正常人与骨质疏松患者胸腰椎三维有限元模型的建立及分析

目的：基于CT医学图像，建立骨质疏松患者的T11—L3的三维有限元模型，对其生物力学特性进行分析。 方法：实验于2003—09／2004-02在上海大学生物力学研究所完成。选取骨质疏松症患者1例，女，65岁，骨密度值与正常人相比，r值=-2．68〈-2．5。CT扫描证实无脊柱畸形或破坏。应用CT扫描技术、图形数字化方法获取胸腰段的三维坐标，利用ANSYS5．0有限元分析软件等工具建立骨质疏松患者胸腰段的三维有限元模型。 结果：（1）L1椎体在轴向载存800N作用下的应力场分布表明，正常椎体皮质骨、松质骨、终板、纤维环、后部结构的平均应力值高于骨质疏松椎体（分别为1．786，1．542MPa；0．742，0．601MPa；0．839，0．608MPa；0．862，0．554MPa；0．424，0．308MPa）。②从椎体的剖面上观察，外面皮质骨应力较大，里面松质骨应力较小。椎体骨密质的应力集中在近椎弓根附近，松质骨的应力集中在与终板临近的中央部分，后部结构的应力分布不均匀，应力集中在椎弓根、峡部和小关节部分，而横突和棘的应力水平很低。胸腰椎的应力分布规律和人体正常椎体相似。骨质疏松椎体的应力分布规律与正常椎体应力分布相似，相同承载，不过应力比较低，负载规律相一致。两者的应力分布相似，就是数值不同而已。 结论：应用三维有限元法分析骨质疏松椎体的力学特性是切实可行的并能获得独特的信息，结果可信。     

应用三维有限元法评估聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件的力学特征

目的:聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥作为经皮椎体后凸成形术填充物,应用三维有限元分析法比较两种材料治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的生物学效应。方法:实验于2003-03/09在南通医学院第一附属医院骨科和上海大学上海生物力学工程研究所合作完成。①利用WD-5型万能材料机测量聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件力学性质。②选取骨质疏松患者1例(患者知情同意),排除其他疾患,应用CT扫描技术、图形数字化方法获取胸腰段的三维坐标,利用ANSYS5.0有限元分析软件等工具建立骨质疏松患者胸腰段的三维有限元模型。③模拟L1经皮椎体后凸成形术,对其和相邻椎体及椎间盘的负荷传递、应力、位移等进行分析。结果:①获取了精确的T11￣L3的多排螺旋CT扫描断层影像数据,经ANSYS5.0软件处理后得到4718个节点,1642个薄极单元,4495个八节点等参单元的骨质疏松患者胸腰段三维有限元力学模型。②采用聚甲基丙烯酸甲酯作为经皮椎体后凸成形术的填充物,比骨质疏松椎体应力增加了近15%。后部结构的应力平均增加13.2%,其中椎弓根增加5.9%,峡部增加6.25%,关节点增加27.6%。聚甲基丙烯酸甲酯在稳定椎体、恢复强度和刚度的同时,可能使其后部结构及相邻腰椎出现应力集中现象。③采用磷酸钙骨水泥作为椎体成形术填充物,比骨质疏松椎体应力平均增加了7%,应力集中现象明显小于聚甲基丙烯酸甲酯。结论:三维有限元力学分析表明两种材料均提高了椎体的抗变形能力,有利于椎体功能的重建。与聚甲基丙烯酸甲酯相比,磷酸钙骨水泥能减少成形椎体和相邻椎体之间的应力梯度,从长远看,能减少椎体退变和相邻椎体骨折的机会。     

椎体后凸成形后相邻椎体生物力学的有限元分析

背景:椎体后凸成形后相邻椎体新发骨折的发生率为2.4%-23%,并且6个月内2/3骨折发生于邻近椎体,其原因是骨质疏松的发展,还是骨水泥强化的结果,目前存有争论.目的:应用脊柱有限元分析方法分析生理载荷作用下,椎体后凸成形后相邻椎体终板的应力变化与相邻椎体新发骨折的相关性.方法:收集老年骨质疏松女性胸腰椎CT扫描资料,利用一系列计算机辅助设计软件构造相对应的T_(12)-L_1-L_2骨质疏松性椎体的三维有限元模型.模拟L_1椎体为楔形压缩骨折椎体(前缘高度较正常降低60%),模拟经皮椎体后凸成形模型,复位骨折椎体(L_1椎体高度较正常降低10%,代表骨折椎体复位),在L_1椎体内置入2个对称的圆柱体PMMA骨水泥块共约4 mL.分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下正常椎体、手术前后相邻椎体的应力变化情况.结果与结论:与正常椎体比较,L_1压缩性骨折模型和椎体后凸成形后模型相邻椎体终板最大应力值分别增高76%和27%;椎体后凸成形模型后部结构的应力水平较正常椎体平均增加13.2%,其中椎弓根增加4.5%,峡部增加6.15%和关节点增加25.6%.与L_1椎体压缩性骨折模型相比,L_1椎体后凸成形后椎弓根、峡部和关节突应力均有所降低.结果说明椎体后凸成形后,T_(12)椎体下位终板和L_2椎体上位终板的应力值在各种状态下均较正常椎体增加,应力增加可能导致终板骨折可能性增加,进而导致相邻椎体骨折的风险性增加,这一观点尚需进一步研究的支持.     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景：椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的？目的：用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。方法：利用MIMICS软件,对1例T12骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10～ L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0MPa3种轴向载荷进行生物力学分析。结果与结论：成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。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。椎体成形后增强椎体（T12）上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T12相邻椎体（T11、L1）及远端椎体（T10、L2）所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的?目的:用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。方法:利用MIMICS软件,对1例T12骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10～ L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0MPa3种轴向载荷进行生物力学分析。结果与结论:成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。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。椎体成形后增强椎体(T12)上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T12相邻椎体(T11、L1)及远端椎体(T10、L2)所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。     

椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体后凸成形术自应用临床以来取得了令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道.从生物力学角度来分析邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要价值.目的:以有限元方法观察椎体后凸成形术对相邻椎体生物力学的影响,分析相邻椎体继发骨折的原因.方法:利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10～L2的三维有限元模型,设置0.3,1.0,4.0 MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响.结果与结论:成功建立了椎体后凸成形术前后的三维有限元模型,当轴向压力以0.3,1.0,4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11～12、T12～L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11,L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10,L2)的最大应力明显减少.提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可能与术后生物力学行为的改变有关.     

