠性研究

目的构建基于LabVIEW与6轴机械臂的新型离体脊柱生物力学测试系统,进行初步的可靠性研究,为下一步耦合运动测试研究做准备。方法通过LabVIEW平台编程,用以太网及Profibus通讯的方式,将机械臂的数据实时与计算机进行通讯,实现位移控制、载荷控制,实时读取机械臂末端位置和旋转角度,通过力/扭矩传感器和数据采集卡实现数据采集、处理、储存等功能;使用数显千分表和特制固定夹具完成6个方向平移精准度测试,并对数据进行分析;使用该平台对羊脊柱标本进行屈伸、侧屈和旋转测试,绘制出载荷-位移曲线,分析对比并获得实验结果,验证该生物力学平台的有效性。结果开发并建立了一套基于LabVIEW与6轴机械臂的高精准度离体脊柱生物力学测试系统,其平均平移精密度为8.1μm,平均平移准确度为56.7μm。编写相关机械臂控制及数据采集、处理、储存程序,并有效完成羊脊柱生物力学测试。结论该基于LabVIEW与6轴机械臂的脊柱生物力学测试系统能高精准度地完成常规的脊柱三维运动测试,可用于下一步开展耦合运动测试研究。     

颈椎解剖与钛质网笼生物力学研究进展

钛质网笼作为颈前路椎体次全切除减压融合术（anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF）中使用的融合器之一,不仅能够在术中即刻重建颈椎稳定性、维持椎间高度及生理曲度,而且可以避免自体取骨造成供骨区并发症的问题,故成为ACCF术中较为常用的内植物。但传统钛笼多存在应力遮挡、钛笼下沉等问题,在一定程度上影响了手术效果,甚至导致严重术后并发症,需要行翻修手术。目前已有多种新型钛笼问世,一定程度上解决了传统钛笼带来的问题。生物力学评价及其测试方法是评判一款新型脊柱融合器能否应用于临床必不可少的过程。综述颈椎解剖相关生物力学、传统钛笼与新型钛笼生物力学特性的相关研究,为传统钛笼的改进以及新型钛笼的研发提供新思路。     

脊柱三维运动实验加载方式的改进

目的:改进三维运动实验的加载方式。方法:新鲜羊腰椎标本6例(L1~5),置于脊柱三维运动实验机上进行六个自由度的运动。两次预加载后依次对标本进行3、0、0.3Nm的加载,并采集三种加载时的运动图像。3Nm加载及0加载的图像作为传统加载方式计算出脊柱的运动范围及中性区,3Nm加载及0.3Nm加载的图像作为新的加载方式计算出新的脊柱运动范围及中性区,再对两种计算方法得出的运动范围及中性区进行配对t检验,计算两种方法各自的变异率,并进行配对t检验。结果:两种方法得到的运动范围之间不存在差异(P=0.105),但中性区之间存在显著性差异(P=0.013)。采用新的加载方式得到的运动范围的变异系数比以往的方法要小得多(P<0.001)。结论:采用新的加载方式可以得到较为准确的脊柱运动的运动范围。     

人体脊柱动力学数值仿真分析模型建立及验证

目的 建立T2～L5胸腰椎有限元模型并验证其有效性,为探究脊柱冲击载荷下的动态响应特性及损伤机制提供数值模型支撑。方法 基于CT扫描图像数据建立T2～L5胸腰椎三维有限元模型;仿真分析施加不同力矩下(屈伸、旋转和侧弯工况)T12～L1段载荷-转角曲线,并与文献报道的数据进行对比;对T2～6、T7～11和T12～L5 3段脊柱有限元模型施加不同高度下的自由落体载荷并进行仿真分析,获得轴向力峰值和弯矩,并与文献报道的数据进行对比分析。结果 T12～L1段脊柱有限元模型受不同方向力矩发生最大转角在-2.24°～1.55°,与文献数据吻合良好。在不同跌落高度下,T2～6、T7～11和T12～L5 3段脊柱有限元模型的轴向峰值力分别为1.7～5.3、1.3～5.5、1.3～7.5 kN,均处于文献数据误差范围内;脊柱与椎间盘应力云图显示,椎体由外缘最先受力,椎间盘由髓核承受主要载荷,符合实际脊柱损伤发生机制。结论 所建立的T2～L5脊柱模型能够正确模拟不同工况下脊柱的生物力学行为特性,分析结果具有有效性。     

