C2～7颈椎振动特性的有限元分析

目的研究正常C2～7颈椎有限元模型的振动特性和颈椎小关节不同程度受损及切除的振动特性变化。方法基于颈椎CT扫描影像,建立正常C2～7颈椎有限元模型并验证有效性,提取前10阶固有频率和振型。颈椎小关节分别为无约束、有约束且摩擦系数分别为0.01、0.1和0.2,模拟颈椎小关节切除以及小关节轻度、中度、重度受损,研究颈椎受损程度不同对固有频率的影响。结果正常C2～7颈椎模型最低固有频率出现在后伸、侧弯振型,约为12Hz,大位移主要出现在寰椎齿凸。小关节有约束模型的固有频率高于无约束模型,小关节摩擦系数不同对颈椎固有频率无影响。结论研究颈椎的固有频率、振型和振幅等参数,是进一步研究颈椎动态特性的基础,对颈椎护理和治疗有重要意义。在生活和颈椎治疗中,应尽量避开12Hz环境,防止共振对颈椎造成大的损伤。     

横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元分析

目的建立寰椎横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元模型,探究横韧带损伤对上颈椎关节活动度ROM(the range of motion)和椎骨应力分布的影响。方法基于CT图像数据结合临床寰椎横韧带损伤特征,建立人体寰椎横韧带损伤上颈椎不稳定的三维有限元模型,比较分析横韧带损伤后上颈椎在不同工况下的关节活动度及椎骨应力分布情况。结果横韧带损伤后上颈椎寰枢关节在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转等工况下的关节活动度均比正常组有不同程度的增大,增值分别为:3.5°、 4.8°、 1.1°和4.7°;屈伸时横韧带损伤后模型最大应力均比无损模型的大。结论寰椎横韧带损伤后上颈椎模型相比正常模型稳定性差,符合横韧带损伤后的真实情况,建立的有限元模型可用于上颈椎生物力学特性的分析。     

部分钩突切除对颈椎稳定性影响的有限元分析

目的建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型,研究钩突切除前后对颈椎稳定性的影响。方法根据健康志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics13.1和Solid Works2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS15.0软件,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型。在建立的模型上加载,模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,获取位移、应力等数值云图,并进行分析验证。在C5节段左侧钩突上分别切除钩突高度的25%、50%和60%,获得不同范围钩突切除时的左侧弯状态下颈椎各部位的位移、应力等数值云图,分析不同范围钩突切除对颈椎稳定性的影响。结果本研究建立了三个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,研究了不同范围钩突切除后,颈椎稳定性受到的影响。钩突切除高度的25%后的左侧弯状态与未切除时对比分析,位移云图变化不大,最大等效应力减小。钩突切除高度的50%、60%后的左侧弯状态下的位移继续增大,最大等效应力逐渐减小。结论切除钩突高度的25%时对颈椎稳定性影响不大,随着切除钩突范围的增加,颈椎的稳定性逐渐降低。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

建立正常人C_(2～7)的三维有限元模型

背景:随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究。目的:在已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据。方法:选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变。首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型。模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统。其次在1.8N?m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况(载荷状态)下对模型进行验证。结果与结论:整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23348个节点和215749个单元。在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合。提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析。     

正常人全颈椎(C0～T1)三维有限元模型的建立与验证

研究人体颈椎及相关疾病生物力学机制,创建一个解剖精细、非线性的正常人全颈椎(C0~T1)三维有限元模型。模型基于1例女性健康志愿者颈椎CT数据建立,采用MIMICS13.1、Hypermesh11.0、Abaqus 6.12-1等有限元软件依次创建、预处理、运算和分析。在生理静态载荷下分别模拟颈椎活动(前屈、后伸、侧弯和旋转),观察应力集中部位;测量相邻椎体相对活动度(ROM)。本模型经文献中ROM结果验证可靠;预测生理载荷下枕骨大孔前部及侧部是上颈椎的应力集中点;中下段颈椎的应力集中点大部分为活动方向对侧的椎弓根和小关节突。全颈椎(C0~T1)非线性有限元模型的建立,可以为深入了解颈椎及其相关疾病的生物力学机制提供更理想的理论研究平台。     

6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证

目的利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应。方法基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性。结果不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好。结论该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制。     

颈椎生物力学模型的应用及进展

生物力学模型是研究颈椎伤病的基础。通过对模型的观察、测试,可了解伤病的发生机理并提出诊治策略。因此生物力学模型的应用一直在颈椎伤病研究中占据重要地位。根据构成的特点和用途,Panjab[1]将其分为物理学模型,体外模型,体内模型和计算机模型。国内外文献对此有大量报道。现就近年来前三类模型的设计和应用及其进展进行综述,限于篇     

