三维有限元分析在颈椎生物力学中的研究现状

有限元分析（finite element analysis,FEA）属于计算生物力学测试技术的范畴,Brekelmans et al（1972年）首次将该方法引入生物力学领域。有限元模型已由二维线性扩展为非线性模型,又由二维线性模型扩展至三维非线性模型,现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟     

颈椎生物力学中的三维有限元分析

生 物 力 学 因 素 在 脊 柱 疾 患 的 发 病 机 制 中 具 有 十 分 重要 的意 义。 随 着对 脊 柱 疾 病的 认 识 不 断深 入 ,对 其 力 学 研究 的要 求也 相 应提 高。有 限元 方 法是 目前 应 用较 广泛 的 一种 数学 计算 方 法,是 矩阵 方 法 在 结构 力 学 和 弹性 力 学 等 领域 中的 发展 和 应用 。基本 原理 是 把一 个由 无 限个 质点 构 成并 且 有 无 限 个 自 由 度 的 连 续 体 划 分 为 有 限 个 小 单 元 体 组成 的集 合体 。 此过 程 称 为 有限 元 模 型 的离 散 化 ,用 这 种 离散 化的 有限 单 元模 型 代 替 原有 …     

应用三维有限元模型研究颈椎不同工况下的生物力学变化

目的 研究颈椎前屈、后伸、侧屈、旋转等多种工况下，钩椎关节、小关节应力规律，从应力角度探讨钩椎关节、小关节退变的生物力学机制。方法 测量尸体颈段脊柱各节点三维坐标，利用SUPER—SAP软件建立机内模型，模拟完整的颈段脊柱力学模型。通过测量求得力矩值，直接或根据力矩等价公式间接将肌力值加载于模型体表各点。运用颈椎周围不同肌肉对颈椎作用力的变化，模拟正常活动范围内颈椎前屈、后伸、侧屈、旋转等多种工况。分别计算并得出相应载荷下钩椎关节、小关节应力值。结果钩椎关节在各种工况下的受力总体上集中于颈椎中下段。前屈时，由上至下呈现逐渐增大趋势；后伸时，在C4-5，C5-6出现应力集中现象。小关节各种工况下的受力状况总体趋势与钩椎关节相同，前屈时z轴上受到拉应力，后伸时受到压应力，且后伸时承受的拉应力是前屈时承受压应力的2倍多。这说明小关节在后伸时起到承受和传导载荷的作用。结论 不同运动状态下，中下段颈椎的钩椎关节、小关节出现应力集中。     

胸腰椎脊柱损伤的生物力学及有限元分析

在过去几十年里 ,交通事故、坠落等导致脊柱损伤的大量增加 ,对其损伤机制的研究成为临床医师迫切需要解决的问题 ,临床上对脊柱损伤的认识最初来自对脊柱形态学的研究。 5 0年代初 ,Nicoll首先将胸腰椎损伤分为稳定型与非稳定型 ,并对此进行了阐述[1] 。 1 963年 Holdsworth[2 ] 修改并补充了Nicoll的损伤分类 ,根据对 X片的观察 ,提出了暴力类型与脊柱骨折的关系 ,将暴力分为屈曲、屈曲旋转、伸展及压缩四种类型 ,脊柱特定的损伤是由其中一处或两种暴力共同作用的结果。认为脊柱的稳定性取决于后韧带复合体完整。屈曲暴力导致椎体前部压…     

内镜下不同入路腰椎融合术对腰椎生物力学效能影响的有限元分析

【摘要】 目的：通过有限元分析方法探讨内镜下经椎间孔入路腰椎椎间融合术（endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion,Endo-TLIF）与内镜下后路腰椎椎间融合术（endoscopic posterior lumbar interbody fusion,Endo-PLIF）对腰椎生物力学效能的影响。方法：采集1例24岁健康男性志愿者腰椎L3~L5节段CT扫描数据,建立包含L3~L5椎体皮质骨、松质骨及后柱结构的三维有限元模型,通过与以往研究数据对比验证模型有效性。回顾性分析在广州中医药大学第一附属医院行内镜下腰椎融合术（endoscopic lumbar interbody fusion,Endo-LIF）治疗的40例患者的影像学及临床数据,根据手术入路不同分为Endo-TLIF组（n=19）和Endo-PLIF组（n=21）,测量融合器位置、角度并计算关节突关节保留百分比,作为确定有限元手术模型融合器放置位置及角度的依据,最终构建Endo-TLIF+45°融合器、Endo-TLIF+60°融合器、Endo-PLIF+45°融合器、Endo-PLIF+60°融合器4种有限元手术模型。观察融合节段的活动度以及终板、融合器、螺钉、棒、骨-螺钉界面的最大峰值应力。结果：所有手术模型与完整模型相比,手术节段的活动度均显著降低。在所有手术模型中,融合节段终板的最大峰值应力在前屈工况下均显著增加。Endo-PLIF模型的骨-螺钉界面最大峰值应力在左、右旋转工况下较Endo-TLIF模型显著增加（23%~84%）。60°融合器模型的终板及融合器峰值应力均高于45°融合器模型。在左、右旋转工况下,Endo-PLIF模型内固定物和终板的应力较Endo-TLIF模型明显增加。结论：相较于Endo-TLIF,Endo-PLIF手术后内固定周围应力显著增加,尤其在旋转活动方面应力增加幅度更为明显,内固定失败风险更高。     