以棘突连线确定矢状面进钉角度在胸腰椎内固定治疗中的应用

背景：理想的胸腰段骨折复位需要准确的椎弓根钉置入角度以达到理想的应力作用,近年来国内外有很多专家学者设计了多种方法,基本以椎体或附件本身的解剖结构设计某一平面作为参考,精确程度不一。目的：选择棘突连线作为胸腰段骨折内固定手术中椎弓根螺钉与终板保持平行的参照并给出理论依据。方法：选择49例正常胸腰段和21例胸腰段骨折（无棘突骨折）MRI片测量椎体上终板平行线与相应棘突连线的夹角,两者比较并进行统计学对比分析。结果与结论：正常胸腰椎椎体上终板平行线与棘突连线夹角在T10-L3基本为90°,在L4处为82°左右,而椎体骨折后所测角度差别不大。结果提示在胸腰椎骨折内固定手术过程中,如果保持椎弓根螺钉与棘突连线夹角在T10-L3为90°,L4为80°左右,基本能够保证椎弓根螺钉与终板保持平行,将棘突连线作为螺钉置入的参考解剖标志在理论上是可行的。     

以棘突连线确定矢状面进钉角度在胸腰椎内固定治疗中的应用

背景:理想的胸腰段骨折复位需要准确的椎弓根钉置入角度以达到理想的应力作用,近年来国内外有很多专家学者设计了多种方法,基本以椎体或附件本身的解剖结构设计某一平面作为参考,精确程度不一.目的:选择棘突连线作为胸腰段骨折内固定手术中椎弓根螺钉与终板保持平行的参照并给出理论依据.方法:选择49例正常胸腰段和21例胸腰段骨折(无棘突骨折)MRI片测量椎体上终板平行线与相应棘突连线的夹角,两者比较并进行统计学对比分析.结果与结论:正常胸腰椎椎体上终板平行线与棘突连线夹角在T -L 基本为90°,在L1034处为82°左右,而椎体骨折后所测角度差别不大.结果提示在胸腰椎骨折内固定手术过程中,如果保持椎弓根螺钉与棘突连线夹角在T -L103为90°, L4为80°左右,基本能够保证椎弓根螺钉与终板保持平行,将棘突连线作为螺钉置入的参考解剖标志在理论上是可行的.     

可视化方法分析椎体成形术前弯状态下的力学形态

背景:椎体成形术是通过椎弓根向椎体内注入骨水泥以增加椎体的抗压性,预防椎体进一步塌陷和再骨折发生.目的:比较椎体成形术前后,L1～2在前弯力矩作用下的力学特征改变.设计,时间及地点:基于影像特征的椎体成形术的二维有限元分析,于2005-10/2006-06在北京市神经外科研究所完成.对象:1例54岁女性患者,经CT确诊为骨质疏松且伴有L1～2压缩性骨折,患者对实验项目知情同意.实施术前术后的CT扫描,获取L1～2节段断层图像各90张,层厚0.75 mm.方法:应用图像分割及三维重建算法提取腰椎组织CT图像中的解剖结构特征,建立了Ll.腰椎组织三维几何模型.在几何模型的基础上,分别建立椎体成形术术前和术后L1-2的腰椎段三维有限元模型.主要观察指标:在椎体的上表面分别施加10 N·m的前弯力矩,观察有限元模型L1～L2段的应力、应变的分布变化.结果:①前弯力矩下,椎体成形术术后椎体的最大应力应变值较术前无明显变化,但应力应变分布都有了明显的改变,骨水泥附近明显增高.②最人的应力值出现在椎间盘卜表面,与其相邻的L2椎体应力明显增高,产生应力转移的现象,容易增加L2椎体压扁变形的破坏性.高应力值出现在腰椎前部,表示前部受到较大的应力导致变形.结论:建立了椎体成形手术前后L1～2段椎体三维有限元模型,证实骨水泥能在一定程度上恢复椎体单元的硬度和强度.     

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.     

Tiotidine and cimetidine--kinetics and dynamics

Tiotidine and cimetidine kinetics and dynamics were compared to assess mechanisms of the longer duration of effect of tiotidine in man. Both drugs has similar lag times for absorption. Tiotidine with a meal was more slowly absorbed than when fasting and was also more slowly absorbed than cimetidine with a meal. The elimination rates for both drugs did not differ; they were both approximately 2 to 3 hr. Oral doses of cimetidine achieved areas under the plasma concentration curve approximately three times that of tiotidine but these concentrations were only 1/10 as potent. The cimetidine concentration inducing 50% inhibition of food-stimulated gastric acid secretion was 0.41 +/- 0.04 whereas it was 0.04 +/- 0.003 microgram/ml for tiotidine. The effect of tiotidine lasted longer than that of cimetidine because the doses recommended for use in man resulted in higher concentrations in plasma relative to effective concentration than clinical doses of cimetidine.