人体下颈椎计算分析系统的开发和应用

颈椎是一个典型的非规则形体构件,由于颈椎体、关节、韧带、椎间盘等材料性质不一,模型的建立较为复杂,准确建立异物同构颈椎模型尤为重要。几何模型数据取自健康男性的颈椎CT片,采用人体颈椎几何特性,使用数字化三维医学影像交互式处理系统MIMICS11.11,通过CT图像识别方法建立三维有限元颈椎模型。使用FORTRAN语言编制与MIMICS11.11及大型有限元分析软件ANSYS的接口程序。我们研制了人体颈椎分析系统,实现多种情况下颈椎模型的计算分析。计算表明建立的颈椎模型较为合理,明显提高了人体颈椎模型的构造能力和分析能力。     

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。     

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。     

颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性

目的建立C1~7全颈椎三维有限元模型,研究其在颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性,为临床颈椎牵引的治疗提供参考。方法建立正常颈椎的三维非线性有限元模型,在此基础上结合临床颈椎牵引的方法,利用生物力学分析软件进行建模仿真,在牵引重量一定的情况下,用后伸0°、10°、20°、30°、40°进行牵引,获得关节力和肌肉力,筛选合适的关节力和肌肉力对颈椎模型进行有限元分析。结果颈椎后伸牵引过程中,在肌肉力的作用下,颈椎椎体、椎间盘、钩椎关节的平均最大等效应力分别增加4.86、1.79、0.69 MPa,颈椎椎体的平均最大相对位移在矢状轴、垂直轴方向上分别增加5.53、0.63 mm。颈椎后伸牵引的生物力学特性与文献中的有限元分析结果相近。结论颈部肌肉对颈椎各椎体、椎间盘以及钩椎关节应力及位移的增加具有较大的促进作用。临床上行颈椎后伸牵引时,应考虑到颈部肌肉的作用,牵引角度不宜过大,推荐0°~20°是颈椎牵引初期相对安全的角度范围。     

成人颈椎小关节间隙穿刺路径的应用解剖 

目的 探讨颈椎小关节的关节类型、关节角大小、关节面倾角等,为临床行颈椎间隙穿刺提供可参考的路径。方法 采用正常成人脊柱标本38例（男27、女11）,通过断层解剖方法,从横断面上对C SUB>2-3/SUB>～C SUB>6-7/SUB>关节类型、关节角进行观测,并对40套成人椎骨标本的颈椎小关节关节面倾角及形态进行观测。结果C SUB>2-3/SUB>～C SUB>6-7/SUB>关节类型主要为平面椭圆形(79.2％)和曲面形(20.8％);自C2-3至C6-7颈椎关节突的关节角逐渐增大;关节面倾角CSUB>3/SUB>＞CSUB>4/SUB>＞CSUB>5/SUB>CSUB>6/SUB>CSUB>7/SUB>,倾角值呈     

伴椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折后路寰枢椎固定术的有限元分析

研究伴枢椎单侧椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折采用两种组合后路寰枢椎内固定术式治疗的生物力学特性,分析上颈椎的稳定性和内固定植入椎板螺钉、椎弓根螺钉和C2pars螺钉的应力分布情况。基于人体颈椎Ⅱ型齿状突骨折的CT图像数据,结合有限元前处理软件,依据临床手术方案,建立上颈椎两种组合后路寰枢椎内固定模型:一种是单侧枢椎椎板螺钉(C2TL)+寰枢椎椎弓根螺钉(C1PS、C2PS)固定(C1PS-C2TL+PS模型),另一种是单侧C2pars螺钉+寰枢椎椎弓根螺钉固定(C1PS-C2pars+PS模型),分析两种固定模型在屈伸、侧弯和旋转工况下的关节活动度和内固定植入器械的应力分布情况。结果表明,伴椎动脉高跨Ⅱ型齿状突骨折在后路寰枢椎两种固定术式中,C1PS-C2TL+PS模型在屈伸、侧弯和旋转工况下寰枢关节的关节活动度比骨折模型分别减小92.71%、91.28%、95.89%,C1PS-C2pars+PS模型分别减小89.50%、94.77%、92.72%,表明椎体固定节段的刚度都显著提高。此外,C1PS-C2pars+PS模型在前屈和后伸运动时,枢椎螺钉的根部和连接棒下部出现明显的应力集中,最大应力值分别为179.9和167.6MPa,比C1PS-C2TL+PS模型分别增大55.1和52.2MPa。C2pars螺钉在不同工况下最大应力值的变化幅度比较显著,最大值为前屈工况的123.7MPa,比C2TL最大应力值增大21.4MPa。伴椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折采用C1PS-C2TL+PS和C1PS-C2pars+PS两种固定术式,均能有效地提高寰枢椎的刚度,前者在屈伸和旋转时具有更好的稳定性,C1PS-C2TL+PS内固定术式在结构和应力分布上更加合理,结果可为伴椎动脉高跨Ⅱ型齿状突骨折内固定术式的研究提供一定的理论依据。     

