枕颈部三维运动范围的测量

目的：研究枕颈部正常的三维运动范围，为枕颈部不稳分析和治疗提供生物力学基础。方法：运用脊柱三维运动测量分析系统，对１１具成人新鲜枕颈部标本的三维运动范围进行测试。结果：寰枕关节的前屈、后伸、左／右侧屈、左／右轴向旋转运动范围分别是：１１．７°、９．６°、２．８°／２．７°、６．９°／５．４°；寰枢关节分别为：８．９°、５．９°、３．４°／４．２°、３７．５°／３８．７°；寰枢关节中性区为２７．４°，占主运动范围的７１．７％；枕颈部与脊柱其它部位相比，主运动时伴有更明显的藕合运动，屈伸、侧屈时伴有比主运动范围更大的藕合旋转运动，分别为１０．５°、１４．３°。结论：脊柱三维测试分析系统不仅能对枕颈部的三维运动范围进行精确的测量，且能反映枕颈部三维运动的特点。     

腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器的生物力学评价

目的　评价一种新型腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器的生物力学性能,为其临床应用提供理论依据。 方法　采用8例新鲜猪腰椎标本的L4/5脊柱功能单元进行生物力学实验,先后制作正常脊柱组、峡部裂组、Buck螺钉固定组、Nicol钢丝捆绑组、机翼型记忆合金固定组5组实验模型。利用脊柱三维运动实验机,分别测试5组模型在前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转6种运动的活动范围。 结果　在前屈/后伸及左/右旋转状态下,峡部裂组稳定性最差,同其他4组有显著差异（P<0.05）。而使用机翼型记忆合金节段内固定器可明显恢复峡部裂腰椎稳定性,同正常脊柱组及其他2种内固定组无显著差异（P>0.05）。在左/右侧弯状态下5组腰椎标本均无显著性差异（P>0.05）。 结论　该新型记忆合金内固定器可维持峡部裂腰椎正常的三维运动稳定性,并且操作简单,具有很好的应用前景。     

腰椎管潜式扩大术对腰椎三维运动影响的实验研究

在８具成人新鲜腰骶椎标本上，通过脊柱三维运动试验机和双平面立体测量术的计算机图像处理系统，分析了潜式椎管扩大术前后Ｌ３－４节段的三维运动范围，并与腰椎开窗和切除术进行比较，实验结果表明：潜式扩大术、开窗术和全椎板切除术对Ｌ３－４节段的前屈／后伸、左／右侧变和左／右旋转运动范围无显著影响。     

前纵韧带分级切断对腰椎稳定性影响的三维运动研究

目的：根据节段间的运动变化，定量地分析前纵韧带切断对腰椎三维运动的影响。方法：采用８具新鲜成尸腰椎，通过脊柱三维运动实验机施加最大载荷为１０．０Ｎｍ的６种力偶，使脊柱产生前屈、后伸、左／右侧弯和左／右轴向旋转运动。经立体摄像计算机图像处理得到Ｔ１２～Ｌ１节段的运动范围（ＲＯＭ）。先对完整标本进行测量，其结果为自身对照组。然后在Ｔ１２～Ｌ１节段依次切断椎间盘前方的前纵韧带１／３、２／３和全部。结果：前纵韧带切断１／３后，脊柱后伸ＲＯＭ稍增加；切断２／３和全部，后伸ＲＯＭ显著增加（Ｐ＜０．０５和Ｐ＜０．０１）。结论：本实验证实：①前纵韧带切断１／３不影响脊柱的稳定；②切断２／３和全部后伸ＲＯＭ显著增加，脊柱失稳     

翼状韧带断裂对寰枢关节稳定性影响的生物力学实验研究

目的：研究翼状韧带断裂对寰枢关节稳定性的影响。方法：对６具尸体枕颈部骨韧带标本施加１．５Ｎ．ｍ的力偶距,分别切断左、右侧翼状韧带,测定寰枢关节三维运动。结果：左侧韧带断裂使寰枢关节左右轴向旋转和右侧弯运动范围分别增加２２．０％、２５．９％和２６．８％。双侧韧带断裂与单侧韧带断裂相比,寰枢关节轴向旋转运动范围无显著增加。结论：翼状韧带主要限制寰枢关节轴向旋转运动,其作用需要双侧韧带共同协调;翼状韧带损伤可导致寰枢关节旋转不稳定。     

