PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换后椎体应力及关节突关节间压力有限元分析

目的:分析PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘对椎体的应力和关节间压力作用,了解节段间运动载荷传递方式及作用机制。方法:通过实体CT扫描方式建立颈4~5节段PrestigeTM-LP人工椎间盘置换有限元模型。生理载荷下前屈、后伸、左侧弯、左轴向旋转时测量颈5椎体应力和颈4-5关节突间压力变化。结果:运动加载后C5椎体应力均有不同程度增大,表现出与运动加载方向一致的应力偏移改变。相比于前屈,后伸时双侧关节突间压力明显增大。左侧弯时左侧关节突间压力增大,左轴向旋转时右侧关节突间压力明显增大。结论:采用有限元模型进行骨性结构的应力及压力分析具有形象及精确的优点。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换有效地起到椎体间应力传递和保留关节突关节间压力作用,具有接近正常颈椎的生物力学特性。     

不同单节段颈椎前路椎间融合系统对邻近节段的生物力学影响

目的对比Zero-P零切迹颈椎前路椎间融合固定系统和Cage-Plate融合系统对相邻节段的生物力学影响,为单节段颈椎病的治疗远期临床疗效提供参考。方法选择正常人CT扫描数据建立颈椎C1~7有限元模型,在验证模型的有效性后,分别建立在颈椎C5~6植入Zero-P和Cage-Plate融合系统的有限元模型。分别加载1.5 N·m扭矩模拟颈椎前屈、后伸、侧弯和旋转运动,对比正常情况下颈椎和分别植入Zero-P与Cage-Plate融合系统后相邻节段活动范围(range of motion,ROM)变化和椎间盘髓核、纤维环、终板及小关节上的应力。结果两种颈椎融合器植入后,C4~5椎间ROM增大20%,但C6~7椎间ROM增大120%,C4~5、C6~7髓核上的应力分别增大78%、110%,相邻节段终板和纤维环上的应力均有所增大。结论 Cage-Plate和Zero-P融合系统植入后均会引起相邻节段ROM增大,以及相邻椎间盘髓核、纤维环和小关节上应力增大,长远上会引起邻近节段的病变。但Cage-Plate和Zero-P融合系统对邻近节段的生物力学影响没有本质区别。     

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学的有限元分析

目的 研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度（range of motion, ROM）、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法 建立C5~6椎间盘退变3种手术方案：Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果 术后手术节段关节ROM变化：Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力（36.72 MPa）出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力（42.66 MPa）。结论 人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

人工椎间盘植入术后颈椎邻近节段生物力学变化的有限元分析

目的研究人工椎间盘植入术后邻近节段的运动范围及椎间盘应力改变。方法将接触问题引入生物建模,建立正常全颈椎有限元模型,模拟C5/6椎间植骨融合和C5/6人工间盘植入,分析两种状态下其相邻节段的运动范围及椎间盘的应力改变。结果(1)所建立模型包含了韧带、关节囊及其他软组织结构,而且真实细腻,准确度高;(2)椎间植骨融合术后邻近椎间隙运动范围增加,相应椎间盘应力明显增大,上位节段髓核与纤维环的应力约增加70%,而下位节段髓核与纤维环应力约增加40%;(3)人工间盘植入后颈椎运动范围除仅后伸受限(P(0.05)外,邻近节段椎间盘应力增加不超过10%。结论植入的颈椎人工间盘可在一定程度上降低相邻椎体节段的应力,且有利于改善颈椎的活动度。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。     

ROI-C椎间融合器植入对颈椎生物力学的影响

目的研究ROI-C椎间融合器植入颈椎C5~6节段后对下颈椎C3~7整体关节活动度(range of motion,ROM)、椎间盘与椎体生物力学特性及力传导模式的影响。方法采用ROI-C植入和植骨融合钢板内固定两种术式建立颈椎C5~6节段退行性病变的有限元模型,分析两种术式下C3~7颈椎段在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时ROM以及椎间盘、椎体和内植入器械的应力分布情况。结果 ROI-C植入后对邻近节段ROM的影响相对较小,减小了椎间盘的负荷,但椎体应力显著增加,C5椎体应力增加了251%。植骨融合内固定后,手术节段ROM减小86%~91%,邻近节段ROM以及椎间盘和椎体应力均明显增加。结论 ROI-C植入对颈椎ROM和椎间盘应力的影响较小,对椎体应力的影响较大。研究结果可为ROI-C植入和植骨融合钢板内固定临床植入手术方案的设计和研究提供理论依据。     

