长期运动负荷对举重运动员脊柱形态的影响

目的:通过测量举重运动员训练前后的脊柱形态,分析长期运动负荷对举重运动员脊柱形态所造成的长期及短期影响。方法:通过采用DIERS formetricⅢ4D设备对专业举重运动员及普通大学生进行脊柱测试。专业举重运动员进行训练前和训练后两次测试,将训练前测试结果视为运动员日常身体姿态;普通大学生进行一次测试,将此测试结果视为大学生日常身体姿态。结果:在日常身体姿态下,男子举重运动员的躯干矢状面倾斜角度和腰曲最大前凸角均大于普通男大学生(P0.05)。女子举重运动员的躯干矢状面倾斜角度、倾斜距离和胸曲顶点至第七颈椎竖直距离三项指标均显著大于普通女大学生(P0.001);腰曲顶点至胸曲顶点水平距离显著小于普通女大学生(P0.001);腰曲最大前凸角小于普通女大学生(P0.05)。在运动员训练前后的对比中,男、女举重运动员训练后躯干长度和腰曲顶点至第七颈椎竖直距离均出现了缩短(P0.05);女子举重运动员训练后的椎体旋转幅度和腰曲顶点至胸曲顶点水平距离相较训练前增大(P0.05)。结论:举重运动员长期进行举重训练,脊柱受轴向应力冲击,躯干长度缩短,同时,躯干在矢状面上的过度前倾使得运动员重心前移的同时改变了脊柱的正常生理弯曲,破坏了脊柱原有生物力学特性,导致运动员在训练过程中承担更高的损伤风险。帮助女子举重运动员改善或预防脊柱侧弯可以通过改善背部两侧肌力为切入点进行。     

建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型及其应力分析

背景目前临床所使用的人工椎间盘的结构、材料特性、生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别.目的通过三维有限元的方法观察分析人工腰椎间盘在腰椎运动节段中的应力传导作用.设计单一样本观察分析.单位中山大学附属第三院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室.对象1例健康男性意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本及SBChariteⅢ型人工椎间盘建立起脊柱运动节段的人工椎间盘植入有限元模型.方法根据人工椎间盘的工业设计图,利用有限元软件MSC.MARK,建立人工腰椎间盘三维模型;取脊柱健康的腰椎运动节段尸体标本,用螺旋CT机对标本进行扫描,并把图像文件输入计算机保存,在ASC.MARK软件固有的三维坐标系中建立L4-5节段的几何模型.把L4-5运动节段模型中的椎间盘换成人工椎间盘,保持模型L5下终板固定,分别向标本施加4 Nm的前屈、后伸、侧弯及扭转力矩,最后计算人工椎间盘代表结点的受力大小并记录应力的分布.主要观察指标观察人工椎间盘前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转运动状态的应力分布情况.结果建立了符合临床实际的人工腰椎间盘植入腰椎运动节段的有限元模型.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比各自的下表面承受其两三倍的应力.③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植入腰椎运动节段有限元模型,在形态、大小及运动特点均与实际的人工椎间盘的结构特点相符,以此进行人工椎间盘应力分布的实验是可行的.     

建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型及其应力分析

背景：目前临床所使用的人工椎间盘的结构、材料特性、生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别。目的：通过三维有限元的方法观察分析人工腰椎间盘在腰椎运动节段中的应力传导作用。设计：单一样本观察分析。单位：中山大学附属第三院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室。对象：1例健康男性意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本及SB ChariteⅢ型人工椎间盘建立起脊柱运动节段的人工椎间盘植入有限元模型。方法：根据人工椎间盘的工业设计图，利用有限元软件MSC.MARK，建立人工腰椎间盘三维模型；取脊柱健康的腰椎运动节段尸体标本，用螺旋CT机对标本进行扫描，并把图像文件输入计算机保存，在ASC．MARK软件固有的三维坐标系中建立L4-5节段的几何模型。把L4-5运动节段模型中的椎间盘换成人工椎间盘，保持模型L5下终板固定，分别向标本施加4Nm的前屈、后伸、侧弯及扭转力矩，最后计算人工椎间盘代表结点的受力大小并记录应力的分布。主要观察指标：观察人工椎间盘前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转运动状态的应力分布情况。结果：建立了符合临床实际的人工腰椎间盘植入腰椎运动节段的有限元模型。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比各自的下表面承受其两三倍的应力。③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：建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型，在形态、大小及运动特点均与实际的人工椎间盘的结构特点相符，以此进行人工椎间盘应力分布的实验是可行的。     

腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证

背景:传统的脊柱生物力学体外实验难以取得椎间盘液体相关的力学性能数据,国外可见多孔弹性有限元模型用于腰椎的固液二相性的研究,然而国内罕见相关报道.目的:利用ANSYS12.1有限元分析软件,建立腰椎运动节段流固耦合有限元模型,旨在推动有限元分析技术在脊柱生物力学方面的广泛应用.方法:对1名健康男性志愿者进行L4～5运动节段的螺旋CT扫描成像,利用医学图像处理软件Mimics10.01对其进行预处理,再利用逆向工程软件Geomagic9 0对模型进行NURBS曲面重构,然后导入有限元软件ANSYS12.1重建椎体皮质骨、松质骨、纤维环和髓核等结构,最后通过划分网格、定义材料属性、定义接触、加载求解等操作建立了腰椎运动节段流固耦合三维有限元模型,并将椎间盘高度随时间变化的数据与文献数据进行比较,以验证模型的有效性.结果与结论:建立了L4～5运动节段的流固耦合有限元模型,模型的总节点数210 718个,总单元数85 973个.将本模型所测得的椎间盘高度数据与文献数据进行比较,结果基本一致.腰椎流固耦合有限元模型更加符合人体的生物力学特点.     

腰椎运动节段新型有限元模型建立及其生物力学意义

背景腰椎力学性质较常见的研究方法有动物模型、物理模型和尸体模型,但每种都存在一定局限性.目的建立腰椎运动节段的有限元模型,为腰椎生物力学研究提供理论依据.设计以健康志愿者为研究对象的单一样本研究.单位一所大学医院的骨科.对象实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象.方法对1名健康志愿者脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4-5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.主要观察指标①3DSMAX软件中椎体、椎间盘模型.②SAP2000软件中运动节段有限元模型.结果建立了腰椎L4～5节段的有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

应用三维有限元法分析腰椎小关节的力学分布

目的:应用三维有限元分析法认识腰椎小关节的力学分布特点。方法:①实验于1999-10/2001-06在福州大学力学工程系光弹实验室完成。取新鲜尸体10具,6男4女,年龄45～65岁。尸体来源:福建中医学院解剖教研室。②通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量,运用超级空间有限元电算程序(SUPER-SAPV)将腰段脊柱按空间有限离散的原则划分为496个单元,1002个节点。并在计算机上建立三维空间坐标系,模拟完整脊柱腰段力学模型。运用横截面积肌力计算法,测量尸体腰椎周围肌肉:腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积,及其与腰段脊柱纵轴的中心距数值,求得力矩值。再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值。通过对本模型重力及肌力的加载,使其更接近于正常人体腰段力学状态。运用腰椎周围不同肌肉对腰段脊柱作用力的变化,模拟正常活动范围内脊柱腰段前屈、后伸、右侧屈、右旋4种不同工况。分别计算相应载荷下脊柱腰段小关节的动态应力分布状况和应变值。结果:腰段小关节在正常生理活动范围内,各节段小关节前屈、后伸位、右侧屈(左侧)、右旋位(左侧)应力值由L5～S1至L1～2分别从122.83,282.51,92.22,118.84MPa减少至32.58,64.63,4.29,2.39MPa。小关节在后伸位时应力值最大,其次是前屈位及旋转,侧屈位应力值最小。结论:前屈及后伸位出现明显的应力集中,其中后伸位最为明显。     

