椎板切除对腰椎融合后邻近节段生物力学的影响

目的从生物力学角度研究后路不同程度椎板切除对腰椎融合手术后邻近节段的影响。方法在完整腰椎有限元模型基础上,建立3种椎板切除程度不同的手术模型:双侧小关节切除(Bi-TLIF)、半椎板切除(PLIF)、全椎板切除(LAM-PLIF)。对不同模型在生理载荷下的生物力学响应进行研究,对比手术模型椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力相对于正常模型的变化。生理载荷采用400 N随动载荷+7.5 N·m力矩的方式施加在L1节段上终板上,加载过程中对骶髂关节面上的6个自由度保持约束。结果前屈状态下,手术组Bi-TLIF、PLIF、LAM-PLIF相邻节段L3～4生物力学变化明显,其椎间活动度比正常组依次增大1.0%、9.3%和24.5%,而椎间盘内压依次增大1.4%、4.3%、10.0%,在其他姿态下影响不明显。对于小关节接触力,Bi-TLIF、PLIF在L3～4节段有明显增加,而在L5～S1节段则不明显。结论椎板切除会增加腰椎融合手术后的邻近节段椎间活动度、椎间盘内压以及小关节接触力,这些生物力学变化可能会增大邻近节段退变的风险。椎板切除范围越大,对邻近节段产生的影响越大。因此,更多地保留后部结构复合体,对于减少腰椎融合后邻椎病的发生具有积极的意义。     

第5腰椎椎板下缘的观测与临床应用

~~第5腰椎椎板下缘的观测与临床应用@王大伟$聊城市人民医院!山东聊城252000 @苑振峰$聊城市人民医院!山东聊城252000 @狄玉进$聊城市人民医院!山东聊城252000 @徐金法$聊城市人民医院!山东聊城252000~~     

腰椎板切除对腰椎稳定性影响的实验研究

本文以人体新鲜尸体的完整腰椎为实验标本，采用生物力学测定的方法对切除不同节段腰椎椎板后，腰椎稳定性所受影响进行了定性、定量的研究。从而得出结论，腰椎椎板切除将影响腰椎的稳定性。但稳定性破坏的大小，不随腰椎板节段切除的多少而变化。     

腰椎板切除对腰椎稳定性影响的实验研究

本文以人体新鲜尸体的完整腰椎为实验标本，采用生物力学测定的方法对切除不同节段腰椎椎板后，腰椎稳定性所受影响进行了定性、定量的研究。从而得出结论，腰椎椎板切除将影响腰椎的稳定性。但稳定性破坏的大小，不随腰椎板节段切除的多少而变化。     

腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析

背景:目前腰椎椎体间融合被广泛应用于多种腰椎疾患的治疗。然而,如何降低假关节形成、螺钉松动断裂以及cage失效等术后并发症仍然是一个严峻的挑战。目的:分析腰椎总体活动度对椎间植骨、cage以及钉棒系统应力应变的影响,从而更好地指导患者进行术后腰椎活动以降低假关节形成及器械失效的风险。方法:利用Mimics、3-Matic、HyperMesh以及Abaqus软件构建完整的人L1-S1有限元模型,并模拟经椎间孔腰椎椎体间融合术。比较施加弯矩前后椎间植骨平均应变、cage以及钉棒系统的峰值应力,并分析其随腰椎总活动度的变化趋势;绘制相应的应力云图以观察应力分布。结果与结论:①与单纯施加垂直压缩载荷相比,施加弯矩后椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力分别增加了2.6%-55.3%,65.6%-166.8%及36.0%-353.4%;②随着总活动度的增加,椎间植骨平均应变在左右旋转工况下呈非线性增加并得到最大值,而cage与钉棒系统的峰值应力在左右侧弯工况下呈线性增加并得到最大值;③椎间植骨与cage的应力分布和工况有关,而钉棒系统应力主要集中于螺钉与骨质结合部及螺钉与棒连接处;④因此术后增加轴向旋转活动可能降低假关节形成的风险,而减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。     

