上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度(range of motion,ROM)及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、 C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加(前屈和侧屈)和减少(后伸和旋转),ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。     

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。     

基于CT图像下颈椎C4-C6节段三维有限元模型的建立及验证

选取下颈椎C4-C6活动节段的CT图像数据建立三维模型,其中包括颈椎C4-C6节段完整的各节椎体、椎间盘、终板、关节和5种韧带等结构模型。模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转6种工况下的生物力学特性,经与离体实验和有限元结果对比分析证明,验证模型的可靠性。相同条件下,模型的关节活动度和应力分布特征与他人研究结果相似。该有限元模型可以分析颈椎生物力学特性,并为下颈椎临床诊断和植入物的力学性能研究奠定良好的基础。     

项韧带骨化与颈椎曲度及节段稳定的影像学分析

文题释义：颈椎曲度：颈椎生理曲度的存在能稳定颈椎、保护脊髓。在退行性颈椎病中,因椎体、椎间盘等结构的退变,颈椎的前凸可逐渐变直,甚至反凸。节段稳定：此处的节段稳定,指下颈椎区域的颈椎节段稳定情况,将椎间活动度即角位移>10°或椎体的水平位移>3 mm定义为退行性下颈椎不稳。背景：在颈椎曲度变直或节段不稳相关退行性颈椎病中,由项韧带慢性损伤引起的项韧带骨化是非常常见的。目的：探讨项韧带骨化与颈椎曲度及下颈椎节段稳定性之间的相关性。方法：回顾性分析徐州医科大学附属医院脊柱外科2017-10-01/2018-10-31收治的退行性颈椎病患者109例,男61例,女48例,年龄30-81(55.8±11.1)岁。所有患者对试验方案均知情同意,且得到徐州医科大学附属医院伦理委员会批准。对患者颈椎摄片进行影像学观察,观察内容包括项韧带骨化的分布和骨化程度、颈椎生理曲度的改变、下颈椎节段稳定性;根据患者有无项韧带骨化分为2组,比较2组患者的性别、年龄、颈椎曲度、下颈椎节段稳定性情况;采用Pearson相关性分析探讨项韧带骨化程度和颈椎曲度、下颈椎稳定的关系;采用二元Logistic回归分析项韧带骨化发展的重要危险因素。结果与结论：①109例退行性颈椎病患者中,项韧带骨化患者56例,骨化共累及83个颈椎节段,以C_4-5(39.8%)和C_5-6(42.2%)多见;②项韧带骨化组患者的年龄、颈椎曲度中C₂-C₇ Cobb角、Jackson生理应力曲线、下颈椎不稳的参数角位移和水平位移与无项韧带骨化组差异均有显著性意义(P < 0.05),项韧带骨化程度与角位移呈显著正相关(r=0.486,P < 0.05);③下颈椎不稳患者的项韧带骨化发生率明显增高(P < 0.05),下颈椎不稳参数角位移及年龄是项韧带骨化发展的重要危险因素;④提示项韧带骨化患者更容易出现颈椎曲度变直及下颈椎的节段不稳,尤以节段不稳为著,在诊断和治疗退行性颈椎病患者时,项韧带骨化的存在应引起相应重视。ORCID: 0000-0002-9846-1109(陆炜强)中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

踝关节内侧韧带损伤肌腱重建的三维有限元分析

背景：踝关节内侧三角韧带损伤的重建方法很多,但是目前还没有研究对这些方法进行对比。 目的：三维有限元法对比Wiltberger、Deland、Kitaoka和Hintermann 4种修复方法重建踝关节内侧韧带损伤肌腱后的效果。 方法：建立踝关节三维有限元模型,模型中包括踝周的6块骨性结构、软骨和主要韧带。对模型进行验证试验后,在其基础上建立三角韧带损伤、Wiltberger、Deland、Kitaoka和Hintermann重建模型。在踝关节不同屈曲角度上对模型施加外翻及外旋应力,比较重建后的踝关节生物力学。 结果与结论：4种重建方法均不能使踝关节生物力学完全恢复正常,其中Kitaoka法在恢复踝关节外旋稳定性上最有效,Deland法在恢复踝关节外翻稳定性上最有效。提示4种内侧韧带肌腱重建术式中,Kitaoka和Deland法较其他方法能够相对有效的恢复踝关节旋转稳定性。     

