两种坐位旋转手法腰椎应力及位移的有限元分析

摘要：目的 探讨两种坐位旋转手法的作用机理及其合理性、安全性。 方法 使用螺旋CT,以1mm的间隔,对1具男性青年新鲜尸体的腰椎标本沿轴向进行断层扫描,以jpg格式将其断面图像输入计算机。利用三维重建软件Minics建立腰椎三维计算机模型。根据手法原理,将两种坐位旋转手法进行分解,把力学参数带入三维有限元模型,利用Ansys 9.0 软件进行计算。结果 椎间盘: 两种手法椎间盘的应力都主要集中于纤维环,尤其是外层纤维环,髓核应力相对较小。两者的最大位移分布基本一致,都位于椎间盘的左侧。椎间盘后部位移也都以左侧明显。椎体及后部结构: 直腰旋转手法主要应力分布于小关节,腰椎定点旋转手法主要应力分布与椎体峡部、椎弓根侧隐窝及上位椎体小关节面的下端。两者的最大位移分布不同,直腰旋转手法最大位移位于L4棘突,腰椎定点旋转手法最大位移位于L4椎体上缘左侧及L4左侧上关节突;且腰椎定点旋转手法的椎间孔位移更显著。结论 手法造成了椎间盘、关节突的位移,有利于解除神经根的粘连。两种手法比较,脊柱定点旋转手法更具有效性及安全性。     

不同工况对腰椎运动节段作用的三维有限元模型分析

目的：研究各种工况条件下腰椎活动节段的三维有限元模型。方法：使用ABAQUS6．5有限元分析软件建立L4-5运动节段的三维有限元模型,分析腰椎运动节段在屈曲、拉伸、侧屈及旋转扭矩作用力下各部结构的应力变化。结果i压缩时椎体密质骨、椎弓根、椎弓峡部和后部小关节部应力最高;拉伸时小关节出现应力集中,高于其他部分;侧屈时屈侧椎体、后部小关节及椎间盘部为应力集中,拉伸侧呈张应力;轴向旋转时后部小关节及椎间盘后部应力较高;屈曲加旋转时椎体及椎间盘前缘、后部小关节处出现应力集中。结论：应用有限元分析能形象模拟腰椎活动节段各种载荷下的应力分析,不同运动条件下,腰椎运动生理节段的应力集中部位不同。这是中医旋转复位手法治疗腰椎小关节紊乱和腰椎间盘突出症的力学依据之一。     

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。     

腰椎椎间孔外椎体间融合术的三维有限元建模及分析

目的 采用三维有限元方法比较椎间孔外腰椎椎体间融合术(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)与传统经椎间孔腰椎椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF),在不同固定方式下的生物力学稳定性。方法 将健康成年男性志愿者腰椎CT片读入Simpleware 2.0,建立L3～L5的三维几何模型。利用Hypermesh,对模型进行有限元网格划分,建立完整L3～L5节段有限元模型。对完整模型进行不同处理,分为正常标本对照组（C组）,单边固定ELIF（E1组）,单边固定TLIF（T1组）,双边固定ELIF（E2组）,双边固定TLIF（T2组）,单边固定ELIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定（E3组）,单边固定TLIF+对侧经 椎板关节突螺钉内固定（T3组）。利用Abaqus 6.10,对处理组模型施加相应的载荷及运动附加力,计算腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种工况下的L4～L5节段角位移及其他生物力学指标。结果E1与T1组L4～L5活动度均较C组明显减小(P<0.01)。E1组各工况下的活动度小于T1组,尤以左侧屈及右旋时明显(P<0.05);E1组在各工况下的活动度明显高于T2组(P<0.05);E3组活动度明显低于E1组(P<0.05)。在400N的载荷下,E2组与T2组、E3组与T3组活动度差异均无统计学意义(P>0.05)。结论 ELIF联合使用对侧经椎板关节突螺钉固定后稳定性得以提高,与TLIF双侧椎弓根螺钉固定在限定载荷下相当,是一种安全有效,更加微创的腰椎椎体间融合术式。     