以三维非线性有限元法分析融合腰椎的生物力学变化

背景：MATLAB具有大型数值计算、数学绘图和简单有限元分析的能力,建模速度快,能够识别BMP和JPG格式的灰度图,并可将识别的数据直接转换为ANSYS三维有限元软件可识别的格式,避免了常规在Autocad软件中图像的重新定位和二次处理而产生的人为误差。
　　目的：寻求一种简便、快捷、准确的方法建立各种腰椎融合模型,对腰椎融合后腰椎活动节段的生物力学进行分析。
　　方法：利用薄层CT技术,结合Matlab(Matrix Laboratory即矩阵实验室)科学计算软件,辅助Ansys有限元分析软件建立各种腰椎融合模型。对所建立的模型施加各种载荷,分析其生物力学变化。
　　结果与结论：对所建立的融合模型施加轴向、屈曲及伸展载荷后,生物力学分析得出所有的融合模型中椎体间融合稳定性最好。和关节间融合相结合,椎体间,侧后方,后方融合模型的轴向位移较单独的椎体间,侧后方和后方融合模型分别减少5%、1%和4%。在伸展-屈曲载荷条件下旋转角度分别减少23%、11%和45%。应力向融合部位集中的现象表明融合块可增加载荷的转移。说明薄层CT和Matlab软件的辅助使得Ansys有限元软件建立腰椎融合模型的速度和精度提高。小关节融合和椎体间,侧后方,后方融合相结合,可使腰椎获得更好的稳定性,这种稳定性的增加在后方融合中更为显著。后方融合模型的应力分布更加合理。     

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。     

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.     

胸腰段脊柱节段撞击能量与几何参数变化及生物力学变化的相互关系

目的探讨胸腰段脊柱节段撞击能量与几何参数、几何参数变化与生物力学的相互关系,为评判脊柱损伤程度及稳定性变化提供相应的客观标准,为治疗中采取适宜的生物力学方法提供确切的实验依据. 方法对 18例新鲜尸体胸腰段脊柱标本进行不同能量的撞击,复制成不同损伤程度的 L1椎体爆裂骨折模型.结合脊柱三维稳定性测试,进行椎体几何参数及生物力学分析. 结果低能量撞击使节段出现结构"松弛"的现象,椎体几何参数仅角度参数部分出现变化( P< 0.05),表明椎间松弛、椎体无明显破坏.中、高能量撞击使椎体几何参数发生明显变化,中能量组后伸位时前椎体高( AVH)、畸形率 (DR)可基本恢复正常,而后椎体高 (PVH)和椎体直径 (VD)不能恢复正常( P< 0.05);高能量组 AVH和 DR后伸时也可恢复到正常,然而, PVH和 VD与正常相差更加明显( P< 0.01).牵伸作用后,中、高能量组除 VD外,其余线性和角度参数都能基本恢复至正常,表明牵伸能使椎体得到较好复位. 结论 AVH、 DR和角度参数可作为判断脊柱稳定性的指标;而 PVH、后单位高( PUH)不到正常的 85%时,预示着损伤节段结构的严重破坏,为重度爆裂粉碎骨折.牵伸力是满足椎体几何参数恢复的有效生物力学方法.重度爆裂骨折的后伸复位也有一定的危险性.     

腰椎运动节段终板凹陷角变化的有限元分析

背景：终板的组织形态改变可通过影响对椎间盘的营养传递最终导致椎间盘的退变。 目的：观察终板凹陷程度变化对腰椎运动节段牛物力学的影响。 设计、时间及地点：有限元模型生物力学分析。于2005—01／200701在浙江大学医学院附属第二医院骨科生物力学实验室完成。 材料：德国西门子SOMATOM SENSATION 16螺旋CT机。ANSYS有限元分析软件（Inc．Pennsylvania．USA）。 方法：在以往建直的腰椎L4～5运动节段三维非线性有限元模型基础上，采用CAD方法精确构建大、中、小3种不同终板凹陷角的有限元模型，有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下，分别对3种有限元模型生物力学参数进行测试。 主要观察指标：终板椎间盘界面应变、椎间盘刚度、髓核内压、椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力。 结果：负载条件下，终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小，椎间盘刚度及髓核内压增加，椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。 结论：终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用；同时可通过影响终板的形变减少对椎间盘的营养传递。     