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。     

三维有限元腰椎节段模型上模拟拨伸按压手法的生物力学分析

背景:应用计算机技术和有限元法对传统中医推拿手法进行研究,给传统的中医推拿手法研究注入了活力。目的:分析手法治疗腰椎间盘突出症的机制,探求符合生物力学的治疗手法,明确手法治疗腰椎疾患的安全范围。方法:选择成年无腰椎疾患的男性志愿者,年龄28岁,身高170cm,体质量60kg。采用CT对L3～S1进行扫描,利用ADINA5.0构件软件,并赋予不同组织不同的材料属性,建立腰椎有限元模型,设定腰椎水平位、后伸10°位、前屈30°位状态,加载拔伸按压载荷,观察腰椎间盘、髓核和纤维环的受力改变情况。结果与结论:在拔伸按压状态下,腰椎前屈30°椎间盘组织的位移应变和应力变化最明显,提示在设定的条件下手法治疗腰椎疾患是安全的。     

3岁儿童C4-C5颈椎有限元模型开发及拉伸、弯曲验证

基于CT扫描,建立具有精确骨骼几何及详细椎间盘解剖学结构的3岁儿童C4-C5颈椎段有限元模型;参考成人颈部生物材料实验数据及相关成人与对比研究结果,采用缩放方法计算得到3岁儿童颈部组织材料参数;分别在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲及轴向旋转载荷条件下,对模型进行验证。结果显示,准静态拉伸刚度为211.8 N/mm,动态拉伸最终失效力为759.9 N,最终失效位移为5.08 mm,均与实验值吻合良好;准静态伸展、弯曲、侧向弯曲及轴向旋转运动范围分别为9.75°、9.29°、3.79°和7.04°,均在实验基准数据允许的误差范围内,吻合良好。结论表明:该模型能较好地反映3岁儿童C4-C5颈椎段在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲和轴向旋转载荷下的生物力学特性,具有较高的生物逼真度。     

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。     

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。     

坐骨神经损伤的三维有限元分析

建立坐骨神经损伤三维有限元模型,以三维有限元分析软件计算吻合口处应力和位移,为坐骨神经损伤移植提供生物力学实验基础。建立5、10、15、20 mm坐骨神经损伤以自体神经移植三维有限元模型,分别对各受力模型施加10 N拉伸载荷,以有限元软件(PROE5.0)计算吻合口周围各测点的应力和位移值。在相同载荷作用下模拟坐骨神经损伤以自体神经5 mm移植组最大应力大于以自体神经移植10、15、20 mm移植组。在10 kf作用下,模拟坐骨神经损伤以自体神经20 mm移植模型组最大位移大于以自体神经15、10、5 mm移植组。以三维有限元法对坐骨经损伤模型进行数值计算是可行的。     

利用头颈有限元模型研究散打运动中颈椎韧带损伤的风险

目的研究颈椎有限元模型在预测散打中颈椎韧带损伤风险的作用,比较摆拳及直拳击打后颈椎韧带受力的差异。方法基于CT图像利用图像处理软件Mimics进行头颈骨骼部分的三维重建,并导入Hyper Mesh建立一个有效的头颈有限元模型,在对该模型的力矩-运动范围及击打后头部加速度进行验证后,比较不同击打力量(2.60、3.30、4.35 kN)下直拳及摆拳击打对颈椎韧带受力大小、分布的差异。结果所建颈部有限元模型具有良好的生物有效性,其预测的受击打后头部线性加速度及旋转加速度与参考文献相符。在摆拳模拟中,韧带最大受力部位位于环枕韧带,当击打力从2.60 kN增加至4.35 kN时,摆拳击打后韧带受力最大值分别为207、265、263 N;而在直拳击打后韧带受力最大部位位于环枢韧带,其受力最大值分别为96.8、91.4、101.4 N。在同样的击打力量下,摆拳所致的颈椎韧带受力较直拳更大。结论与直拳相比,散打摆拳更容易引起颈椎韧带损伤;头颈有限元模型可用于散打所致颈部损伤的生物力学机制研究,为散打的训练及损伤预防提供更精确的参考。     