单枚腰椎间融合器附加椎弓根螺钉行后路腰椎椎体间融合术的生物力学评价

目的 :探讨腰椎椎体间后路植入单枚融合器及附加椎弓根螺钉固定后的生物力学稳定性。方法 :采用 6具小牛腰椎标本 ,依序进行不同处理后分为以下 6组 :(1 )正常组 ;(2 )左侧小关节突加椎间盘切除组 ;(3)腰椎左侧融合器植入组 (椎体后路斜向植入 ) ;(4 )腰椎左侧融合器植入附加对侧椎弓根螺钉固定组 ;(5 )腰椎左侧融合器植入附加同侧椎弓根螺钉固定组 ;(6 )腰椎左侧融合器植入附加双侧椎弓根螺钉固定组。用实验应力分析方法 ,对单枚腰椎融合器植入附加椎弓根螺钉固定行后路腰椎椎体间融合术后 ,腰椎的即刻生物力学指标进行测定 ,并进行比较。 结果 :腰椎椎间盘摘除与小关节突切除后 ,其平均应力强度和轴向刚度均较正常标本显著下降 (P<0 .0 5 ) ;采用单枚融合器斜向植入椎间后 ,腰椎的平均应力强度和轴向刚度均较损伤标本 (椎间盘摘除与小关节突切除 )显著提高 (P<0 .0 5 ) ,但仍低于正常标本 (P<0 .0 5 ) ;采用椎间融合器植入附加同侧、对侧或双侧椎弓根螺钉内固定后 ,腰椎的平均应力强度和轴向刚度均较损伤标本和正常标本显著提高 (P<0 .0 5 )。结论 :斜向植入单枚腰椎间融合器行腰椎椎体间融合术 ,再附加椎弓根螺钉内固定 ,其生物力学性能优良 ,强度和刚度适中 ,腰椎能得到可靠的稳定性     

腰椎峡部裂后相应关节突关节生物力学变化研究

目的了解腰椎峡部裂后相应关节突关节生物力学变化规律,为临床腰椎峡部裂患者行融合节段植骨提供理论依据。方法通过对猪腰椎生物力学测试检测单侧及双侧腰椎峡部裂后的椎间关节内压变化,并与正常猪腰椎相比较。结果在轴向、前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转载荷下L4/5左侧关节突关节内压：L4椎左侧和双侧峡部裂标本均小于正常腰椎,差异有统计学意义（P〈0.05）;L4椎双侧峡部裂标本小于L4椎左侧峡部裂标本,差异有统计学意义（P〈0.05）。在轴向载荷下L4/5椎间盘内压：L4椎左侧峡部裂标本大于正常腰椎,差异有统计学意义（P〈0.05）;L4椎双侧峡部裂标本大于L4椎左侧峡部裂标本,差异有统计学意义（P〈0.05）。结论腰椎峡部断离后,相应关节突关节丧失了原有的生物力学性能。双侧峡部裂比单侧峡部裂的关节突承担的各向载荷更加减少。     

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.     

基于有限元的椎弓根螺钉结合两种材质椎间融合器治疗腰椎滑脱症的生物力学特性研究

目的 通过有限元分析方法评估椎弓根螺钉结合两种材质椎间融合器在治疗腰椎滑脱症中的生物力学性能。方法 选取健康男性志愿者1名,使用螺旋CT扫描脊柱L4～L5节段,采用Mimics和Geomagic软件对CT图像进行三维模型重构并导入有限元分析软件ANSYS 12.0建立正常L4～L5节段三维有限元模型（INT）。在此基础上,模拟两种材质融合器结合椎弓根钉固定的模型,双侧椎弓根螺钉+Ti(钛)椎间融合器（M1）,双侧椎弓根螺钉+ PEEK(聚醚醚酮)椎间融合器（M2）。对模型施加400N预载荷,运动附加力为6 N·m,定义模型约束和载荷条件后,在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下计算L4～L5节段角位移及椎弓根螺钉和融合器所受应力。结果 M1,M2在各种工况的角位移均小于INT。应力实验中,M1融合器应力峰值在各种工况下均高于M2。后伸位时,M1与M2的螺钉及椎间融合器的应力峰值较其他工况小。结论 椎弓根内固定可以提供融合节段足够的稳定性。对于融合节段在椎弓根钉提供相同稳定性的条件下,PEEK材质融合器应力峰值均较Ti材质融合器小,PEEK材质融合器发生沉降及移位的可能性低于Ti材质融合器,所以其融合率相对较高。后伸位时所受应力较小,由此推测后伸位为较稳定的位置。     

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。     

经皮椎间孔镜TESSYS术对腰椎间盘突出症患者腰椎结构参数、运动功能的影响探究

目的 探讨经皮椎间孔镜下经椎间孔脊柱内镜系统（transforaminal endoscopic spine system,TESSYS）技术对腰椎间盘突出症患者腰椎结构参数及运动功能的影响。 方法 回顾性分析50例腰椎间盘突出症患者的临床资料,按照治疗方法不同分为对照组和观察组,每组25例,观察组给予经皮椎间孔镜TESSYS术治疗,对照组给予椎间盘镜技术治疗,比较2组患者的围术期相关指标、腰椎结构参数、运动功能、术后并发症发生情况。 结果 观察组术中出血量、切口长度、首次下地时间、住院时间少于或短于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）;2组患者手术时间差异无统计学意义（P＞0.05）。术后6个月,2组腰骶角小于术前,L5/S1关节突关节角、、腰椎曲度L2~3关节突关节角,L3~4关节突关节角,L4~5关节突关节角大于术前,观察组腰骶角小于对照组,L5S1关节突关节角、、腰椎曲度L2~3关节突关节角,L3~4关节突关节角,L4~5关节突关节角大于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）。术后1个月,2组Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability index,ODI)评分低于术前,JOA评分高于术前,观察组日本骨科协会（Japanese Orthopaedic Association,JOA）评分低于对照组,JOA评分高于对照组,差异有统计学意义（P＜0.05）。2组并发症发生率差异无统计学意义（P＞0.05）。 结论 经皮椎间孔镜TESSYS术治疗腰椎间盘突出症患者,手术切口小、术中流血少,术后恢复快,可显著改善腰椎间盘突出症状,安全性较高。     

