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。      

有限元分析在腰椎手法治疗中的生物力学研究进展

中医腰椎手法在腰痛等慢性损伤性腰椎病的疼痛治疗中有明显的临床优势,但其基础研究不足是限制手法进步的重要因素。利用有限元技术能够很好地模拟各类腰椎手法的力学状况,分析其作用机制,验证假说,规范手法操作,定量、定性和优化治疗方案,为手法治疗的基础研究提供有效的研究方法。通过回顾近年腰椎手法治疗的有限元研究,探讨不同腰椎手法对椎间盘、附属结构、脊柱负荷以及椎体力学稳定性的影响,结果发现目前关于腰椎手法的有限元研究有待于对模拟方法进行标准化和精确化,同时可进一步推广有限元的研究思路,更好地指导中医腰椎手法的临床运用。     

腰椎小关节的生物力学研究：三维有限元分析

作者对于腰椎小关节进行了三维有限元分析。结果表明,腰椎小关节在直立位、前屈位和后伸位时,均出现明显的应力集中。而腰椎间盘退变时,其应力水平又较正常时升高。作者认为,腰椎小关节过载可能是引起腰背疼痛的原因之一。腰椎间盘退变可使小关节承载加大。引起小关节的一系列病理变化,进而导致神经根管狭窄及神经根卡压。     

腰椎椎间植骨融合的三维有限元分析

本研究首先建立腰椎椎间融合三维有限元模型,旨在分析腰椎椎间融合内部生物力学响应。在此基础上进行前路单节段融合,以观察复位,融合,固定后的应力分布和临近节段退变机制。目的为脊柱内固定设计和应用提供理论依据。同时为腰椎融合,固定进行临床观察和研究,尤其以手术方法的选择和适应症提供参考。     

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。     

有限元分析法在脊髓损伤生物力学中的研究进展

脊髓损伤时的变化非常复杂,动物模型很难精确模拟损伤环境以及测量局部组织的生物力学属性,而有限元模型则可以通过分析脊髓组织的应力和应变分布,从生物力学角度为脊髓损伤的病理研究和治疗提供一个更为高效的方法。目前,有限元模型已被广泛应用,并与动物实验模型相辅相成。本文回顾了有限元法在脊髓损伤中的研究进展,对有限元法在脊髓本体建模、脊髓损伤的生物力学行为及其临床应用等方面的研究现况进行归纳及总结,以期为临床脊髓损伤问题提供更为全面的理论参考。     

山羊胫骨植入体骨整合生物力学有限元分析

为了进一步研究力学环境对骨整合的影响,建立了与山羊胫骨植入体骨整合动物实验模型相对应的三维有限元模型.种植体模型是在CAD软件Pro/E中建立的螺旋锥状种植体,并导入有限元分析软件Ansys中按螺旋状模式进行计算.骨的模型是在Ansys中根据动物实验中胫骨的实际尺寸建立的理想模型.有限元分析中考察了骨-种植体界面在三种不同载荷-轴向载荷、横向载荷和扭矩作用下的应力分布.分析结果表明骨-种植体界面应力分布无论在整体上还是在局部上都有一定规律,另外应力分布还和骨质有关.     

椎间植骨融合效果与腰椎前柱组织结构及生物力学的关系

背景：腰椎融合后,椎间植骨融合率低,是临床上亟待解决的问题。 目的：阐述椎间植骨融合效果与腰椎前柱的关系,分析其组织结构及生物力学发生改变后对椎体间植骨融合效果的影响。 方法：电子检索CBM/CNKI(2000/2010)和计算机Medline数据库(1995/2010)收录的腰椎椎间植骨融合的相关综述和论文报告,找出并分析其中与前柱结构及生物力学相关的研究进展。 结果与结论：腰椎前柱的完整性及生物力学的稳定性对椎间植骨融合的效果有显著的影响。在腰椎前路间盘切除及腰椎前柱爆裂骨折撑开内固定中,应该着重保护好椎体前柱结构及血运,尽量恢复腰椎前柱结构的完整性及稳定性,维持腰椎正常的生物力学环境,以期达到理想的椎间融合效果。     

有限元方法在脊柱生物力学中的应用研究

有限元分析可对形态、结构、材料和载荷情况及复杂的构件进行应力、应变分析,具有力学性能测试全面、可重复性等优点,目前广泛应用于脊柱复杂结构的生物力学研究中。文章简单介绍了有限元的概念、原理和建模方法,主要从腰椎、颈椎、内固定器械和术式选择上阐述了有限元在脊柱上应用。     

有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1~5节段有限元模型,对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态,获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中;各阶模态最大振幅急剧变化,L5节段腰椎附近的振幅较大,是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数,对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。     

有限元分析法在口腔生物力学领域的应用

在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体的力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。本文综述了有限元法在解决口腔生物力学问题中的研究进展,包括口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域的力学性能评价。有限元法为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。指出了有限元法在口腔生物力学中应用的不足以及三维模型重建和分析中需进一步改进和研究的问题。     

