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。     

腰椎棘突间Coflex动态固定的三维有限元分析

目的比较腰椎棘突间Coflex动态固定、单纯减压及坚强固定术后各节段活动度及椎间盘应力,分析Coflex系统的生物力学特点。方法运用三维有限元方法建立正常成人腰骶椎模型,及开窗减压、棘突间Coflex动态固定、椎弓根钉棒坚强固定模型,约束骶骨及髂腰韧带,施加500N预载荷和7.5Nm运动附加力,测量腰椎节段各方向的活动度及椎间盘应力。结果 Coflex固定模型活动度和椎间盘应力分别为,植入节段(L4/5):前屈3.15°,2.571MPa,后伸1.21°,2.109MPa;上位邻近节段(L3/)4:前屈3.46°,2.001MPa,后伸2.75°,3.149Mpa;下位邻近节段(L5S1):前屈3.22°,2.681MPa,后伸2.46°,3.812MP。结论 Coflex动态固定可保留植入节段部分活动度并减低其椎间盘应力,而对相邻节段活动度及椎间盘应力无明显影响。     

基于冷冻切片的人体腰椎三维有限元模型

目的利用上海交通大学生命质量与机械工程研究所自主开发的冷冻切片处理软件CryoSegmemation提取人体骨骼的边缘,利用逆向工程软件Imageware建立骨骼的面模型,在ANSYS中建立人体腰椎的三维有限元模型。方法利用第三军医大学的第一例男性冷冻切片数据进行图像处理,截面轮廓线信息处理。结果准确快速地建立了完全符合人体解剖特征的腰椎三维有限元模型。结论利用该研究所自主开发的冷冻切片软件和一些现有的商用软件可以准确、快速地建立人体腰椎的三维面模型、体模型及有限元模型,为航空、车辆、船舶、生物医学工程等不同的领域进行数值模拟计算和动力学仿真提供完全符合人体解剖学特征的原始模型。     

基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

背景：与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。 目的：建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。 方法：利用GE 64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,最后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证。 结果与结论：成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144 411个节点,88 742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近。 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性。 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C₃段扫描,获取二维图像。直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C₃节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C₃段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型。垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N•m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度。 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663 551个单元,178 247个节点。施加预载荷及1.5 N•m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符。从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大。上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小。对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C₂-C₃小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况。结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性。     

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。     

关于腰椎三维有限元模型的建模及有效性验证*

[摘要]目的 利用三维有限元原理，通过三维 有限元软件创建正常人腰骶椎三 维有限元模型，并对 模型进行有效性 考证。方法 选取一名健康成年男性志愿者，在平卧非承重条件下采用螺旋CT行薄层扫描，利用数字软件Simple ware2.0、Geo magic studio9.0、Hypermesh10.0、ANS YS9.0及Abaqus6.10-l等建立正常人腰骶椎（L3-S1）模型。对健康完整模型进行四种状态（前屈、后伸、侧屈和轴向旋转）的加载分析，并将L3-L4在不同工况下的角位移与以往文献结果比较，来验证模型的有效性。结果 建立健康成年男性的L3-S1三维有限元模型，包括72158个节点，173035个单元；模型L3-L4节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的角位移数值与其他实验数据对比相似性好，各椎间盘最大Von Mises应力与文献结果一致。结论 通过有效性验证，可认为该基于正常人体L3-S1腰骶部的三维有限元模型在一定的条件下是有效的，可用于生物力学实验。     

基于三维有限元模型的人体全腰椎振动特性研究

振动暴露被认为是诱发腰椎退行性病变和下腰痛的重要原因,本研究旨在探寻振动载荷对腰椎生物力学的影响。基于人体腰椎L1节段至骨盆(L1-pelvis)的CT扫描数据,重构L1-Pelvis三维几何模型。对该几何模型进行网格划分和材料特性赋值,建立L1-Pelvis三维有限元模型,并利用可获得的实验数据对模型的有效性进行验证。基于该有限元模型,通过瞬时动态分析计算出腰椎各运动节段在幅值40 N,频率5 Hz轴向正弦振动载荷作用下的力学响应,并与-40 N和+40 N轴向静态载荷作用下的结果进行对比,响应参数包括椎体轴向位移、纤维环膨出变形和纤维环基质冯·米塞斯应力。研究结果表明,相比于静态载荷,振动载荷下腰椎各运动节段的椎体轴向位移、纤维环膨出变形、纤维环基质冯·米塞斯应力的幅值分别增加了0.550～1.020 mm、0.124～0.251 mm、0.043～0.099 MPa,最大增幅分别可达195.0%、175.7%、151.4%。从量化角度说明振动载荷下腰椎发生损伤的风险更高。     