腰椎峡部裂生物力学三维有限元分析

目的 建立腰椎三维有限元模型,模拟分析不同运动状态下腰椎峡部的应力分布,探讨腰椎峡部裂滑脱产生的病理基础及力学机制。方法 选取成年男性志愿者1名,采用64排螺旋CT行腰部断层扫描,所得图像通过MIMICS软件处理优化,导入有限元分析软件,建立腰椎三维有限元模型（L1~L5）,分析不同姿势下腰段脊柱椎弓峡部的受力及变形情况。结果 腰椎峡部在前屈、后伸位均出现明显的应力集中,后伸位更为明显,应力值由L1~L5向下逐渐加大。结论 腰椎峡部在后伸运动间,峡部应力异常集中,这种运动状态是产生后天性腰椎峡部裂及进一步滑脱病变的重要病理基础,双侧L5峡部裂在后伸位受到应力最大,活动度异常加大,最易产生滑脱病变。     

前屈型压缩性损伤对腰椎稳定性的影响

测试前屈压缩损伤对腰椎节段运动稳定性的影响。在７具成人新鲜尸体标本上，截取Ｔ１２至Ｌ１的脊柱标本，通过脊柱三维运动试验机和双平面立体测量术的计算机图象处理系统，分析了前屈型压缩破坏前后，该节段标本在前屈，后伸，左／右侧弯和左／右旋转状态下的运动范围。     

空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的三维有限元分析

背景:空心拉力螺钉技术治疗峡部裂有很多优势,但依然存在内固定的断裂、松动的风险。目的:通过三维有限元软件建立L₄-S正常模型、峡部裂模型及空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂模型,分析空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的生物力学稳定性。方法:选择1名男性健康青年军人志愿者,对志愿者腰椎、骶椎进行三维CT扫描,获取影像学数据并保存为Dicom格式。将CT数据导入Mimics research 21.0软件初步建立几何模型,并进行偏差分析,将所得模型以STEP格式输出;再导入Solidworks 21.0软件分别建立L₄-S节段正常、L₅双侧峡部裂、空心拉力螺钉治疗峡部裂3组模型,分别用A,B,C表示,比较轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下3组模型的生物力学特点。结果与结论:①相比于A,C模型,B模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的整体最大位移均为最大,而A,C整体最大位移相差不明显;②C模型去除内固定之后,最大应力趋势与A模型相近,而B模型在左侧弯及左旋转时应力明显高于A,C模型;③3组模型的整体最大转角表明,...     

后部结构逐级切除对腰椎三维稳定性的影响

目的：研究后部结构逐级切除对腰椎三维稳定性的影响。方法：选用7具新鲜成人尸体脊柱标本(L1～S1)，通过逐级切除L4～5节段的后部结构，共形成7种减压状态，运用脊柱三维运动实验机测试各模型的稳定性。结果：全椎板加双侧小关节部分切除，脊柱的前屈及左／右轴向旋转稳定性即已受到显著性破坏。结论：腰椎后部韧带结构对脊柱的稳定性有重要作用。减压治疗时，在尽可能维持小关节完整性的同时，亦应尽量保留椎板及后部韧带等结构。     

