有限元分析过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的椎间盘动态力学

摘要 目的 利用有限元分析法研究过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折椎间盘的动态生物力学特性。方法 依据1例T12椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom3.0标准的CT图片建立T12椎体单纯压缩性骨折的有限元模型,在对建立的模型的有效性进行验证后模拟过伸复位手法,约束L2下端所有面,给T11椎体上端一个纵向牵引力,分别于T11、T12、L1椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3.0㎝的位移。程序运算,读取受压椎骨上下椎间盘的受力情况。结果 建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型,复位手法作用后椎间盘发生明显的牵张,在不同的过伸支点椎间盘的受力不同。结论 过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折疗效确切,椎间盘在骨折复位中发挥重要作用,利用有限元分析法研究传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点。     

过伸复位治疗胸腰椎单纯压缩性骨折的有限元分析

背景：过伸复位被中医骨伤科临床广泛用于治疗胸腰椎单纯压缩性骨折,其生物力学机制研究尚显不足。 目的：应用有限元分析方法探讨了复位过程中各结构的力学特性以及整体的应力特点。 方法：依据1例T12椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom3.0标准的CT图片建立T12椎体单纯压缩性骨折的有限元模型,在对建立的模型的有效性进行验证后模拟过伸复位手法,约束L2下端所有面,给T11椎体上端一个纵向牵引力,分别于T11,T12,L1椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3.0 cm的位移。程序运算后读取压缩椎骨外形改变和应力分布。 结果与结论：建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型,复位手法作用后压缩的椎骨表现出明显的过伸,在复位过程中表现的复位机制与传统的生物力学实验相同。利用有限元分析法研究传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点,可广泛应用于骨折手法复位机制的研究。     

基于正常人体资料建立胸腰椎多椎体压缩性骨折三维有限元模型

摘要: 目的 探讨基于正常人体资料建立胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型的方法及临床意义。方法 将健康志愿者扫描所得的胸腰段210层Dicom格式CT图像直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,直接导入Ansys划分体网格,再将体网格转入Mimics根据CT值给于赋值,再次导入Ansys添加韧带、关节约束后生成三维有限元模型。在生成的模型上约束L1下端、在T12上缘由前向后施加位移载荷,运算求解。将单纯T12 L1双椎体压缩性骨折患者的CT扫描图片按同法建立有限元模型,并将两骨折模型施加压力验证其有效性。结果 建立了外形逼真、生物力学特性全面的胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型。结论 应用正常人体原始资料依据骨折受伤机制构建相应骨折有限元模型的方法科学有效。     

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T12-L1-L2骨质疏松性椎体的三维有限元模型。模拟L1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(L1椎体高度较正常降低10%,代表骨折椎体复位),在L1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,L1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 L1椎体压缩性骨折模型相比,L1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,T12椎体下位终板和L2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。     

伤椎椎弓根置钉治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析*

背景：有文献报道伤椎置钉技术较传统4钉跨阶段固定具有更强的牢固性,可有效避免内固定的松动断裂,但其生物力学机制研究尚显不足。 目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎附加椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。 方法：将一T12椎体压缩性骨折患者脊柱胸腰段超薄CT扫描数据输入Mimics软件中,构建T12椎体压缩性骨折的有限元模型,在此模型基础上模拟伤椎置6钉和跨节段4钉内固定,对两个模型分别施加垂直压缩、前屈、后伸、左屈及右旋载荷。 结果与结论：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部,在垂直载荷下,螺钉的应力最小,右旋和左屈载荷下的应力最大;在垂直压缩、前屈、后伸、左侧弯及右旋运动下,上位螺钉较下位螺钉应力大(P < 0.05)。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小(P < 0.05)。两组T11椎体最大位移无差别。表明伤椎附加椎弓根螺钉置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

胸腰椎骨折治疗中置入AF内固定系统的应用要点

探讨AF内固定系统置入治疗胸腰椎骨折复位中的效果。AF内固定系统既能起到固定作用，又能起到复位作用，对大部分脊柱爆裂性骨折通过脊柱过伸或器械撑开使椎管内和椎体前缘的骨折块复位或部分复位，在一定程度上缓解对神经的压迫。通过脊柱的前后纵韧带和椎间盘的纤维环的牵拉作用使塌陷的椎体复位，恢复脊柱的生理曲度和伤后椎体的高度，维持脊柱的稳定性，早期进行功能锻炼，促进骨折后愈合及减少并发症的发生。AF内固定系统置入在治疗胸腰椎骨折时，重要的问题是进钉、复位、牵张、融合均需在宿主骨骼运动生物力学基础上完成，并且在整个置入过程中应始终关注和存在着置入物与宿主的生物相容性问题。     