脊柱颈段的年龄变化及其临床意义

目的 为临床应用提供脊柱颈段年龄性变化的解剖学资料。方法 观察并测量了颈椎干骨标本50套(G3-7)、脊柱颈段标本正中矢状切标本15例(30侧,其中童尸2例,青年5例,中老年8例)、脊柱颈段X线正侧位片320张、CT片50张,分年龄段作统计,对特例作摄影和绘图记录。结果 (1)青少年时期同一椎体的前后面接近平行,并基本等高。随着年龄增加,前面逐渐变斜,朝向前上,前高则逐渐缩短,特别以C4-C6椎为显著,而后面的高度和斜度无显著变化。(2)在老年侧位片上,对同一椎的前、后面分别作垂线,两线相夹的角度C5-6均超过4°,而两端各椎则为3°。(3)颈椎间盘的前高和后高均随年龄老化而降低,但前高降低的总量约为后高者的2倍。(4)钩突年青时呈尖棘状,随着年龄老化向后扩展,变成矢状位的嵴状,此嵴前后长度在上位椎可超过同椎椎体的正中矢状径。(5)骨赘多见于钩突和C4-6椎体前面的上下缘,也可见于关节突和钩椎关节的斜坡,椎体后面可偶见后纵韧带骨化所成的骨赘或骨刺,罕见与前面相当的上、下缘骨唇形成。结论 颈曲随年龄增加而减小,决定因素是椎体前份和椎间盘前份高度的持续降低。     

三种置钉方法在下颈椎经椎弓根螺钉置入过程中的比较

背景：目前各种下颈椎椎弓根置钉方法的准确率报道不一,特别是国内常用的椎板部分切除置钉法、Abumi法、管道疏通法缺乏比较。 目的：探讨下颈椎(C3~7)经椎弓根螺钉内固定的可行性,比较椎板部分切除置钉法、Abumi法、管道疏通法在置钉满意率、出血量、置钉时间、并发症等方面的差异。 方法：选择60例需颈后路经椎弓根螺钉内固定治疗的下颈椎疾患病例,随机分成3组,各置入椎弓根螺钉80枚,分别采用椎板部分切除置钉法、Abumi法及管道疏通法。术中计算各方法置钉时间、出血量;出院前观察置钉满意率及在颈椎椎弓根四壁损伤例数的构成比;比较C3~7每一节段的椎弓根外侧壁损伤发生率。 结果与结论：椎板部分切除组、Abumi组及管道疏通组置钉时间依次递减(P < 0.05),置钉满意率依次递增(P < 0.05)。3组间置钉出血量及颈椎椎弓根四壁损伤例数的构成比差异无显著性意义(P > 0.05),椎弓根损伤好发生于外壁。C4、C5节段外壁损伤发生率明显高于C3、C6、C7。提示管道疏通法在经颈后路椎弓根螺钉内固定常规置钉法中优势明显。     

垫枕治疗胸腰椎压缩性骨折的实验应力分析

目的:观察不同垫枕宽度在病椎产生的应力分布图像,筛选垫枕疗法中的最佳施力方案.方法:采用光弹材料按1:0.8比例制成腰椎模型,通过观察模型上形成的等差干涉条纹级数,分别计算三种垫枕宽度在前纵韧带、腰椎前缘、腰椎各关节的应力分布.结果:腰椎受力后,摄下光屏上清晰的等差干涉图谱.计算结果显示,当垫枕位于病椎之下,宽度为一个椎体宽度并施加纵向牵引力时,前纵韧带、病椎前缘、与病椎相邻的关节的张应力值普遍较大.结论:病椎及其周围组织应力状态与垫枕宽度密切相关,垫枕为一个椎体宽度并位于病椎之下对病椎的意义大于其他情况.     

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。     

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。     

颈神经根槽和颈椎间孔的应用解剖

目的：为颈椎病的病因、诊断和治疗提供补充的定量数据。方法：在干燥的颈椎椎骨标本和福尔马林固定的颈椎标本上，测量颈神经根槽和颈椎椎间孔。结果：内侧区的平均长度，内侧区前缘中点到椎体中线的距离从C3～C7逐渐增加。C3内侧区的宽度较大，C7上、下关节突及峡部高度之和的后中点到颈神经根槽后壁的前后距离最小。结论：研究结果为影像诊断和外科手术提供了相关的应用解剖数据。