全腰椎三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立全腰椎及骶椎的有限元模型,为分析L4～5之间纤维环易破裂的病理提供可靠的模型。方法利用健康成人椎骨的CT影像,采用Mimics医学图像处理软件和Geomagic逆向工程软件建立L1～S1椎骨和椎间盘三维模型,再导入有限元软件Hypermesh中划分网格,并附加腰椎相关韧带,赋予材料属性,建立边界条件,构建腰椎加骶椎有限元模型;模拟腰椎受轴向压力、前弯、侧弯和后伸4种载荷下的生物力学反应。结果模型在受到10 N.m载荷作用分别发生前屈、侧弯和后伸运动下的整体刚度分别为0.61、0.7和0.75 N.m/(°),与实验结果较为吻合;轴向施加力和弯矩时L4～5之间的纤维环应变较大;纤维环在各种载荷下均出现较明显的应力集中。结论 L4～5之间纤维环局部应力集中和应变较大是导致其易破裂的原因之一;所建立的L1～S1椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特性,可用于脊柱生物力学的进一步研究。     

后部结构切除对腰椎应力分布影响的三维有限元分析

本文应用三维有限元方法研究了后部结构切除后腰椎应力分布的变化.结果表明.后部结构切除对腰椎的应力分布未发生明显影响,但各部分的应力水平均有所上升。并就与此有关的临床问题进行了讨论.     

Combination of finite element modeling and optimization for the study of lumbar spine biomechanics considering the 3D thorax-pelvis orientation

A model of the lumbar spine capable of taking into account realistic loads derived from human activity would be of great benefit in studying its normal biomechanical functioning as well as its in vivo behavior in injured and surgically altered states. This paper proposes a method to analyze the mechanical response of the lumbar spine subjected to loads derived from human activity, combining a non-linear finite element model (FEM) and an optimization-based force predicting algorithm. Loads borne by the lumbar spine at the T12-L1 level (joint loads) are first predicted with the optimization algorithm and then applied to the FEM, while a boundary condition prescribing the relative L1-sacrum rotation is imposed onto the FEM to account for three-dimensional physiological thorax-pelvis orientation. The prescribed rotation is achieved through the application of moments on L1. To account for the effect of these moments on lumbar joint loads, an iteration between the optimization technique and the FEM computation has been carried out. This method provides two main benefits over previous studies: first, it allows for the application of any 3D loading condition while considering the real 3D rotation measured between the thorax and the pelvis, and second, it makes it possible to estimate the moments that must be applied on L1 in order to maintain this rotation, taking them into account when predicting joint loads. As an example application of the method, results are presented for the lumbar spine mechanical response at the time of peak T12-L1 joint force during walking.     

新型腰椎后路动态稳定系统的三维有限元分析

目的对新型腰椎后路动态稳定系统进行三维有限元分析,研究其在稳定节段及邻近节段的生物力学影响,为下腰痛的脊柱内植物的设计和应用提供参考。方法基于正常腰椎有限元模型,构建腰椎不稳损伤模型,即腰椎切除腰4和腰5之间的双侧小关节、腰4椎板下1/2、后纵韧带,形成脊柱失稳模型,分别在失稳模型上进行坚强内固定系统和后路动态稳定系统,比较两种术式对手术节段和临近阶段的活动度、各个节段的弯曲刚度、椎间盘应力水平、前纵韧带应力水平及小关节韧带拉力的变化情况。结果对内固定桥接节段(腰4/腰5)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均明显减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;腰4/腰5椎间盘最大应力均减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;对邻近节段(腰3/腰4、腰5/S1)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均有所增大,但坚强固定后活动度增加更明显,应用动态稳定系统邻近节段活动度更接近于正常腰椎节段;邻近节段椎间盘最大应力均增大,但坚强固定后增大更明显,应用动态稳定系统更接近于正常腰椎节段;应用腰椎内固定后,邻近节段的小关节应力峰值增大,并且应用腰椎坚强内固定模型的小关节应力增大更多;应用腰椎动态固定的模型邻近关节应力峰值更加接近完整腰椎模型。结论新型腰椎后路动态稳定系统对比坚强内固定系统能够使失稳节段的活动更加接近于正常,减小邻近节段的活动度增加,减小邻近节段椎间盘及小关节压力,说明新型腰椎动态稳定系统达到设计要求。     

Finite element analysis of the spondylolysis in lumbar spine

Spondylolysis is a fracture of the bone lamina in the pars interarticularis and has a high risk of developing spondylolisthesis, as well as traction on the spinal cord and nerve root, leading to spinal disorders or low back pain when the lumbar spine is subjected to high external forces. Previous studies mostly investigated the mechanical changes of the endplate in spondylolysis. However, little attention has been focused on the entire structural changes that occur in spondylolysis. Therefore, the purpose of this study was to evaluate the biomechanical changes in posterior ligaments, disc, endplate, and pars interarticularis between the intact lumbar spine and spondylolysis. A total of three finite element models, namely the intact L2-L4 lumbar spine, lumbar spine with unilateral pars defect and with bilateral pars defect were established using a software ANSYS 6.0. A loading of 10 N.m in flexion, extension, left torsion, right torsion, left lateral bending, and right lateral bending respectively were imposed on the superior surface of the L2 body. The bottom of the L4 vertebral body was completely constrained. The finite element models estimated that the lumbar spine with a unilateral pars defect was able to maintain spinal stability as the intact lumbar spine, but the contralateral pars experienced greater stress. For the lumbar spine with a bilateral pars defect, the rotation angle, the vertebral body displacement, the disc stress, and the endplate stress, was increased more when compared to the intact lumbar spine under extension or torsion.