椎体后凸成形与后伸体位恢复骨质疏松性压缩骨折椎体高度12例

2007-03/2008-12东莞市人民医院骨科行球囊扩张椎体后凸成形治疗椎体压缩骨折患者12例,平均年龄71岁,其中女性患者8例。共计19处椎体压缩性骨折。每例患者依次使用体位与球囊进行复位。手术前患者站立侧位骨折椎影像与患者过伸位X射线片相比较。随后患者进行单侧球囊后凸成形术。应用X射线片评估体位治疗与椎体后凸成形恢复椎体高度的百分比。在椎体中部所获得椎体高度恢复比,通过后伸体位是10.4%(中位数11.1%),而球囊后凸成形为57.0%(中位数62.2%),差异具有显著性意义(P < 0.001),球囊后凸成形获得额外46.6%的椎体高度恢复。通过手术体位复位,51.2%的椎体压缩性骨折有>10%的椎体中部高度恢复,而90.7%的骨折通过球囊后凸成形恢复至少10%的椎体高度(P < 0.002)。虽然试验结果支持通过体位治疗椎体压缩骨折,但在恢复椎体高度方面,球囊椎体后凸成形大于体位治疗4.5倍,并超过80%最终复位。如果恢复椎体高度是最终目的,球囊椎体后凸成形很明显优于单纯体位治疗。     

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。     

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0.3,1.0,4.0 MPa 3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0.3,1.0,4.0 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。     

后纵韧带生物力学测试评价胸腰段脊柱前路减压后的稳定性

目的：通过生物力学测试评价胸腰段脊柱后纵韧带在椎管前方减压自体髂骨植骨 Kaneda内固定术中的作用。方法：采用7具新鲜小牛胸腰段脊柱标本,模拟临床手术行L1椎体切除椎管前方减压自体髂骨植骨 Kaneda内固定术,在脊柱三维运动实验机上进行非破坏性生物力学测试。结果：在该术式中局部切除后纵韧带使胸腰椎的稳定性在旋转、轴压、前屈、后伸、侧弯各运动状态下降,其中以前屈时最为明显,差异有统计学意义（p<0.05）。结论：在胸腰段脊柱椎管前方减压术中局部切除后纵韧带将使术后脊柱稳定性在前屈状态时下降,不利于提高脊柱的融合率。因此应尽可能保留正常的后纵韧带。     

三维有限元模型分析3种内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学特点

背景：严重腰椎不稳定型骨折的内固定修复方法未形成统一的观点。 目的：应用三维有限元模型对比分析不同内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学性能。 方法：选取1个健康成年志愿者,用CT图像和Mimics软件建立T12~L2椎体三维模型,模拟L1椎体爆裂性骨折,并分别模拟后路减压短节段椎弓根钉固定、前路减压钛网置入内固定和后路减压内固定+前路椎体次全切除钛网置入内固定3种治疗方法。将模型导入到有限元分析软件Abaqus,施加约束和载荷分别加载260 N压力和10 N•m转矩,模拟3种模型在不同工况下的椎体位移、应力传导情况,以及前后路固定器械的受力情况。 结果与结论：从椎体位移分布情况来看,前后联合内固定方式下的位移要较其他两种内固定方式小。从应力分布情况来看,前后联合内固定方式更加符合载荷分布原则。从生物力学角度来看,前后联合内固定方式优于其他两种内固定方式。     