股骨质量对人工髋关节转换之影响的三维有限元分析

目的 探讨股骨质量对非骨水泥型人工髋关节转换术后稳定性及应力变化的影响。论证三维有限元分析作为个体化假体选择临床前评价手段的可行性及价值。方法 采用三维有限元分析模型,对骨质正常骨与骨质疏松骨进行股骨应力、界面位移的计算,并与实验值比较。结果 正常骨的股骨应力比疏松骨的股骨应力大,非骨水泥有肩托假体（ＮＣＣ）能增加股骨矩处压应力,但同时大粗隆处应力减少。骨质量不同对应力改变的趋势没有影响。骨质量差     

一种新型腰椎峡部裂修复装置生物力学性能的三维有限元分析

目的：应用有限元分析的方法,研究一种新型腰椎峡部裂修复装置的生物力学性能。方法：采集一例健康志愿者腰椎CT数据进行三维重建,构建并验证L3～S1脊柱节段的非线性有限元模型（A）,在此基础上,分别建立L5峡部裂模型（B）、椎弓根螺钉U形棒固定模型（C）、新型腰椎峡部裂修复装置固定模型（D）。将4种模型的S1椎体下表面的自由度进行约束,在L3椎体上表面分别施加500N的轴向压缩力和10N·m的力矩载荷来模拟腰椎前屈、后伸、左右侧弯及左右旋转6种运动状态,比较各有限元模型在不同运动状态下的腰椎活动度（range of motion,ROM）、L5棘突根部应力和峡部的轴向压力。结果：与相关文献数据比较,模型A在L4～L5,L5～S1节段的ROM与既往研究结果相近,证明本模型有效。在六种运动状态下,模型C和模型D的ROM比模型B分别下降了16.46%～55.98%、17.48%～40.65%;模型D的ROM比模型C平均大0.44°。相较于模型C,模型D在前屈、后伸、左右侧弯及左右旋转时,L5棘突的最大应力分别减少了12.71%、54.95%、58.46%、53.97%、46.91%及72.34%...     

人工髋关节假体三维有限元模型构建及其生物力学意义

目的介绍全髋关节置换术三维有限元模型的构建,并通过有限元分析探讨相关的生物力学意义。方法采用功能强大的有限元构建分析软件SolidWorks2006,通过对髋关节假体结构进行拆分,分别将4个部分构建后生成体积进而建立全髋关节假体的三维有限元模型,利用COSMOSWorks2006软件进行计算,采用完全程序自动划分方法,共划分17195个结点、11062个单元,分析模拟坐立位腿交叉动作载荷,髋关节假体的应力分布情况。结果所构建的人工髋关节假体三维有限元模型,逼真反映全髋关节置换术的真实几何形态及其生物力学。结论人工髋关节假体三维有限元模型的构建,可以为进行髋关节置换术的生物力学行为以及进行假体优化设计相关力学基础研究提供精确模型。     

人工腰椎间盘三维有限元模型的建立及其应力分析

目的 研究人工腰椎间盘三维有限元模型的建立及其应力分布。方法 利用有限元软件MSC MARK，建立人工椎间盘及L4-5运动节段的三维模型。并赋予各自生物材料特性，然后模拟腰椎节段的运动，研究人工椎间盘的应力分布。结果 建立了具有相应力学特性人工椎间盘和L4-5运动节段的模型。人工椎间盘的应力分布特点为：（1）在所有的运动状态中，滑动核及盖板的中心部位承受的应力最大，其次为滑动核在运动状态下偏向的部位；（2）滑动核及盖板上表面承受各自的下表面2-3倍的应力；（3）在所有的运动状态中，压缩状态下滑动核和盖板的中心部位承受的应力最大。结论 建立人工腰椎间盘三维有限元模型并进行其应力分析是可行的，结果是可信的。     