腰椎行椎间孔入路椎间融合术固定的有限元分析

目的 利用有限元方法分析经单侧椎间孔入路腰椎间融合术治疗腰椎退行性病变的临床可行性。方法 基于正常人L3~5节段的CT扫描数据,利用Mimics、Pro/E、ANSYS软件分别建立L3~5正常生理状态有限元模型、L4/5左单侧椎弓根螺钉内固定加椎间融合器模型(单侧TLIF)、L4/5双侧椎弓根螺钉内固定加椎间融合器模型(双侧TLIF)。在L3上表面施加500 N的人体重力和10 N?m力矩,模拟人体直立、前屈、后伸、左侧弯和右旋5种生理活动,观察不同工况时椎体、椎间盘、螺钉及融合器上变形及应力分布情况,比较两种固定方法力学性能上的差异。结果 各种工况下单侧TLIF、双侧TLIF的L3~5节段变形量均较生理状态模型减少,单侧TLIF、双侧TLIF模型均在后伸运动时融合器的应力达到最大值,且单侧TLIF模型椎弓根螺钉上的应力峰值在各种工况中均明显高于双侧TLIF,后伸工况时应力峰值达到463.39 MPa。结论 单侧TLIF可作为腰椎退变性疾病的一种固定方法,但应力峰值均明显高于双侧TLIF模型,故系统稳定性差于双侧TLIF模型,提示患者在康复过程中应减少后伸运动,以免发生手术失效或螺钉断裂。     

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。     

后路椎间融合术后全腰椎模态分析

目的研究日常生活中振动环境对后路椎间融合术患者的影响。方法建立正常全腰椎和固定L4～5节段全腰椎有限元模型,在L1上终板添加40 kg质量点,并进行模态分析。结果与正常全腰椎相比,后路椎间融合术后全腰椎的各阶共振频率均降低,对应振型的主运动也发生改变;术后模型第1、2阶固有频率分别为2.94、3.81Hz,均接近日常生活中的振动频段;在前3阶振型中,术后模型L2和L3节段后部单元振幅均增大,增大了该部位术后退变的风险,L3～4节段椎间盘振幅明显增大,特别是该椎间盘靠近L3节段的部分,可能会增大其应力和应变,进而加速其退变。结论基于后路椎间融合术后腰椎的模态分析,研究融合术后腰椎振动特性的变化,为术后患者恢复和健康生活提供一定理论指导。     

有限元模拟单通道分体内镜下双侧腰椎管减压对腰椎生物力学的影响

背景：单通道分体内镜技术单侧入路双侧减压手术作为后侧入路脊柱内镜下治疗椎管狭窄症的前沿技术,远期疗效有待进一步观察,对术中切除范围的研究少有报道,且目前鲜有生物力学以及有限元分析的相关研究报道。目的：通过建立三维有限元模型评估单通道分体内镜下双侧腰椎管减压对腰椎活动度和椎间盘内压力的影响,为临床手术提供建议,为进一步临床研究提供理论基础。方法：通过9名健康志愿者CT图像重建完整的L3-L5椎体模型,作为术前模型M1,对L4-L5进行模拟手术切除,分别切除双侧关节突关节1/4,1/3,1/2,获得模型M2、M3、M4。在前屈、后伸、左右弯曲、左右旋转6个不同方向比较4个模型的关节活动度和纤维环应力(Von Mises)最大值。结果与结论：(1)此研究建立的L3-L5有限元模型具有较好的仿真性和可靠性,在6个活动状态下关节活动度处于以往实体研究的区间范围内;(2)与M1模型比较,M2、M3、M4模型L4-L5腰椎活动度在前倾、左右弯曲、左右旋转载荷下随着切除范围增大而增大,差异有显著性意义(P <0.05);在后伸载荷下,M1与M2的腰椎活动度比较差异无显著性意义(P> 0.0...     

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。     

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1~5节段有限元模型,对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态,获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中;各阶模态最大振幅急剧变化,L5节段腰椎附近的振幅较大,是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数,对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。     

全腰椎三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立全腰椎及骶椎的有限元模型,为分析L4～5之间纤维环易破裂的病理提供可靠的模型。方法利用健康成人椎骨的CT影像,采用Mimics医学图像处理软件和Geomagic逆向工程软件建立L1～S1椎骨和椎间盘三维模型,再导入有限元软件Hypermesh中划分网格,并附加腰椎相关韧带,赋予材料属性,建立边界条件,构建腰椎加骶椎有限元模型;模拟腰椎受轴向压力、前弯、侧弯和后伸4种载荷下的生物力学反应。结果模型在受到10 N.m载荷作用分别发生前屈、侧弯和后伸运动下的整体刚度分别为0.61、0.7和0.75 N.m/(°),与实验结果较为吻合;轴向施加力和弯矩时L4～5之间的纤维环应变较大;纤维环在各种载荷下均出现较明显的应力集中。结论 L4～5之间纤维环局部应力集中和应变较大是导致其易破裂的原因之一;所建立的L1～S1椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特性,可用于脊柱生物力学的进一步研究。     