持续性过载条件下飞行员峡部裂腰椎的动力学响应及损伤预测

目的 在腰椎有限元模型构建及验证的基础上,对飞行员腰椎正常、L5单侧及双侧峡部裂模型动力学响应进行仿真计算和损伤预测,探究持续性飞行过载对飞行员腰椎正常及峡部裂状态下的影响。方法 基于腰椎CT图像,采用逆向工程软件和计算机辅助工程(computer-aided engineering, CAE)技术建立人体腰椎精细的三维有限元模型;利用腰椎静态与动态体外实验验证模型的有效性;开展持续性过载条件下飞行员正常腰椎及峡部裂腰椎生物力学仿真分析,并结合动态响应指数(dynamic response index, DRI)损伤评价预测方法对脊柱损伤情况进行预测分析。结果 单侧及双侧峡部裂模型的L5椎体峡部最大应力分别为105.29、126.32 MPa,明显高于正常模型;峡部裂模型的L4～5和L5～S1节段椎间盘相比正常模型更易出现过早退行性改变;结合DRI脊柱损伤预测方法,正常腰椎、L5单侧及双侧峡部裂的脊柱损伤概率分别为0.001 4%、2.26%和3.21%,峡部裂发生后脊柱损伤概率明显升高。结论 峡部裂加重了飞行过载下腰椎峡部的负荷。研究结果为制定训练方案和防具开发提供更精确的数据支撑,...     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

有限元法分析车辆低频振动时不同退变程度人体腰椎的力学响应

背景:长期处于车辆低频振动环境中不利于人体腰椎健康,且部分驾驶员腰椎已发生了一定程度的退变,然而车辆低频振动对不同退变程度腰椎的损伤机制尚无定论。目的:通过对比同一腰椎在不同振动环境以及不同腰椎在同一振动环境中的力学响应,确定不同振动频率对不同退变程度腰椎力学性能的影响。方法:建立4种不同退变程度人体腰椎有限元模型,施加车辆正常行驶时可能产生的低频振动,模拟腰椎在低频振动作用下的力学响应。结果与结论:①短时间低频振动时,4种腰椎的阻尼减振效果较好,而一旦振动时间过长,中度与重度退变腰椎的力学性能显著下降,因此建议已患有中、重度腰椎退变的驾驶员驾车时间不易过长;②随着退变程度加重,腰椎固有频率有逐渐降低的趋势;③排除共振频率,同一腰椎在不同振动频率作用下力学性能变化不显著,也就是说,驾驶同一辆车在不同良好铺装路面行驶对驾驶员腰椎力学性能的影响并无明显差异。     

一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统的设计和力学测试

[摘要]目的设计一种新型经椎弓根螺钉动力内固定系统，并测试其对失稳腰椎的稳定性效果及对相邻节段的作用。方法 1采用6具人新鲜尸体腰椎标本，测试各个节段的活动度，为新型动力内固定系统的设计提供参数支持。2以钛合金棒、钛缆和钛合金碟片弹簧为主要结构，根据正常腰椎各节段的活动度，参照文献报道的相关测试结果，设定动态连接棒屈曲范围0~10°，旋转范围0~5°，并对其进行了相关力学测试。3制作腰椎失稳模型，测试新型动力内固定系统固定后失稳腰椎固定节段及相邻节段的运动范围（ROM）和中性区（NZ），并与坚强固定对比，同时测定其上邻节段软骨终板下压力，探讨其稳定性及对相邻节段的作用。结果 与完整脊柱相比，新型动力内固定系统固定后屈伸和侧屈方向的ROM和NZ较完整脊柱减小（P<0.05），但旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P>0.05）。与坚强固定组相比，新型动力内固定组三个主方向的ROM和NZ均显著增加，差异有显著性意义（P<0.01）。疲劳试验后的结果表明，固定节段在三个主方向上的ROM和NZ均较疲劳前显著增加（P <0.05），但与失稳脊柱相比，差异仍具有显著性意义，与完整脊柱相比，动力内固定屈伸方向的ROM和NZ仍较小，两组相比差异显著（P <0.05），侧屈与旋转方向的ROM和NZ与完整脊柱无显著性差异（P >0.05）。结论 新型动力内固定系统可控性强、可靠性好、能够提供足够的活动度。新型动力内固定系统能对失稳腰椎提供各方向上的稳定性，尤其对前屈后伸的稳定效果最好，疲劳试验后也能提供足够的稳定性。相邻节段的ROM和上邻节段终板下压力与固定方式无显著相关。     