兔腰椎小关节退变在退行性腰椎侧凸发病中的作用

目的探讨在不对称应力作用下腰椎小关节退变在退行性腰椎侧凸发生发展过程中的作用。方法36只新西兰白兔被随 机分为椎间盘退变组（A组）,小关节退变组（B组）,椎间盘及小关节退变组（C组）,12只/组。A组通过穿刺抽吸髓核组织产生椎 间盘退变,B组通过切除左侧小关节囊造成小关节退变,C组同时接受A组和B组的处理。分别对三组的L3/4、L4/5、L5/6左侧 小关节加载拉簧,分别于术后3月、6月拍正侧位片测量腰椎侧凸Cobb角,术后6月取腰椎小关节,采用番红O-快绿染色,进行 Mankin评分判断软骨退变程度。结果不同组间腰椎侧凸Cobb角有显著性差异（F=24.865,P=0.000）。组内比较,各组6月时 Cobb角较3月时更大（均P<0.05）;同一时间点,C组较A、B组Cobb角更大（均P<0.05）,但A、B组间Cobb角无显著性差异（均 P>0.05）。不同组间小关节软骨退变程度Mankin评分有显著性差异（F=22.009,P=0.000）,C组较A、B组小关节软骨退变严重 （P<0.05）,B组较A组小关节软骨退变严重（P<0.05）。结论腰椎小关节退变是退行性腰椎侧凸发生发展的重要因素,椎间盘、 腰椎小关节不同程度的退变可导致腰椎发生侧凸,腰椎侧凸又会加重椎间盘、小关节退变和受力的不对称,形成恶性循环,从而 导致腰椎侧凸的进一步发展。     

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 当轴向压力以0.3、1.0、4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

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。     

单侧椎板开窗髓核摘除术对相邻节段椎间盘的生物力学影响

目的 应用非线性有限元分析研究单侧椎板开窗髓核摘除术对相邻节段不同程度退变椎间盘应力分布的影响.方法 墓于断层CT图像建立L3～L5节段三维非线性有限元模型,并依据L3～L4椎间盘不同退变程度建立轻、中和重度退变有限元模型,以及单侧椎板开窗髓核摘除术后模型.在模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转六个主要生理活动条件下,分析相邻节段椎间盘L3～L4髓核和纤维环von Mises应力极值变化.结果 行L4～L5左侧椎板开窗髓核摘除后,相邻L3～L4椎间盘为健康椎间盘时,髓核和纤维环基质内von Mises应力极值后伸最大,左侧弯时最小;轻度退变时,应力极值在左侧弯时增加最明显;中度退变时,髓核和纤维环基质von Mises应力极值减小,但仍高于健康椎间盘应力;重度退变时,髓核内von Mises应力极值均较轻中度椎间盘退变时下降,除轴向旋转运动外,甚至低于健康椎间盘时的应力值;纤维环基质内von Mises应力值较轻中度退变时下降,但仍高于健康椎间盘内纤维环应力,尤以左侧弯时明显.结论 当相邻节段椎间盘退变时,行单侧椎板开窗髓核摘除后避免同侧侧弯可以减少异常应力的产生,降低椎间盘退变加速的风险.

Abstract：

Objectives To study the stress distribution of the adjacent different grades of disc degeneration underwenting unilateral laminectomy and discectomy surgery using non-linear finite element analysis. Methods Based on the lumbar CT scans, the finite element model (FEM) of lumbar spinal segment(L3-L3) was established. According to L3-L4 intervertebral disc degeneration, different grades of disc degeneration( healthy,mild, moderate and severe) models were established and unilateral laminectomy and discectomy surgery were also established. Physiological action such as flextion , extension , lateral bending and lateral rotation was simulated and the yon Mises stress in the nucleus pulposus and annulus fibrosus matrix of L3-L4 disc was investagated. Results After unilateral laminectomy and discectomy surgery, the extremum value of yon Mises stress of nucleus pulposus and annulus fibrosus matrix was maximum during extension and minimus left bending in the healthy intervertebral disc. Compared with healthy disc, the increment of extremum value was found during left bending in the mildly degenerated disc. When the value decreased in the moderately degenerated disc, but still higher than that in the healthy disc. When the adjacent disc is severly degenerated, the extremum value of nucleus pulposus decreased, in addition to axial rotation, and even lower than that of healthy disc. The value of annulus matrix decreased and still higher than that of healthy disc , especially during left bending. Conclusions After unilateral laminectomy and discectomy surgery, avoiding lateral bending will reduce the abnormal stress in the degenerated disc and decreased the risk of accelerating disc degeneration.     