腰椎三维有限元模型的建立及应用

本文概述了多种腰椎三维有限元模型的建立。和在各种不同的荷载下，小关节，韧带，髓核，纤维环和椎体的应力和应变，及模拟不同临床情况所出现的不同结果。有限元法为生物力学研究提供了一个很好的手段。     

单侧小关节分级切除对腰椎稳定性影响的三维有限元分析

目的研究单侧小关节分级切除对腰椎稳定性的影响。方法采用三维有限元法建立腰椎活动节段（L4～5）的数学力学模型。结果a）在前屈和后伸状态下,各实验切除组与正常对照组无显著性差异（P〉0．05）;b）在左／右侧弯和左／右轴向旋转状态下,小关节切除1／2以上的各组均与正常组有显著性差异（P〈0．05或P〈0．01）。结论a）单侧小关节分级切除对腰椎节段的前屈、后伸稳定性无显著性影响;b）当腰椎小关节切除范围超过1／2,对腰椎节段侧弯运动有显著性影响,尤其以向对侧侧屈为甚;c）当一侧小关节切除超过1／2后,由于失去了小关节和关节囊的限制,导致腰椎活动节段轴向旋转范围增加显著。     

腰椎"U"形弹性内固定器的研制及力学评价

目的 介绍腰椎"U"形弹性内固定器的研制.并利用有限元方法 对其生物力学特性进行评价.方法 采用镍钛合金设计一种腰椎弹性内固定器.选择1名成年男性志愿者,以L4、5节段为研究对象,采用螺旋CT对其进行层厚1.0 mm的连续水平扫描,借助Mimics 11.11软件,建立L4、5节段三维非线性有限元模型.同时根据椎弓根螺钉、连接棒的几何尺寸及力学参数分别添加螺钉和连接棒模型,建立腰椎"U"形弹性内固定的三维有限元模型,分别施加垂直压缩、前屈、后伸、侧屈及旋转等各种生理载荷,对不同载荷下模型各部分的应力进行观察和分析.结果 弹性内固定系统各部分于垂直压缩时所受应力远小于其他状态(P<0.001);不同载荷下应力主要分布在"U"形弹性棒上,螺钉各部受力较为均匀.结论 腰椎"U"形弹性内固定器设计独特,能减少术后应力遮挡及椎弓根螺钉应力集中.有望成为较好地进行腰椎弹性内固定的一种装置.     

胸腰段三维非线性有限元建模及临床意义

目的建立胸腰段三个椎体节段的三维非线性有限元模型并对模型的有效性进行验证。方法建立T12/L1/L2三个椎体节段的三维非线性有限元模型,该模型分别在垂直压缩力800N作用下,屈曲、后伸、侧弯、扭转力矩作用下,最大力矩皆为16N·m,分析模型的平均刚度、屈曲和后伸力矩与旋转角度的关系,观察椎间盘纤维环上的应力分布情况。结果模型的平均刚度及力矩-旋转角度关系曲线和其他作者的实测法所得结果基本一致;椎间盘纤维环上应力符合临床和其他作者有限元分析所得结果。结论本研究通过一种改良的测量建模法建立的胸腰段有限元模型符合脊柱生物力学的一般特点,可以对胸腰段和胸腰段内固定的生物力学进行研究。     

SOCON内固定术和三种融合方法治疗腰椎滑脱

目的 :观察运用SOCON内固定技术加上后外侧横突间植骨、椎体间植骨和椎体间Prospace界面融合器三种融合治疗腰椎滑脱的临床疗效。方法 :从 1995年 10月～ 2 0 0 0年 9月 ,共 46例 ,用SOCON脊柱内固定行复位和固定 ,2 4例椎体间Prospace界面融合 ,4例行椎体间植骨融合 ,18例行小关节后外侧横突间植骨融合。结果 :45例Ⅰ°、Ⅱ°滑脱患者 ,全部达到解剖复位 ,1例Ⅲ°滑脱复位 70 % ,随访 6～ 60个月 ,平均 2 8个月。X线片显示 46例全部融合 ,未形成假关节 ,复位和椎间高度无丢失 ,未出现螺钉松动和折断征象。临床症状 :优 18例 ,良 2 6例 ,可 2例。结论 :SOCON内固定系统具备复位良好、固定确定。三种融合方法均取得满意融合率。     