后部结构切除引起的腰椎过度活动

本实验采用7具新鲜尸体腰骶椎,测量其完整时、椎板切除加小主节部分切除和全切除后的屈伸后动度。结果表明,随着后部结板切除量的增加,腰椎各节段和总屈伸活动度均逐渐增加,且有显著或非常显著之统计学意义(P<0.05或<0.01)。因此,对于广泛的后部结构切除手术应严格掌握指征,以防止手术后腰椎不稳。     

胸腰椎前路K形钢板内固定系统的生物力学评价

目的：对胸腰椎前路K形钢板内固定系统（K－plate）进行生物力学稳定性评价。方法：6例新鲜成人尸体胸腰椎（T11－L3）标本，制成前、中柱损伤模型，椎体间模拟植骨后，分别以－Zplate、K－plate固定，采用脊柱三维运动试验系统测试完整、损伤、Z-plate和K-plate等4种状态下脊柱节段的运动范围（ROM）。结果：K-plate固定后，前屈、后伸、左侧弯、右侧变运动方向上ROM与完整、损伤状态之间差异有显著性（P＜0．05）；左、右轴向旋转运动方向上ROM与损伤状态之间差异有显著性（P＜0．05），但与完整状态之间差异无显著性（P＞0．05）。Z－plate、K－plate固定状态之间6个运动方向上ROM差异均无显著性（P＞0．05）。结论：胸腰椎前路K形钢板内固定系统能有效恢复失稳胸腰椎的稳定性。     

腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度影响的实验研究

目的通过体外生物力学实验评价腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度的影响。方法9具成人新鲜尸体腰椎标本L1～S2用于实验。完整脊柱测试后,在每个标本的L3、4、5用椎弓根螺钉随机顺序地进行矢状面三种角度的固定:①原位(前凸10o);②后凸位(后凸5o);③超前凸位(前凸25o)。每组分别进行加载,记录相邻节段L2/3、L5/S1椎间盘和关节突的应力强度,并加以比较。结果在前屈试验中,所有固定组的相邻节段应力强度均显著高于完整脊柱组(P<0.05),后凸位固定组的应力强度最高。在后伸试验中,后凸位固定的应力强度显著高于其他固定组(P<0.05);但原位固定和超前凸固定组间无显著差异(P>0.05)。侧屈位试验变化规律与后伸试验相似。结论脊柱固定可导致相邻节段的应力强度增加,并且矢状面异常固定角度更破坏其生物力学环境。在腰椎稳定重建同时,应该获得正常腰椎前凸角。     

单节段腰椎活动度对邻近节段运动的影响

背景：有研究报道腰椎融合后其邻近节段运动范围和压力会明显增大;但也有报道腰椎融合与动态固定非融合或正常腰椎相比,其邻近节段运动范围和压力未见明显增加,甚至出现减少。然而,腰椎的活动度多少到底对邻近节段会有什么影响呢？ 目的：观察单节段腰椎不同范围活动度对邻近关节运动范围的影响。 方法：取6具新鲜成人L2~S2腰椎标本,依次对成人L4~L5椎体进行不同方式处理形成5种不同活动度状态：完整标本状态;部分失稳状态;动态固定状态;完全失稳状态;刚性固定状态。在脊柱三维运动试验机上,采用“载荷控制”法进行屈伸、侧弯和旋转等运动方向测试,分别将其他4个状态与完整标本状态进行比较。 结果与结论：处理节段L4~L5椎体在各处理状态的下运动范围明显不同,形成了完全不同范围的活动度。与完整标本状态相比较,其他4个状态旋转时,上方邻近节段L3~L4的运动范围在刚性固定状态下明显减少;下方邻近节段L5~S1各方向和上方邻近节段L3~L4其余方向的运动范围无显著性差异。单节段腰椎刚性固定状态下,整个脊柱标本的运动范围明显减少。说明在“载荷控制”方法的实验下,单节段腰椎活动度多少对邻近节段的屈伸、侧弯等运动范围影响不明显,对上方邻近节段的旋转运动范围影响较大;腰椎刚性固定融合后,不一定要恢复到正常腰椎的活动范围,也许对预防邻近节段病有利。     

