人工腰椎间盘置换后下位关节突关节内压力的变化*★

目的：腰椎间盘和关节突关节共同维持腰椎的稳定，任何一个部分的退行性变都将引起另两部分的退变。观察SB Charite人工腰椎间盘假体置换对相邻下位关节突关节内压力的影响，以提供人工椎间盘临床应用的生物力学参数。 方法：实验于2003-03在国防科技大学航天与材料工程学院力学实验室完成。①实验材料：10具新鲜成人尸体腰椎标本，包括L2~5椎体及其椎间盘，死者均为急性脑死亡的健康青壮年。肉眼及X射线观察以排除标本无畸形、退行性变及结构性破坏。剔除椎旁肌肉及其筋膜组织，保留所有的韧带、椎间盘及关节囊并维持其完整性。②实验方法及评估：将Ω状微型电阻式压力传感器置入L4/5关节突关节，分别测量L3/4椎间盘完整和人工椎间盘置换两种状态下轴向（400～2 000 N）、后伸、对侧弯和同侧弯(2~10 N·m)载荷4种工况时L4/5关节突关节内的压力。 结果：纳入成人尸体腰椎标本共10具，均进入结果分析，实验过程中标本无破坏和脱落。轴向、后伸、同侧弯及对侧弯加载条件下，人工椎间盘置换组与椎间盘完整组比较，下位关节突关节内压力差异均无显著性（P > 0.05）。 结论：①人工腰椎间盘置换后相邻下位关节突关节内压力与正常时无明显改变。②人工椎间盘置换在重建腰椎生物力学性能的同时不会引起相邻下位关节突关节内压力的改变。     

轴向载荷对双节段颈椎人工椎间盘置换邻下位关节突关节压力影响

【摘 要】 目的 探讨轴向载荷对双节段颈椎人工椎间盘置换和前路椎间融合内固定对邻下位节段关节突关节内压力的影响,为双节段人工颈椎间盘置换的临床运用提供生物力学依据。 方法 取11具新鲜完整的成人下颈段标本,按实验先后分别制成C4/5、C5/6椎间盘完整、椎间盘置换、椎间融合三个模型组,在标本上施加轴向分级载荷,将微型阻电式压力传感器置入C5/6、C6/7关节突关节内,测量合组各分级载荷下C5/6、C6/7关节突关节内的压力。 结果 1.在轴向加载下,下位节段关节突关节内的压力随着施加载荷的增大而增大。 2. C4/5、C5/6双节段人工椎间盘置换组与椎间盘完整组相比下位置换节段和邻近下位节段关节突关节内的压力变化相近,无显著性差异 (P>0.05)。3. C4/5、C5/6椎间融合组与人工椎间盘置换组、椎间盘完整组相比邻近下位节段关节突关节内的压力高,有显著性差异(P<0.05)。 结论 1. 颈椎双节段人工椎间盘置换后置换下位节段和邻近下位节段关节突关节内压力与完整标本相近,提示颈椎双节段人工椎间盘置换能够重建颈椎生物力学性能。2. 颈椎双节段椎间盘摘除融合内固定后邻近下位关节突关节压力增加,可能是多节段颈椎融合术后邻近节段发生退变或退变加速的原因之一     

人工颈椎间盘置换对下颈椎活动影响的三维有限元分析

建立人工椎间盘置入后下颈椎C3~7的三维模型,分析颈椎人工椎间盘置换后下颈椎运动情况。根据1例人工椎间盘置入患者术后6个月CT片,应用有限元方法建立其包含BryanTM人工颈椎间盘假体的下颈椎三维有限元模型,导入Ansys 9.0中,对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分后进行分析。对模型加载2 N•m的力矩,观察其在前屈/后伸、侧屈及旋转几种状态下的运动情况,了解其运动特性。通过与以往的研究结果比较,试验结果基本符合或趋势基本一致。结果提示,颈椎间盘置换后能基本保证下颈椎运动稳定性。     

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，但对人工椎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2 542个，包括1 924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。     