离体安装活动式椎间融合器的生物力学研究

目的：评价一种新型椎间融合器植入人体后对整个脊柱力学环境的影响。方法：8例成人新鲜尸体脊柱（C2－T1）标本,保留韧带,关节囊及椎间盘,低温（－20度）保存,测试前解冻,将C2和T1用牙托材料包,分4组进行测试：正常组;椎间盘摘除组;试验组：TFC组,通过施加最大工荷为2．34Nm的纯扭矩,使颈椎产生三维运动,结果：在椎间盘摘除后,颈椎明显不稳,安装TFC后,颈椎在各个运动方向 运动范围呈减少趋势,手术节估的活动基本丧失,而邻近节段的活动呈增大趋势;安装新型椎间融合器后,颈椎的震动同正常状态近似,近近椎节亦无明显变化,结论：椎间盘摘除后,颈椎在各个方向上运动加大,刚度减小,脊柱已失稳,安装TFC后,脊柱的刚度增大,且邻近椎节的运动呈增加趋势,将引起力学性能的刚度减少,脊柱已失稳,安装TFC后,脊柱的刚度增大,且邻近椎节的运动呈增加趋,将引起力学性能的改变,安装新型椎间融合器后,对淮柱的力学性能影响较少,说明它能较好地与脊柱的力学环境相匹配。     

横向连接装置在腰椎经椎弓根内固定系统中的作用

目的：评价横向连接装置在腰椎后路内固定器械中的作用，进而为临床应用提供生物力学依据。方法：应用6具新鲜腰骶椎尸体标本，在三维运动实验机上模拟人体脊柱活动，分别测定腰椎不稳、予以短节段经椎弓根CD器械固定（应用或不应用横向连接杆）不同状态下L4－5节段运动范围（ROM）。随后将安装CD后的标本试件在858Mini Bionix-MTS多轴实验机上模拟人体生理活动行1500次疲劳运动，并测定相应节段的ROM。结果：（1）安装CD内固定后，应用横向连接杆（DTT）组与不应用横向连接杆（NDTT）组在前屈／后伸、左／右侧弯位时L4－5节段ROM小于完整结构组，但轴向旋转时无DTT组ROM大于完整结构组；（2）疲劳试验后DTT组与无DTT组ROM均增加，而DTT组在各方向的ROM值均明显小于NDTT组。结论：横向连接装置可明显增强失稳脊椎内固定的作用，并具有良好的抗疲劳稳定性。     

螺旋式与环式椎体融合器的生物力学比较

目的：用生物力学的方法比较螺旋式与环式椎体融合器的初始稳定性和拔出力量,方法：将24个颈椎运动节段（C4／5或C6／7）,根据BMD和不同节段随机分为两组,分别用螺旋式BAK－C和环式Brantigan I/F,测试完整模型和固定状态下椎体在前屈／后伸,左右侧弯和轴向旋转6种运动状态的稳定性,最后进行拔出试验,结果：BAK－C和Brantigan I/F均能增加颈椎的初始稳定性,但在效率上无显著性差异,BAK－C的拔了出力量显著大于Brantigan I/F,结论：两种椎体融合器的稳定性几乎没有差异。螺旋式融合器具有较大的拔出力量。     

腰骶部椎间盘髓核摘除对脊柱稳定性影响的生物力学研究

目的：分析髓核摘除对腰骶部Ｌ４～Ｌ５和Ｌ５～Ｓ１节段稳定性的影响。方法：对６例成人新鲜腰骶部（Ｌ４～Ｓ１）标本髓核摘除前后进行三维运动范围和压缩、剪切刚度的测定。对标本施加最大为１０．０Ｎ．ｍ的力偶矩,使之产生前屈、后伸、左右侧屈和左右轴向旋转运动,并由双平面立体测量的计算机图像分析系统得到节段运动范围。分别在１３００Ｎ,６００Ｎ和６００Ｎ的载荷下测定压缩、前后剪切和左右剪切刚度。结果：髓核摘除后,Ｌ４～Ｌ５和Ｌ５～Ｓ１节段的三维运动范围明显增大,其中Ｌ４～Ｌ５节段的后伸、左右轴向旋转运动增大有显著性,Ｌ５～Ｓ１节段的前屈运动增大有非常显著性,左右轴向旋转增大有显著性;Ｌ４～Ｓ１节段压缩和剪切刚度降低,左右剪切刚度降低有显著性。结论：髓核摘除使腰骶椎节段性三维运动范围增大,压缩和剪切刚度下降,腰骶节段失稳,以致整个后部结构承受更大的负载,导致小关节和韧带的损伤和退行性改变。