不同植入物固定L1节段爆裂性骨折的三维有限元分析

背景：胸腰段椎体爆裂性骨折临床十分常见,通过前路或者后路内固定重建稳定是目前常用的方法,作者未查及有关内固定应力情况的相关报道。 目的：通过三维有限元法分析在L₁节段爆裂性骨折情况下前路钛网重建钉棒内固定和后路椎弓根内固定两种方式中内固定物应力的分布情况,并进行两种方式稳定性的比较。 方法：选择1名健康男性志愿者,通过CT扫描和有限元软件建立T₁₂-L₂节段的三维有限元模型。在验证有效的有限元模型上分别模拟L₁节段爆裂性骨折,建立前路L₁节段钛网重建钉棒内固定模型(模型A)和后路短节段椎弓根钉棒内固定模型(模型B),在各模型上施加载荷,观察内固定应力分布情况,进行稳定性的比较。 结果与结论：建立T₁₂-L₂节段的三维有限元模型。两种内固定方式有限元模型在不同载荷实验中,模型A应力主要集中在钛网区域,模型B应力主要集中在钉棒的交接处。模型A的稳定性优于后者,模型A的T₁₂平面的平均应力值小于模型B,差异有显著性意义(P < 0.01)。说明前路术后钛网发生沉降和后路术后钉棒处断裂均可能与局部应力集中有关。前路钛网重建钉棒内固定较后路椎弓根内固定稳定性更好。     

正常人下颈椎C_(4～7)节段三维有限元模型的建立与验证

本研究基于计算机断层扫描(CT)图像数据建立并验证正常人颈椎C4~7三维有限元模型,为研究中医手法治疗颈椎慢性疾病的生物力学机制提供模型平台。基于受试者颈部CT图像,依次运用Mimics 17.0、Geomagic12.0及Abaqus 6.13等软件创建正常人C4~7节段有限元模型。在模型上分别模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转工况,计算椎体间相对动度(ROM),将计算的结果与文献结果进行对比分析,并观察模型在1Nm载荷下6种工况下模型的主要应力分布情况。本研究成功建立了正常人颈椎C4~7三维有限元模型,共包含591 459单元、121 446节点,模拟了椎体、椎间盘、韧带、关节等几何结构与材料特性。模型在前后屈伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的ROM与实验研究数据基本一致,在1Nm扭矩或弯矩载荷下,模型主要应力分布基本反映了正常人颈椎生理活动时的主要应力分布情况。本研究建立的正常人颈椎C4~7三维有限元模型精确逼真,符合颈椎的生物力学特性,可用于研究中医手法治疗颈椎慢性疾病的生物力学分析。     

新型颈椎3D打印多孔椎间融合器的三维有限元分析

背景:颈椎前路椎间盘切除减压融合内固定已成为目前临床上常用的手术,但是传统融合器的上下弧度难以与上下终板保持完全一致,容易引起椎间融合器沉降等一系列相关并发症,作者所在课题组研究出与上下终板保持一致的新型颈椎3D打印多孔椎间融合器.目的:通过三维有限元分析法评价新型颈椎3D打印多孔椎间融合器的力学特点,为临床应用和进一...     

基于CT数据的人体L3-L4腰椎节段的三维有限元建模和分析

目的 建立一个精确的人体L3-L4腰椎节段有限元模型,用于腰椎生物力学的研究.方法 基于可视人计划(visible human project,VHP)男性冷冻CT数据,通过Marchingcubes算法三维重建L3和L4椎骨的几何模型并转换为有限元网格,然后结合椎间盘和韧带的网格建立L3-L4节段的有限元网格.根据CT值设定材料特性建立有限元模型,施加压缩的边界条件进行有限元分析,并和参考模型的结果比较分析.结果 基于CT的L3-L4节段有限元模型比参考模型更符合腰椎的解剖结构.结论 基于CT的L3-L4节段有限元模型能够精确的描述腰椎解剖结构,保证有限元分析的准确性.     