人工颈椎间盘置换的生物力学系统评价

目的：评价人工颈椎间盘置换对颈椎运动范围及临近节段生物力学的影响。 方法：以计算机检索方法检索中国期刊全文数据库中(CNKI：2005/2009)关于人工颈椎间盘置换治疗颈椎病的临床随访、对照实验，检索词为“人工颈椎间盘置换、生物力学”。检索后对每项研究的资料结果进行提取、分析。 结果：共有21项实验469例颈动脉狭窄患者符合纳入标准，分析结果显示人工颈椎间盘置换后脊髓功能JOA 评分较置换前明显升高，置换节段稳定并部分恢复了颈椎正常的活动范围。而且与颈前路减压植骨融合术相比，人工颈椎间盘置换未增加临近节段的关节活动范围和应力负荷，阻止或降低了临近节段的退变及颈椎活动范围减小的发生率，随访时影像学均未见假体移位、脱落、下沉等并发症发生。 结论：人工颈椎间盘置换使颈椎运动范围得到一定保持，颈椎稳定性好，置换后对邻近节段影响较小，阻止了相邻节段的退变加速，是颈椎病治疗方面一种具有良好发展前景的治疗方法。但由于其临床应用时间短，其潜在的异位骨化、假体下沉、脱出等问题题仍有待于长期临床观察。     

腰椎斜扳手法时椎间盘的有限元分析

背景：利用计算机技术和有限元法分析法研究中医传统的脊柱推拿手法,来解释手法的作用机制、适应证和禁忌证,可为临床上常用的腰椎斜扳手法提供了客观的、科学的理论依据。目的：应用有限元法了解进行斜扳手法时腰椎间盘的内在应力及位移分布的特点。方法：使用正常腰椎CT片,以Mimics软件系统逐层重建,建立L4~5三维有限元模型。根据手法原理,将腰椎斜扳手法进行分解,把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时腰椎间盘的位移和内在应力的变化。结果与结论：椎间盘的应力远小于后部结构;从椎间盘中心到右侧有一个向后的扭转矢量,使椎间盘产生变形。结果证明腰椎斜扳手法对椎间盘是安全的,并且在椎间盘突出的对侧进行手法操作更为合理;腰椎椎管狭窄的患者不宜使用腰椎斜扳手法。     

有限元分析在腰椎生物力学研究中的应用

本文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,展望了有限元法在脊柱生物力学研究的应用前景。     

腰椎关节突关节融合：从植骨融合到螺钉和融合器的应用

背景：腰椎关节突关节是脊柱后柱的重要结构,其固定与融合在腰椎后路手术被广泛应用。目的：阐述了各种腰椎关节突关节融合技术的优缺点和疗效。方法：应用计算机检索PubMed数据库、CNKI数据库中有关腰椎关节突关节融合方法的文献。结果与结论：传统的关节突关节融合方法为关节突关节V形开槽,然后植入松质骨,不需要作大范围的剥离,创伤小,所需植骨量较少,融合率高,缺点是即刻的稳定性较差。经关节突关节螺钉固定联合横突间融合可以提高植骨融合率,但存在融合失败、术后症状缓解不明显、螺钉松动和断裂、硬膜撕裂、螺钉穿刺到椎管引起神经损伤等并发症。圆柱体嵌入椭圆体的融合器有利于融合器与关节面充分的接触,同时提高了融合器的稳定性和抗移位能力。目前对腰椎关节突关节融合的研究远没有对后外侧融合的研究那么充分,系统的生物力学研究和中远期临床疗效及并发症的研究有待深入研究。     