Combining 3D tracking and surgical instrumentation to determine the stiffness of spinal motion segments: a validation study

The spine is a complex structure that provides motion in three directions: flexion and extension, lateral bending and axial rotation. So far, the investigation of the mechanical and kinematic behavior of the basic unit of the spine, a motion segment, is predominantly a domain of in vitro experiments on spinal loading simulators. Most existing approaches to measure spinal stiffness intraoperatively in an in vivo environment use a distractor. However, these concepts usually assume a planar loading and motion. The objective of our study was to develop and validate an apparatus, that allows to perform intraoperative in vivo measurements to determine both the applied force and the resulting motion in three dimensional space. The proposed setup combines force measurement with an instrumented distractor and motion tracking with an optoelectronic system. As the orientation of the applied force and the three dimensional motion is known, not only force-displacement, but also moment-angle relations could be determined. The validation was performed using three cadaveric lumbar ovine spines. The lateral bending stiffness of two motion segments per specimen was determined with the proposed concept and compared with the stiffness acquired on a spinal loading simulator which was considered to be gold standard. The mean values of the stiffness computed with the proposed concept were within a range of ±15% compared to data obtained with the spinal loading simulator under applied loads of less than 5 Nm.     

中国人腰椎间盘结构与人工椎间盘置换相关的参数测量

背景：全椎间盘置换已应用多年,但国内鲜见对人腰椎间盘结构测量的大样本系统研究。 目的：为中国人腰椎间盘假体置换手术和设计提供参考数据。 方法：选取中国成年尸体41具(男22例,女19例),解剖获得完整的腰椎标本。测量椎体软骨板断面厚度。随机抽取正常成年人标准腰椎正侧位X射线片157例(男89例,女68例)。测量椎体上/下横径、上/下矢状径和椎间隙高度。 结果与结论：成年尸体及正常成年人标准腰椎正侧位X射线片显示腰椎间盘软骨板厚度、椎体上/下横径、矢状径和椎间隙高度均不存在性别差异(P > 0.05)。除L1/2相邻椎体矢状径、L3/4相邻椎体横径和L4/5相邻椎体矢状径外,其余椎间盘相邻椎体横径或矢状径的差异有显著性意义(P < 0.05),但各径线实测数值之间差距均较小。腰椎间隙自L1/2至L4/5逐渐增宽,前缘高度大于后缘高度。L5/S1椎间隙与其他腰椎间隙存在较大差异,其相邻终板间夹角明显增大。     

Histological and mechanical evaluation of self-setting calcium phosphate cements in a sheep vertebral bone void model

We investigated the histological and compressive properties of three different calcium phosphate cements (CPCs) using a sheep vertebral bone void model. One of the CPCs contained barium sulfate to enhance its radiopacity. Bone voids were surgically created in the lumbar region of 23 ovine spines - L3, L4, and L5 (n = 69 total vertebral bodies) - and the voids were filled with one of the three CPCs. A fourth group consisted of whole intact vertebrae. Histologic evaluation was performed for 30 of the 69 vertebrae 2 or 4 months after surgery along with radiographic evaluation. Compressive testing was performed on 39 vertebrae 4 months after surgery along with micro-CT analysis. All three CPCs were biocompatible and extremely osteoconductive. Osteoclasts associated with adjacent bone formation suggest that each cement can undergo slow resorption and replacement by bone and bone marrow. Compressive testing did not reveal a significant difference in the ultimate strength, ultimate strain, and structural modulus, among the three CPCs and intact whole vertebrae. Micro-CT analysis revealed good osseointegration between all three CPCs and adjacent bone. The barium sulfate did not affect the CPCs biocompatibility or mechanical properties. These results suggest that CPC might be a good alternative to polymethylmethacrylate for selected indications.