颈椎连续三节段 Hybrid 手术与融合术的生物力学研究

目的 比较颈椎连续三节段Hybrid手术[颈前路减压植骨融合(anterior cervical discectomy and fusion, ACDF)+人工颈椎间盘置换(cervical disc arthroplasty, CDA)]与三节段ACDF对颈椎生物力学的影响。方法 基于CT数据建立C1～T1颈胸椎有限元模型,通过植入Prestige LP和Zero-P假体模拟3种模型,包括两种Hybrid模型(AFA:C3～4、C5～6节段植入Prestige LP,C4～5节段植入Zero-P;FAF:C3～4、C5～6节段植入Zero-P,C4～5节段植入Prestige LP)和三节段ACDF模型(FFF)。比较各模型前屈、后伸、侧弯以及轴向旋转时相邻节段及整体活动范围(range of motion, ROM)以及相邻节段椎间盘内压力(intradiscal pressure, IDP)及小关节接触力(facet contact force, FCF)的变化。结果 AFA模型相邻节段及整体ROM都更接近完整模型,FAF、FFF模型相邻节段ROM最大增幅分别为15.0%和23....     

动态稳定器植入术后颈椎生物力学的有限元分析

本文研究动态稳定器(DCI)植入术对下颈椎邻近节段的关节活动度(ROM)、椎间盘与椎体的生物力学特性及力传导模式的影响。首先采用DCI植入和椎间植骨融合两种术式建立颈椎C5、6节段退变治疗的有限元模型,分析两种术式下C3~7段颈椎在前屈、后伸、侧弯和旋转时的ROM及椎间盘和椎体的应力分布情况。结果表明DCI植入后手术节段ROM保留效果明显(减小幅度25%),对邻近节段运动学特性影响较小。植骨融合后手术节段的ROM丧失86%~91%,邻近节段的ROM和椎间盘、椎体应力均显著增加,C5椎体应力增加达171.21%。因此DCI植入对颈椎ROM和应力影响较小,本文结果可为DCI植入与植骨融合的临床手术提供理论依据。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学特性的有限元分析

目的研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度(range of motion,ROM)、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法建立C5~6椎间盘退变3种手术方案:Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果术后手术节段关节ROM变化:Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力(36.72 MPa)出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力(42.66 MPa)。结论人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

C 5/6 椎间隙不同撑开高度对临近椎间盘压力的研究分析

目的　研究C5/6椎间隙不同撑开高度对临近椎间盘压力的影响,以期能对临床工作中选择合适的椎间撑开高度提供依据。 方法　选取6具新鲜成人尸体上的颈椎制作标本,将制作好的标本放在BOSE动/静态材料试验机上加载中立、屈伸、侧弯、旋转的多维运动,分别测试在不同运动载荷下C5/6椎间隙撑开前,C5/6椎间隙撑开基准高度100%、120%、140%、160%时C4/5及C6/7椎间盘压力变化,对测得的压力值进行多重统计学比较分析。 结果　所有撑开器位置安装满意,统计分析显示：6例标本C5/6的平均高度值为6.8 mm;在不同椎间撑开高度下,颈椎后伸30°位时椎间盘压力最小(P<0.05),有统计学意义;在120%的基准高度时,颈椎后伸30°位、左右侧弯30°位时C4/5与C6/7椎间盘压力值分别比其它基准高度测得压力值小(P<0.05),有统计学意义;颈椎中立位时C4/5与C6/7椎间盘压力均小于100%、140%、160%时基准高度测得压力值,而大于未撑开前测得的椎间盘压力值;左右侧屈时,120%平均高度时C4/5,C6/7椎间盘压力值小于140%平均高度(P<0.05),且两者与其他3种高度两两比较均有显著性差异(P<0.05);左右旋转：各状态两两比较无显著差异(P>0.05);1例标本在撑开160%的基准高度行前屈30°位时,出现关节突的关节囊韧带轻微撕裂。 结论　C5/6椎间盘摘除行椎间植骨时,选取基准高度的120%作为椎间隙撑开高度,对临近椎间盘压力变化影响较小,为合适的椎间隙撑开高度。     