颈椎三维运动对关节突关节压力的作用

背景：颈椎关节突关节压力变化是颈椎生理运动中的一个重要环节,但目前缺少对颈椎生理载荷下关节突间接触压力的直接测量研究。 目的：通过测量颈椎三维运动中关节突关节压力的变化,探讨关节突对颈椎应力分布和运动协调的作用。 方法：6具成年男性新鲜尸体颈椎标本(C2~C7)作为测试对象,将预制的压敏片置于C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突关节内。标本先给予75 N跟随载荷,再以持续加载模式加载力偶。屈伸和侧弯最大2.0 N•m载荷,轴向旋转最大4.0 N•m载荷,测量零力偶和最大力偶时的关节突关节内压力。 结果与结论：零载荷时,C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突分别承受75 N跟随载荷的20.6%,20.0%,21.3%。在运动加载后,完整颈椎在后伸、左侧弯和右旋时均表现为左侧关节突间压力明显增大(P < 0.05);但前屈、右侧弯和左旋时左侧关节突间压力无明显改变。3个节段在各运动方向关节间压力变化无显著性差异(P > 0.05)。结果提示关节突关节内压力变化主要取决于关节突的角度和加载方向。颈椎关节突在传递分散颈椎应力和协调三维运动中发挥重要作用。     

腰椎人工髓核假体置换后并发症及疗效评估

目的：总结分析腰椎人工髓核假体置换后并发症发生情况，在早期临床随访的基础上，比较人工髓核假体置换与传统开窗腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的中、远期疗效。 方法：选择2002-02/2005-08南方医科大学附属南方医院脊柱骨病外科采用单枚人工髓核假体置换治疗单节段腰椎间盘突出症患者98 例, 获得24~60 个月随访患者63例。另外随机选择同期同年龄段单节段腰椎间盘单纯开窗髓核摘除患者200例，获有效随访94例。采用Oswestry 功能障碍指数和Stauffer-coventry疗效评定标准评价疗效，影像学分析手术节段活动度和椎间隙高度变化情况，同时观察假体位置情况。腰椎活动度= 后伸角度-前屈角度；椎间隙高度变化采用病变椎间隙前后缘高度均值与上位椎体中部矢状径的比值表示。 结果：①单纯髓核摘除组8例患者术后复发，行二次椎间盘手术；人工髓核假体置换组3例假体脱出二次翻修将假体取出。其余患者治疗后临床症状均明显改善。②两组Oswestry 功能障碍指数各随访时间点均较术前明显降低，差异有显著性意义( P < 0.05)。③两组Stauffer-coventry疗效评估各随访时间点差异无显著性意义（P > 0.05）。④随访中远期（3.0~5.0年）人工髓核假体置换组手术节段腰椎活动度均优于单纯椎间盘摘除组，差异有显著意义(P < 0.05)。⑤人工髓核假体置换组椎间隙高度比值各随访时间点与术前比较, 差异具有显著性意义(P < 0.05)。⑥主要并发症：人工髓核假体置换组早期出现术后一过性腰痛24 例, 假体脱出3 例。中、远期发现假体下沉32 例, 软骨终板损伤39 例。单纯髓核摘除组8例术后复发。所有病例无术后感染发生。 结论：人工髓核假体置换存在较严重并发症，人工髓核假体置换与传统腰椎间盘开窗髓核摘除中、远期疗效无明显差异。     

Bryan人工椎间盘置换术治疗脊髓型颈椎病

目的总结应用Bryan人工椎间盘置换术治疗脊髓型颈椎病的疗效。方法回顾性分析应用Bryan人工椎间盘置换术治疗的20例脊髓型颈椎病患者,共25个置换节段,其中单节段15例,双节段5例。应用JOA17分法评价术前和末次随访时的临床神经功能状况,并作统计学检验。观察末次随访时颈椎侧位X线片上假体与椎体的相互位置关系以及假体所在椎间隙的活动度。结果所有病人得到随访,随访时间3～24个月,平均15个月。病人术后症状有明显缓解,JOA评分由术前平均10．4分上升至术后平均15．2分。术后随访未见有假体松动、下沉和周围骨化融合,置换间隙前屈后伸活动范围平均为（4．8±1．7）°。结论Bryan人工椎间盘置换术早期临床效果良好,能达到确切的稳定性和部分的活动度保留。     