有限元分析法在腰椎生物力学研究中的应用

背景:有限元分析法是目前是脊柱生物力学常用研究方法之一,随着成像、图像处理的进步及有限元分析软件的不断开发与应用,脊柱生物力学研究得到了更深入的发展。目的:综述有限元的概念、原理与其他生物力学研究方法的差别。方法:应用计算机检索中国知网数据库、维普数据库和PubMed数据库中1979/2011-01关于腰椎生物力学有限元分析的文章,在标题和摘要中以"腰椎;有限元;生物力学"或"lumbar,finite element,biomechanics"为检索词进行检索。选择文章内容与腰椎有限元分析相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。共收集591篇文献,根据纳入标准选择20篇文献进行综述。结果与结论:近几年有限元分析法在腰椎生理和病理情况生物力学分析中的应用;不同手术方式、内固定器械及人工植入物对腰椎生物力学的影响均有不同。     

基于CosmosWorks有限元分析在腰椎弹性内固定棒中的应用

背景:引起假体松动的原因主要有力学因素和生物因素,所以应力分布和松动的机制是目前研究热点.目的:应用有限元分析腰椎"U"型弹性内固定器的力学特征.方法:运用solidworks2008三维建模软件建立弹性内固定棒的实体模型,并借助其中的CosmosWorks工具进行有限元分析,分别施加压缩、前屈及拉伸等各种生理载荷,观察模型在不同载荷下弹性内固定器的应力分布,内固定棒在变形过程中其本身结构中各节点、单元的受力、位移情况.结果与结论:"U"型弹性内固定器的应力分布在"U"型连接棒的"U"型区上,应力应变曲线表现出较好的弹性作用.     

有限元分析在腰椎生物力学应用中的研究与进展

背景:有限元法运用数学形式概括脊柱的结构形状、材料性能、载荷边界条件等,通过改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。目的:回顾性分析腰椎有限元模型的建立方法、有限元软件在腰椎生物力学中的应用以及有限元分析在腰椎植骨融合后临近节段活动度的改变及应力改变中的应用。方法:由第一作者检索1990/2010年PubMed数据库及CNKI数据库有关有限元法在腰椎建模及腰椎不同植骨融合式对腰椎融合节段、临近节段应力改变影响等方面的文献。结果与结论:有限元分析被越来越广泛的应用于医学,并成为其重要组成部分。在脊柱方面,有限元分析可以全面了解不同植骨融合术式及各种内固定对其生物力学改变的影响,从而可以改进植骨融合术式及优化内固定器械。但有限元毕竟属于理论性的分析,未来的研究应将其与动物实验及长期临床随访相结合,从而可以很好地预测手术远期疗效,并对并发症的预防具有重要临床意义。     

有限元分析在腰椎生物力学研究中的应用

三维有限元分析方法作为脊柱生物力学研究方法之一,随着人们对脊柱力学特性的认识,有限元分析软件在国内外不断开发与应用,不但促进了有限元技术的发展,而且推动着脊柱生物力学研究更深入发展.文章介绍了有限元的概念及其原理,总结了有限元分析法在腰椎生理和病理情况下生物力学分析中的应用,概述了不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响,系统的概述了有限元法在腰椎融合方面的研究,包括不同术式对椎间融合器cage的生物力学特点及其置入后对融合节段生物力学的影响,动力性融合、人工椎间盘置入对脊柱生物力学的影响,探讨了应用有限元法分析骨质疏松性腰椎椎体的应力分布、骨折发生机制,分析了肌肉在有限元分析中的作用及意义,展望了有限元法在脊柱生物力学研究中的应用前景.     

人工腰椎间盘置换的有限元模型

背景:国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟,但对人工帷间盘置换前后腰椎生物力学系统的有限元模拟报道较少.目的:实验建立腰椎运动节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的新型三维有限元模型,并在此基础上进行有限元分析.设计、时间及地点:观察性实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.对象:选择1名健康成年男性志愿者作为模拟对象,对脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15.进行三维重建,获取用于建立三维模型的相关数据.方法:将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型.主要观察指标:结合SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.结果:成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.L4～5节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的有限元模型总节点数为2542个,包括1924个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型.