颞下颌关节骨骼肌肉系统三维有限元模型的构建

目的探讨基于影像学与解剖学构建颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)骨骼肌肉系统三维有限元模型的可行性,为TMJ生物力学研究提供建模的新思路。方法采集第2代中国虚拟人男性第23号头颅CT图像、咀嚼肌及TMJ关节盘MRI图像,以DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建,再通过Geomagic Studio软件配准模型、优化模型及构建关节软骨和关节囊,最后由ANSYS软件定义各组织的材料属性,建立TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。结果建立了一个包含关节盘、关节软骨、关节囊、上颌骨(包括颧骨及鼻骨)、下颌骨、颞骨(包括部分顶骨)、蝶骨、上牙列、下牙列、颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌、颞下颌韧带、蝶下颌韧带及茎突下颌韧带的TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。结论根据CT、MRI图像和解剖学,利用Mimics、Geomagic Studio及ANSYS可以精确、可行地构建TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。模型更加真实还原TMJ的生物力学环境,为TMJ生物力学研究提供新的建模方法,为临床上TMJ疾病的可视化治疗提供仿真平台。     

前路腰椎间融合后路关节突螺钉固定术螺钉应力的有限元研究

目的：建立L4.5节段的三维有限元模型，比较研究前路腰4／5椎间双枚椎间融合器（cage）融合加后路两种关节突螺钉内固定（TLFS和TFPS）后的应力特点。方法：选择一名青年自愿者的正常腰椎，进行螺旋CT层厚0．625mm的连续水平扫描，将所得的数据以Dicom格式转入计算机，借助Mimics11．1软件，建立L4.5节段的几何模型。将几何模型转入Simpleware2．1软件，同时将螺钉和cage以STL格式转入Simpleware软件进行匹配，模拟前路椎间双枚cage融合加后路TLFS固定、前路椎间双枚cage融合加后路TFPS固定等两种临床术式，从而建立TLFS和TFPS有限元模型，导入Abaqus6．51进行分析，在L4椎体上表面施加500N压力模拟轴向压缩、再施加10Nm的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈和旋转等各种生理载荷，观察不同载荷下螺钉的应力分布，并由此对两种关节突螺钉应力的特点进行比较。结果：两种关节突螺钉在关节突关节部应力集中明显；在每种螺钉中，其关节突关节部应力值均在轴向压缩载荷下最小，在侧屈时最大；两种关节突螺钉的关节突部应力在各种生理载荷下比较，TLFS均明显大于TFPS（P〈0．01）。结论：在前路椎间融合的前提下，从减少螺钉疲劳断裂可能性角度，应首选TFPS辅助固定。两种关节突螺钉辅助固定术后均需有效外固定以减少螺钉应力集中可能引起的螺钉断裂。     

成年人腰椎-骨盆的三维有限元模型的建立及验证

目的建立成年人正常腰椎2-骨盆的三维有限元模型,并验证其有效性。方法选择24岁男性志愿者1例,自腰椎1至骨盆水平进行薄层CT扫描,获得577幅水平截图。将扫描的数据资料导入到Mimics软件中,通过阈值划分、区域增长、蒙版编辑等处理后生成三维表面模型。再导入Solid Works逆向工程软件构建实体模型,再导入到Hyper Mesh软件中划分四面体网格,按照解剖部位和形态建立终板、纤维环、髓核及椎体前后的韧带和骨盆周围韧带,以及上下关节突软骨、骶髂关节软骨、耻骨联合部软骨。参照既往文献数据,对模型进行赋值,用Abaqus软件分析。结果建立了腰椎2-骨盆的三维有限元模型,在约束臼顶,腰椎2椎体上缘施加1 000 N的轴向载荷后,腰椎5椎体上缘参考点的位移值为1.813 mm,腰椎5椎体上缘最大应力值为19.139 MPa,轴向压缩刚度为551.572 N/mm。施加7 N·m的弯曲载荷时,模型在前屈、后伸、右侧屈、左侧屈、右旋转、左旋转工况下角位移分布为5.641 15°、5.568 84°、2.101 90°、2.103 57°、2.186 61°、1.426 59°,平均轴向扭转刚度为4.05 N·m/(°)。测试结果与文献结果相当。结论建立的正常人体腰椎2-骨盆的三维有限元模型,精确度及准确度均较高,受力情况与实际情况相符合,可供下一步的研究。     

腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证

目的建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型,通过生物力学实验进行有效性验证。方法利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料,采用Simpleware建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织,并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊,建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构,还构建了纤维环、髓核、上下终板组织,并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有281261个节点和661150个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较,验证了模型的有效性。结论建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型,此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。     

腰椎间关节滑膜嵌顿的解剖

在20具成人腰部脊柱标本上观察了腰椎间关节的结构。椎间关节囊的前、后壁紧张,上、下壁松弛.关节腔的上、下两极被滑膜皱襞填充.关节滑膜内有神经纤维,可能与痛觉有关.当关节运动和多裂肌收缩不协调时,滑膜皱襞可能被嵌于椎间关节面之间而导致腰背痛.     

正常下尺桡关节三维有限元模型的建立及验证

背景：国内外学者已应用有限元分析在前臂的桡骨骨折及其固定、尺骨骨折及其固定等方面进行了生物力学评价,但还未见应用该方法对下尺桡关节进行生物力学评价相关的文献报道。 目的：建立并验证下尺桡关节三维有限元模型,用于临床的生物力学研究。 方法：将1名健康男性志愿者右肱骨远端到腕关节中段的CT和MRI图像,导入Mimics10.01和ANSYS10.0中,建立下尺桡关节三维有限元模型,模拟体外生物力学试验,在横向拉伸、轴向压缩、旋前和旋后扭转4种工况下观测下尺桡关节各结构的应力分布,所得结果与文献报道的生物力学实测数据比较验证。 结果与结论：所构建的下尺桡关节有限元模型共有333 805个单元,508 384个节点,客观反映下尺桡关节真实解剖形态。所建模型在横向拉伸、轴向压缩、旋前和旋后扭转4种工况下,理论分析结果与生物力学实测数据一致。证实所建的下尺桡关节有限元模型真实性较高,可用于生物力学分析实验。     

下颌前突的三维非线性有限元应力分析

下颌前突是最常见的颌面畸形,其下颌骨的力学环境不同于正常人。基于一位下颌前突患者的头部CT片,建立下颌骨的三维有限元模型,关节盘和关节软骨层间考虑接触,对其施加模拟正中咬合的载荷,分析下颌骨不同部位的应力分布特点,为下颌前突的治疗提供参考。结果表明:下颌骨的高应力区出现在乙状切迹和下颌角,分别为13.337MPa和13.850MPa;下颌骨的最大变形发生在颞下颌关节(TMJ)区域。通过与正常人下颌骨的比较,发现下颌骨大部分区域的应力分布较为吻合,但TMJ内的应力分布存在较大的差异,表明下颌前突可能导致TMJ内紊乱症,甚至髁突吸收、关节盘穿孔。可见,除了必要的矫形或手术治疗外,有时还需要针对TMJ进行治疗。     

棘突间融合装置联合椎体间融合对下腰椎稳定性影响的三维有限元研究

目的探讨棘突间融合装置联合椎体间融合时对下腰椎稳定性的影响。方法在健康成年男性L4-5节段CT扫描图像的基础上,利用软件Simpleware4.2、GeomagicStudio10.0及Abaqus10.0建立L4-5有限元模型(INTACT)。验证模型有效性后建立单侧椎弓根螺钉固定联合椎间融合(UPS)、双侧椎弓根螺钉/钛棒固定联合椎间融合(BPS)和棘突间融合装置固定联合椎间融合(ISF)三种手术模型。对各模型实加500N预载荷的同时以2N.m为间隔,自2N.m开始逐级累加至最大10N.m,观测其应力分布、相邻节段的角位移。结果各工况下三种手术组的角位移(ROM)均较INTACT组明显减小,减小的程度BPS最高,而ISF除右侧弯方向上均高于UPS;三种手术组范氏应力云图显示,BPS组与ISF组相似,UPS组存在较高的应力集中,范式应力峰值无论在椎间融合器还是在内固定器械上由大到小依次均为:UPS>ISF>BPS。结论 ISF联合椎间融合能够为下腰椎脊柱重建提供适度且足够的稳定性,因而可以为下腰椎退行性疾病的治疗提供一种新内固定选择。     

腰椎椎体应力分布的三维有限元分析

应用三维有限元方法对腰椎椎体应力分布的研究表明.椎体松质骨的应力集中区域位于邻近终板的中央部分,而椎间盘发生退变后这一现象即不明显.作者认为椎体的应力分布及腰椎的载荷传递依据椎间盘的情况而不同,并对有关的临床意义进行了讨论.