后纵韧带硬化对颈椎力学影响的三维有限元分析

目的利用三维有限元分析探讨后纵韧带(posterior longitudinal ligament,PLL)硬化后对颈椎生物力学的影响,分析探讨其可能引起的颈部稳定性改变。方法对1位健康成年男性进行颈部CT及MR扫描,获取C1—C7节段的断层图片,采用MIMICS(Version 12)软件对颈椎图像进行三维重建,用HYPERMESH 10.0软件对三维几何进行网格划分,后处理计算软件为LS-DYNA3D 971。模型开发和模拟计算在Dell Power Edge 12G M420刀片式服务器上进行,并固定C7,对C1进行前屈、仰伸及轴向旋转运动,加载力矩为3 N·m。比较在前屈、仰伸及旋转运动下,正常以及PLL硬化后颈椎有限元模型的生物力学改变对颈部稳定性的影响。结果颈椎前屈运动中,PLL硬化后椎间盘纤维环最大应力减小6%。颈椎仰伸运动中,PLL硬化后髓核最大应力降低约11%,椎小关节最大应力增大约15.7%。颈椎旋转运动中,PLL硬化椎间盘纤维环最大应力降低24%,最大应力集中在C4/5纤维环旋转方向侧;髓核最大应力降低25%,且最大应力位置由C2/3髓核上方下移至C6/7髓核下方;椎小关节最大应力下降10%。结论 PLL硬化后,前屈及旋转运动使PLL承载更多的力,可能加重已有病变或引起继发损伤;仰伸运动会使最大受力部位转移到椎小关节,导致继发性椎小关节损伤的可能性增加。     

颈椎前路钢板并轴向螺钉固定治疗屈曲牵张型损伤的解剖学研究

目的　提出一种联合颈椎前路钢板固定治疗屈曲牵张型颈椎损伤的新术式-颈椎轴向螺钉固定术,进行解剖学可行性研究。 方法 随机调取50例正常成年志愿者的颈椎侧位片。年龄22～48岁,平均28岁。通过JW-PACS图像系统,测量C2～6椎体高度;C2/3～C5/6椎间盘高度以及椎间盘矢径;并模拟轴向螺钉固定,即下位椎体前下缘至上位椎体后上缘的连线,测量轴向螺钉最大长度、头倾角以及植骨块深度等。采用一例防腐成人尸体标本,在C臂X线机透视下,模拟颈椎前路钢板固定并颈椎轴向螺钉固定术。 结果 轴向螺钉最大长度为(41.18±3.92)mm,轴向螺钉头倾角为（25.21±3.58）°。植骨块合适深度应小于椎间盘矢径（17.09±1.50）mm,且大于（11.69±1.63）mm,即略大于12 mm。尸体模拟手术表明,颈椎前路轴向螺钉固定在C2/3、C3/4、C4/5、C5/6均可以顺利完成, C6/7节段由于胸骨阻挡,无法进行轴向螺钉固定。 结论 颈椎前路钢板并轴向螺钉固定术治疗屈曲牵张性损伤具有操作可行性。     

颈椎拔伸旋转手法内在应力的实时监测

目的研究颈椎拔伸旋转手法内在应力的分布特点。方法应用有限元分析软件在颈椎CT片基础上逐步重建C3/4～C6/7颈椎模型并网格化。将颈椎拔伸旋转手法分解后的各项力学参数代入模型进行计算分析,即时显示手法作用时模型内在应力的变化。结果拔伸过程,模型应力集中的区域及大小呈由大减少再增大的趋势,应力主要在C3/4关节突关节;拇指向左推C4棘突过程中,C4棘突的左下部、根部、棘突左侧根部与椎弓根结合处先后出现应力集中,最大应力为9.627kPa;颈椎向右旋转40°的过程中,C3～6双侧关节突关节,C4～6的椎弓、棘突根部、二者结合处及椎体侧方等都先后出现应力集中,右侧C3/4关节突关节应力最大,为363.6kPa。颈椎快速返回中立位,模型应力集中的区域及大小均快速减少。结论颈椎拔伸旋转手法下的颈椎有其独特的应力变化规律。关节突关节在颈椎活动中承受主要应力。右旋40°时模型所受压力最大,但不会损伤正常颈椎骨性结构。     

轴向振动时节段曲度对腰椎间盘应力演化的影响

研究人体腰椎运动节段承受长期轴向振动载荷时节段曲度对腰椎间盘应力演化的影响。基于人体腰椎L4～5节段CT扫描数据,建立人体腰椎L4～5节段的有限元模型。对腰椎间盘赋予多孔材料属性,并验证有限元模型的有效性。基于有限元模型,模拟L4～5节段以3种不同节段曲度(中立位、伸展2°、弯曲2°)承受时长为1 000 s的轴向振动的过程,得到这3种节段曲度下腰椎间盘的应力演化情况。各个曲度下腰椎间盘纤维环部分的峰值轴向应力均出现在其后外侧。在受载过程中,各个曲度下纤维环峰值轴向应力均呈非线性增大,且增速不断减小,至1 000 s时已趋于稳定。1 000 s时,伸展2°下纤维环峰值轴向应力比中立位下大39%,比弯曲2°下大109%。在受载过程中,各个曲度下髓核轴向应力亦呈非线性增长,增速不断减小。1 000 s时,伸展2°下髓核的轴向应力略小于其他两种情形。当L4～5节段以伸展2°的状态受载时,腰椎间盘受到的损伤最为严重;而当其以弯曲2°的状态受载时,腰椎间盘受到的损伤最小。当长时间处于全身振动条件下时,应尽量避免使腰椎处于向后伸展的姿态,而腰椎的小幅前屈可以保护腰椎间盘。     