两种术式髓核摘除对腰椎生物力学影响的有限元分析

目的评价两种术式髓核摘除对腰椎节段稳定性和纤维环应力的影响。方法在L4-5节段三维有限元模型上分别模拟骨性椎板开窗髓核摘除和椎板间隙开窗髓核摘除,施加不同类型载荷,观察节段间旋转角度和纤维环最大应力的改变。结果骨性椎板开窗髓核摘除后,腰椎节段在前屈和后伸载荷下旋转角度分别增加31%和28%,纤维环最大应力分别增加16%和6%;椎板间隙开窗髓核摘除后,腰椎节段在前屈和后伸载荷下旋转角度分别增加33%和39%,纤维环最大应力分别增加17%和0.2%。两种术式髓核摘除后,纤维环的应力分布均没有发生改变。结论和椎板间隙开窗相比,骨性椎板开窗髓核摘除能更好地保持腰椎的后伸稳定性,但后伸时纤维环承受的应力明显增大。     

腰椎疲劳骨折的有限元分析

目的：了解腰椎疲劳骨折后各结构力学变化。方法：建立腰椎三维有限元模型模拟腰椎疲劳骨折的载荷状态。结果：骨折后各结构位移增加,椎间盘膨出半径增大,皮质骨,松质骨,裂纹两端应力增加。结论：腰椎疲劳骨折后各结构应力增加,小梁裂纹表现出明显的裂纹扩展趋势,增大的椎间盘膨出半径是引起下腰痛的主要原因。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

有限元分析在腰椎手法治疗中的生物力学研究进展

中医腰椎手法在腰痛等慢性损伤性腰椎病的疼痛治疗中有明显的临床优势,但其基础研究不足是限制手法进步的重要因素。利用有限元技术能够很好地模拟各类腰椎手法的力学状况,分析其作用机制,验证假说,规范手法操作,定量、定性和优化治疗方案,为手法治疗的基础研究提供有效的研究方法。通过回顾近年腰椎手法治疗的有限元研究,探讨不同腰椎手法对椎间盘、附属结构、脊柱负荷以及椎体力学稳定性的影响,结果发现目前关于腰椎手法的有限元研究有待于对模拟方法进行标准化和精确化,同时可进一步推广有限元的研究思路,更好地指导中医腰椎手法的临床运用。     

腰椎有限元模型建立方法的研究

目的介绍一种基于CT扫描图像重建腰椎有限元模型的方法。方法通过CT扫描获得人体腰椎断层图片,在Mimics 10.0软件及Patran-Nastran中进行腰椎有限元建模,在此模型的L3椎体上表面加载500N轴向压力以模拟正常人站立时的情况,再分别在15NM力矩下进行屈、伸、侧弯以及扭转四个动作来验证模型的有效性。结果建立的腰椎有限元模型各方向的位移与符合真实情况,并且椎间盘应力分布接近现实。结论利用CT扫描技术建立限元模型的方法精确有效。     

Reconstruction of a human ligamentous lumbar spine using CT images — A three-dimensional finite element mesh generation

Detailed investigation on biomechanics of a complex structure such as the human lumbar spine requires the use of advanced computer techniques for both the geometric reconstruction and the stress analysis. In this study, an automated scheme is developed to generate the required three-dimensional finite element grid of a human ligamentous lumbar spine. The computer-based medical images (CT-scans) of a cadaveric lumbar spine are used to automatically reconstruct the geometry and the grid of the tissues. The data are then transferred to a mainframe computer in a format suitable for an existing nonlinear finite element code. The process has been designed to allow for a number of user-defined parameters such as the number of elements representing the intervertebral discs and the degree of smoothing of the facet articulating surfaces. This finite element mesh can be used for a detailed stress analysis of the human lumbar spine to understand its mechanical function in both normal and perturbed states. The developed interactive system is also helpful from a diagnostic point of view. The present work is supported by the Medical Research Council of Canada (MA-10705).     

Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立

目的构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型,为临床应用提供生物力学基础。方法 8例志愿者采用连续螺旋CT扫描,将获得的断层Dicom格式图像,导入Materialise Mimics10.01软件,定义骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、三维重建L4、5椎体及椎间盘三维模型,将重建的模型以.stl格式保存,导入Materialise3-Matic4.3软件,进行三角面片优化;在AutoCAD 2009软件中建立Wallis系统模型,以.stl格式保存,导入Materialise 3-Matic4.3软件,进行三角面片优化,将重建的Wallis模型按标准手术模式与腰椎模型拟合,导入Ansys10.0软件进行赋值和网格划分,生成有限元模型。结果重建的三维模型可以精确的模拟Wallis非融合系统固定情况。结论应用CT扫描技术,图像Dicom标准,Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立更加快捷、精确。