非融合棘突间撑开器治疗腰椎早期退变性腰痛的三维有限元分析

目的建立非融合棘突间撑开器(IPD)及腰椎L4、5节段有限元模型,对撑开器植入前后力学环境进行研究。方法腰椎行CT扫描,根据CT生成实体模型,与撑开器模型一起导入PATRAN生成有限元模型,施加中立位及后伸负荷分析椎间盘受力。结果中立位负荷时IPD受力小;后伸时IPD可分担椎间盘负荷,但L5椎弓根负荷增大。结论基于CT及CAD可建立非融合棘突间撑开器及腰椎的有限元模型,棘突间撑开器可分担后伸时椎间盘的负荷,但可能会增加L5椎弓根崩裂的危险。     

Finite Element Analysis of the Hip and Spine Based on Quantitative Computed Tomography

Quantitative computed tomography (QCT) provides three-dimensional information about bone geometry and the spatial distribution of bone mineral. Images obtained with QCT can be used to create finite element models, which offer the ability to analyze bone strength and the distribution of mechanical stress and physical deformation. This approach can be used to investigate different mechanical loading scenarios (stance and fall configurations at the hip, for example) and to estimate whole bone strength and the relative mechanical contributions of the cortical and trabecular bone compartments. Finite element analyses based on QCT images of the hip and spine have been used to provide important insights into the biomechanical effects of factors such as age, sex, bone loss, pharmaceuticals, and mechanical loading at sites of high clinical importance. Thus, this analysis approach has become an important tool in the study of the etiology and treatment of osteoporosis at the hip and spine.     

三种人工髋关节的生物力学分析

目的　报告三种人工髋关节生物力学测试结果。方法　设计了直柄加栓固定式人工髋关节 ,其特点是假体柄为直柄。直柄的头端外侧有一直径约 5mm的贯通性螺孔 ,与相应的螺栓相匹配。并对其进行了生物力学测试 ,方法是将 15根新股骨标本在股骨距上 12mm处截骨后随机分为安装弯柄髋关节 ,直柄髋关节和直柄加栓髋关节和正常对照共 4组 ,实验组每组 5具标本 ,对照组为截骨前 15具标本 ,模拟单足站立位 ,进行 15 0N、 30 0N和 45 0N加载 ,对相应部位的电应变进行测量 ,结果　1、各组应变值与载荷的大小量呈正线性相关。 2、在各测点中股骨距、股骨外侧和大转子处应变值变化最为明显。 3、在三个实验组中弯柄组应变值变化最大 ,直柄加栓组与对照组应变值较为接近。结论　直柄加栓人工髋关节符合生物力学要求。     

The Biomechanical Effects of Different Bag‐Carrying Styles on Lumbar Spine and Paraspinal Muscles: A Combined Musculoskeletal and Finite Element Study

ObjectivesBags such as handbags, shoulder bags, and backpacks are commonly used. However, it is difficult to assess the biomechanical effects of bag‐carrying styles on the lumbar spine and paraspinal muscles using traditional methods. This study aimed to evaluate the biomechanical effects of bag‐carrying styles on the lumbar spine.MethodsWe developed a hybrid model that combined a finite element (FE) model of the lumbar spine and musculoskeletal models of three bag‐carrying styles. The image data was collected from a 26‐years‐old, 176 cm and 70 kg volunteer. OpenSim and ABAQUS were used to do the musculoskeletal analysis and finite analysis. Paraspinal muscle force, intervertebral compressive force (ICF), and intervertebral shear force (ISF) on L1 were calculated and loaded into the FE model to assess the stress distribution on the lumbar spine.ResultsDifferent paraspinal muscle activation occurred in the three bag‐carrying models. The increase in the ICF generated by all three bags was greater than the bags'' weights. The handbag produced greater muscle force, ICF, ISF, and peak stress on the nucleus pulposus than the backpack and shoulder bag of the same weight. Peak stress on the intervertebral discs in the backpack model and the L1–L4 segments of the shoulder bag model increased linearly with bag weight, and increased exponentially with bag weight in the handbag model.ConclusionUnbalanced bag‐carrying styles (shoulder bags and handbags) led to greater muscle force, which generated greater ICF, ISF, and peak stress on the lumbar spine. The backpack produced the least burden on the lumbar spine and paraspinal muscles. Heavy handbags should be used carefully in daily life.