不同方式颈椎融合手术对上颈椎Jefferson骨折稳定效果的影响

目的建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折有限元模型,分析后路寰枢椎融合(posterior atlantoaxial fusion,PSF)和枕颈融合(occipitocervical fusion,OCF)对颈椎椎体生物力学特性和钉棒系统力传导特性的影响。方法基于CT图像建立人体上颈椎C0～3节段Jefferson骨折模型,依据临床手术方案实施PSF、OCF1和OCF2内固定术,施加50 N集中力和1.5 N·m力矩于枕骨底部,研究上颈椎C0～3节段在前屈、后伸、侧屈和旋转运动时,颈椎椎体的应力分布和关节活动度(range of motion,ROM)、钉棒系统最大应力以及椎间盘的应力分布情况。结果 OCF1和OCF2椎体ROM较PSF增加,钉棒应力减少,OCF具有较好的固定效果。结论 PSF、OCF1、OCF2固定术式均可减少上颈椎ROM,重建上颈椎的稳定性,使椎体和椎间盘应力分布趋向正常水平。研究结果可为临床手术方案提供理论依据。     

Finite element modeling of multi-level cervical spinal segments (C3-C6) and biomechanical analysis of an elastomer-type prosthetic disc

A three-dimensional finite element (FE) model for the multi-level lower cervical spinal segment C3-C6 has been developed using computed tomography (CT) data, and applied to study of the effects of the fusion and the artificial disc prosthesis on the biomechanical behavior of the lower cervical spine. The NURBS computer adided dedsig (CAD) data used in this study for modeling the vertebrae facilitate adding surface patch layouts for seamless attachment of the soft tissues, such as intervertebral discs onto the vertebrae. A FE model was completed by generating mesh out of this geometry. Its accuracy was validated by comparing with previously published experimental and numerical results for the flexion-extension, axial rotation, and lateral bending moments. An implantation of an elastomer-type disc prosthesis or fused graft between C4-C5 vertebrae was considered in the FE model by modifying the intact disc. It is shown that the fusion reduced the mobility at its level by about 50-70% for the considered loading cases. It is numerically demonstrated that an elastomer with Young's modulus of 5.9 MPa for the artificial disc prosthesis well restores the biomechanical behavior of the intact spine.     

腰椎棘突间Coflex动态固定的三维有限元分析

目的比较腰椎棘突间Coflex动态固定、单纯减压及坚强固定术后各节段活动度及椎间盘应力,分析Coflex系统的生物力学特点。方法运用三维有限元方法建立正常成人腰骶椎模型,及开窗减压、棘突间Coflex动态固定、椎弓根钉棒坚强固定模型,约束骶骨及髂腰韧带,施加500N预载荷和7.5Nm运动附加力,测量腰椎节段各方向的活动度及椎间盘应力。结果 Coflex固定模型活动度和椎间盘应力分别为,植入节段(L4/5):前屈3.15°,2.571MPa,后伸1.21°,2.109MPa;上位邻近节段(L3/)4:前屈3.46°,2.001MPa,后伸2.75°,3.149Mpa;下位邻近节段(L5S1):前屈3.22°,2.681MPa,后伸2.46°,3.812MP。结论 Coflex动态固定可保留植入节段部分活动度并减低其椎间盘应力,而对相邻节段活动度及椎间盘应力无明显影响。     

Validation of a Finite Element Model of the Young Normal Lower Cervical Spine

A Finite Element Model (FEM) of the young adult human cervical spine has been developed as a first step in studying the process of spondylotic degeneration. The model was developed using normal geometry and material properties for the lower cervical spine. The model used a three-zone composite disc annulus to reflect the different material properties of the anterior, posterior, and lateral regions of the annulus. Nonlinear ligaments were implemented with a toe region to help the model achieve greater flexibility at low loads. The model was validated against experimental data for normal, nondegenerated cervical spines tested in flexion and extension, right and left lateral bending, and right and left axial rotation at loads of 0.33, 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 Nm. The model was within in vitro experimental standard deviation corridors 100% of the load range for right and left lateral bending. The model was within 80% of the load response corridors for extension and flexion with a deviation <0.3° from the SD corridors. For axial rotation, the model was within 70% of the SD corridors for left axial rotation within 83% of right axial rotation responses. The deviation from SD corridors for axial rotation was generally <0.2°.