大鼠腰5背根神经节束膜切开后自体髓核移植---一种改良非压迫性腰椎间盘突出症模型的建立

摘要：背景：椎间盘髓核的致炎特性是腰椎间盘突出症神经痛的重要机制,大鼠腰4、腰5半椎板切除术和并在左腰4、腰5神经根覆盖自体尾椎椎间盘髓核是研究非压迫性腰椎间盘髓核突出症常用的动物模型（简称传统模型）。但该模型尚存在创伤较大、成模率不高的不足。目的 ：只暴露左L5 背根神经节(Dorsal root ganglion, DRG),行束膜切开后自体髓核移植制备非压迫性腰椎间盘髓核突出症改良模型,与传统模型比较其创伤度和成模率。方法 : 30只SD 雄性大鼠,随机分成三组,假手术组（6只）,传统组（12只）、和改良组（12只）。统计每组的出血量和手术时间;测量术前1天和到术后大鼠的左后肢机械刺激缩爪阈值（paw withdrawal Threshold,PWT）,和热刺激撤足潜伏期（paw withdrawal latency,PWAL）。结果：改良组手术时间和出血量少于传统模型组,改良组成模率91.7%高于传统组的58.3%,组间比较有统计学差异（p<0.05）。三组均未出现PWAL的减少。假手术组术后未出现PWT的降低。改良组和传统组术后出现明显的PWT降低（机械痛敏）,改良组的机械痛敏比传统组更持久（28天VS 21天）。结论：对大鼠腰5背根神经节的束膜切开后再进行髓核移植可以制备损伤更小、疼痛行为学稳定的非压迫性腰椎间盘突出症的改良动物模型。     

腰椎关节突关节方向性解剖及对椎间盘退变的影响

目的：探讨腰椎关节突关节方向性及对腰椎间盘退变的影响。方法：完整骨骼标本18具,男性12具,女性6具。用万能角度尺手工和CT图像测量腰椎关节突关节角度数值。结果：从L1－L5腰椎关节突关节角度值逐渐增大,由相对矢状位渐变为相对冠状位。两种方法测量结果用秩和检验无显著性差异。结果：腰椎关节突关节角从L1－L5逐渐增大,适应了正常人体下腰椎活动较上腰椎大的需要,可能是下腰椎间盘容易发生退行性改变的影响因素。     

Autologous nucleus pulposus transplantation to lumbar 5 dorsal root ganglion after epineurium discission in rats: a modified model of non-compressive lumbar herniated intervertebral disc

Background  Nucleus pulposus of intervertebral discs has proinflammatory characteristics that play a key role in neuropathic pain in lumbar herniated intervertebral disc. One of the most commonly used animal models (the traditional model) of non-compressive lumbar herniated intervertebral disc is created by L4–L5 hemilaminectomy and the application of autologous nucleus pulposus to cover the left L4 and L5 nerve roots in rats. However, such procedures have the disadvantages of excessive trauma and low success rate. We proposed a modified model of non-compressive lumbar herniated intervertebral disc in which only the left L5 dorsal root ganglion is exposed and transplanted with autologous nucleus pulposus following incision of epineurium. We aimed to compare the modified model with the traditional one with regard to trauma and success rate.

Methods  Thirty Sprague-Dawley male rats were randomized into three groups: sham operation group (n=6), traditional group (n=12), and modified group (n=12). The amount of blood loss and operative time for each group were analyzed. The paw withdrawal threshold of the left hind limb to mechanical stimuli and paw withdrawal latency to heat stimuli were examined from the day before surgery to day 35 after surgery.

Results  Compared with the traditional group, the modified group had shorter operative time, smaller amount of blood loss, and higher success rate (91.7% versus 58.3%, P <0.05). There was no decrease in paw withdrawal latency in any group. The sham operation group had no decrease in postoperative paw withdrawal threshold, whereas the modified and traditional groups had significant reduction in paw withdrawal threshold after surgery (mechanical hyperalgesia).

Conclusions  Transplantation of nucleus pulposus onto the L5 dorsal root ganglion following incision of epineurium in rats established an improved animal model of non-compressive lumbar herniated intervertebral disc with less trauma and more stable pain ethology.

     

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。     

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。