新型高度可调颈椎融合器的三维有限元分析

背景：颈前路减压手术的核心是解除脊髓和神经的压迫,恢复椎间高度及颈椎的生理曲度。但是目前临床上所应用的融合器无法满足个体化需求,可能导致融合节段终板破坏,融合器下沉或移位。作者设计一种高度可调颈椎融合器,植入椎间隙可达到与椎间隙上下终板贴合。目的：通过三维有限元分析法评价新型颈椎高度可调椎间融合器的力学特点,为临床应用和进一步改进提供相应理论依据。方法：建立颈椎前路椎间盘切除减压融合内固定的三维有限元模型,分为正常组、融合器植入高度较低组、融合器植入高度适中组和融合器植入高度较高组进行重建,并在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6个工况下,施加50 N预载荷以及1.0 N·m的运动附加弯矩,观察相应的椎体Von Mises应力峰值、融合器Von Mises应力峰值、椎间盘应力及椎体活动度情况。结果与结论：(1)融合器植入高度适中组对应的融合器Von Mises应力峰值和C₃-C₇椎体Von Mises应力峰值低于融合器植入高度较低组和融合器植入高度较高组;(2)植入不同高度融合器后C4/5椎间盘应力差异较为明显;(3)融合器植入高度较高组C     

锁定加压钢板固定骶骨不稳定骨折的三维有限元分析

目的探讨锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折的生物力学性能,提供科学依据。方法应用三维有限元方法模拟骶骨Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ区伴同侧耻骨上下支骨折的不稳定骨折,分别应用骶髂螺丝钉、骶骨棒、锁定加压钢板固定骶骨骨折,采用螺丝钉固定耻骨上支骨折,对模型腰5(L_5)椎体施以500 N的轴向应力,计算固定后骶骨及耻骨上支处的位移,并将加载下的骨应力分布同正常骨盆加载下骨的应力分布进行比较。结果三种固定中,骶髂螺丝钉的固定效果最佳,锁定加压钢板的固定效果同骶骨棒相似,三种方法固定后加载下应力分布均同正常骨盆相似。结论采用锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折是一种可行的方法,尤其适用于伴有髂骨翼骨折的骶骨不稳定骨折或骶骨Ⅱ或Ⅲ区粉碎性骨折。     

中国数字人CT数据颈椎运动节段有限元模型的建立

背景：课题组前期实验已建立了数字人体多个部位的骨骼有限元力学模型,但如何能在保证模型收敛的情况下提高模型精度与有效性,有待进一步研究。 目的：建立精确的数字力学人颈椎运动节段模型。 方法：采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise 公司授权试用的MIMICS13.1医学图像重建软件进行三维有限元建模,其结果导入ABAQUS6.7有限元系统进行处理,观察试运行结果,对模型的有效性进行验证。 结果与结论：在大型有限元软件ABAQUS6.7中调用颈椎运动节段三维模型的“.lis”文件,获得颈椎运动节段的有限元模型,此模型共有节点10 465个,单元52 752个,模型经验证有效。结果证实,实验成功建立了高度拟真的数字力学人颈椎运动节段有限元模型。     

人股骨上段三维有限元模型的建立

根据螺旋CT二维图像,建立可供有限元结构仿真分析的人股骨三维有限元模型.应用螺旋CT对人股骨进行扫描,对扫描图像应用Adobe Photoshop 9.0提取密质骨、松质骨的边缘,形成坐标数据库后,再应用UGS NX3.0调用坐标数据建立人股骨上段三维几何模型和网格划分.通过UGS NX3.0剖切和隐藏技术分别显示人股骨密质骨、松质骨和骨髓腔以及各结构间的界面的三维几何形态和有限元模型.利用CT、Photoshop、 UGS、数据库等工具和方法,能方便地和较真实地重建复杂的骨骼三维几何模型和有限元模型.