三维有限元法重建全椎板切除后颈椎三维模型

背景：颈椎后凸畸形是常见的医源性颈椎曲度异常，是一种进行性发展的颈椎畸形，其影响儿童和成人正常的颈椎生理功能。 目的：以三维有限元法观察颈椎全椎板切除对颈椎曲度的影响，以及颈椎椎间盘、韧带结构对维持颈椎生理曲度的作用。 设计、时间及地点：三维有限元分析，实验于2003-01/2004-01在解放军第二军医大学长征医院完成。 材料：实验中高分辨率、层面间隔为1 mm的颈椎横断面解剖图来自美国虚拟人计划中男性颈椎横断面解剖图，从The Visible Human Project网站免费下载。 方法：采用高分辨率的颈椎横断面解剖图作为颈椎三维结构重建的数据源，重建全椎板切除后颈椎三维模型包括颅底至第1胸椎中上部所有颈椎结构，模型不包括C2~C7椎板、棘突、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带。根据文献报道定义替代颈椎各结构的有限元单元类型和材质参数，如弹性模量。使用全椎板切除后颈椎模型，应用ansys6.1有限元分析软件，分析椎板切除后颈椎椎间盘和韧带结构对颈椎生理曲度的影响。 主要观察指标：颈椎椎间盘、韧带结构(前纵韧带、后纵韧带)弹性模量变化对颈椎曲度的影响。 结果：①全椎板切除后颈椎在多次反复加载负荷下，颈椎生理性前凸曲度减小，多次加载负荷后，颈椎上段生理性前凸消失，出现轻度后凸曲度。②颈椎椎间盘和韧带结构(前纵韧带、后纵韧带)弹性模量减小将加剧全椎板切除后颈椎后凸曲度，随着颈椎椎间盘、韧带结构弹性模量的增大，颈椎后凸曲度逐渐消失，并恢复正常生理性前凸曲度。 结论：三维有限元分析显示，全椎板切除明显改变颈椎前凸曲度，使颈椎正常生理性前凸转变为后凸；颈椎椎间盘、韧带弹性模量增加将抑制全椎板切除后颈椎后凸曲度形成。     

Biomechanical effect of the extent of vertebral body fracture on the thoracolumbar spine with pedicle screw fixation: an in vitro study.

A fractured vertebra does not transfer load as effectively as the intact vertebra. Patients who undergo surgery using short-segment pedicle screw instrumentation for middle-column injury may experience implant failure when vertebral body comminution is ignored. The purpose of this study was to investigate biomechanical effects of the extent of vertebral body fracture on the thoracolumbar spine after pedicle screw fixation and to evaluate the biomechanical role of anterior reconstruction. Twelve fresh porcine T12-L3 specimens were harvested and divided into two groups. A 2-mm drill bit was used to create holes in the L1 vertebra with two different extents: 1/6 and 1/3 vertebral body involvement. After the pre-injury had been created, specimens were subjected to flexion-compression to create a fracture in the body of the spine. Stiffness under axial-compression and flexion-compression were measured in intact specimens, after the fractured segments had been stabilized using transpedicular fixation, and after transpedicular fixation with anterior grafting. Despite fixation of the injured spine with pedicle screw instrumentation, the axial-compression and flexion-compression stiffness was still significantly lower than that of the intact group (p<0.01). The stiffness was associated with the extent of vertebral body involvement; 1/6 vertebral body involvement was stiffer than the 1/3 involvement (p<0.01). Additional anterior grafting significantly improved stiffness compared with posterior fixation alone (p<0.01), and restored stiffness to the intact level. In any state, stiffness under axial-compression was always significantly greater than that under flexion-compression (p<0.01). In conclusion, transpedicular fixation alone cannot provide sufficient stability for thoracolumbar fractures; the construct stability is related to the extent of vertebral body involvement. Recovering mechanical properties of the anterior and middle spinal column is a valuable measure for reducing the load-sharing of the posterior instrument.     

不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的建立和验证

背景：随着计算机技术和有限元理论的发展,通过建立膝关节主要韧带的有限元模型进行生物力学研究开始成为最重要的研究方法之一,而如何建立不同屈曲角度下的精确而有效的膝关节模型也成为了研究者们关注的焦点。 目的：探索建立不同屈曲角度下膝关节主要韧带有限元模型的方法并进行验证。 方法：解剖膝关节标本,去除周围软组织并暴露主要韧带。将韧带用钢丝环绕标记后用CT机在不同屈曲角度下扫描,去除韧带组织后再将韧带止点打孔标记并用CT机扫描。将得到的图像数据导入到仿真软件MIMICS中进行三维重建。将三维模型进行必要的修饰和调整后导入有限元软件ANSYS中,在设置材料属性和划分网格后生成三维有限元模型。在有限元软件中对完全伸直角度下的有限元模型采用134 N前向力作用于胫骨,采集胫骨前移的数据并观察韧带受力情况以验证模型的有效性。 结果与结论：得到的模型外形精确逼真,包括股骨、胫骨、前后交叉韧带和内外侧副韧带,并且通过与其他学者的类似数据以及临床经验的比较验证了模型的有效性。实验所得到的模型具有较好的形态仿真和功能仿真,能够在不同屈曲角度下有效的模仿膝关节活动,可以用于开展进一步的生物力学研究。     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景：近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。 目的：应用三维有限元法建立L3~5腰椎活动节段力学模型。 方法：通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。 结果与结论：建立下腰椎的三维有限元模型(L3~5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6 482个节点,31 326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。