人工颈椎间盘置换早期运动学分析：55例资料验证

背景：颈椎前路椎间盘切除椎间融合被认为是治疗颈椎病的金标准,但是融合后产生临近节段的加速退变。采用人工颈椎间盘置换治疗颈椎病和颈椎间盘突出症在解除患者脊髓压迫的同时保持了颈椎的活动度和稳定性,恢复椎间盘正常的生物力学特点,防止邻近椎间盘的加速退变。 目的：观察颈椎Prodisc人工颈椎椎间盘置换的临床应用效果及术后的运动学变化。 方法：选择55例69个椎间盘,其中双节段受损14例;男29例,女26例,年龄48(31~76)岁;脊髓型颈椎病32例,神经根型颈椎病9例,混合型颈椎病14例。取颈椎前横切口或斜切口入路行Prodisc人工颈椎间盘置换。于置换前、置换后3,6,12,24个月观察颈椎正侧位、过伸过屈、左右侧屈位片,JOA评分分析置换前后椎间盘功能改善情况。 结果与结论：随访55例69个椎间盘, 41例行单节段人工颈椎间盘置换, 14例行双节段人工颈椎椎间盘置换。置换后随22(56~48)个月。 置换后JOA评分显示椎体功能改善率达56%。置换后手术节段椎间盘矢状面、冠状面活动度与置换前比较差异无显著性意义(P = 0.45, 0.74),并保持了和邻近间隙同样的活动度和稳定性。说明颈椎人工椎间盘置换后保留了原来的椎间盘的活动度,患者恢复快,对邻近椎间盘的影响小。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。 方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果与结论：垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

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。     

应用三维有限元分析正常站立位股骨近端结构生物力学特性

背景：目前股骨有限元研究较多,但以往的研究多集中于股骨外部的生物力学方面。 目的：建立股骨近端结构三维有限元模型,对正常站立位下的股骨近端生物力学特性进行分析以指导临床工作。 设计、时间及地点：三维有限元建模及力学分析,于2009-04在天津医科大学总医院骨科生物力学实验室完成实验。 对象：天津医科大学总医院志愿者1名,男性,30岁,应用X射线排除股骨病变及损伤等情况。 方法：在Mimics中直接读取符合Dicom 3.0 标准的股骨近端原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型加载200 N的垂直载荷, 观察股骨近端内部应力分布。 主要观察指标：对模型施加200 N垂直载荷,观察股骨近端的Von mises应力分布。 结果：应用Mimics和Ansys软件建立股骨近端有限元模型,观察到股骨近端内部应力分布,验证了结构与功能的对应关系。 结论：应用Mimics可以建立更符合股骨近端机械结构和力学性质的三维有限元模型,据此模型得到的股骨近端力学特性分析结果更为可信,以辅助指导临床应用。 关键词：股骨;有限元模型;生物力学     

Bryan人工颈椎间盘置换治疗颈椎病的中期临床随访

背景：Bryan人工颈椎间盘置换的短期疗效优良已被大多数学者公认,但有关其中长期临床效果及并发症的资料较少。 目的：总结Bryan人工颈椎间盘置换治疗颈椎病的中期临床效果。 方法：选择2004-11/2007-12在四川大学华西医院骨科接受Bryan人工颈椎间盘置换的颈椎间盘突出症患者34例,其中单节段置换30例,双节段置换4例。于置换前、置换后7 d、3,6,12,24,36,48个月行SF-36生活质量量表评分、JOA评分、颈部及上肢疼痛目测类比评分;以颈椎正侧位及功能位X射线片测量手术节段、邻近节段及C2~7屈伸活动度的变化,手术节段和邻近节段椎间高度变化及手术节段的轴向平移情况。 结果与结论：所有患者置换后神经症状均明显好转,各随访点SF-36生活质量量表躯体评分和心理评分、JOA评分、颈部和上肢疼痛目测类比评分较置换前明显改善(P < 0.05),3个月之后各随访时点两两比较差异无显著性意义(P > 0.05)。置入的Bryan假体历次随访均保留了>2°的活动度,未发现手术节段异位骨化与自发性融合,随访48个月时手术节段及C2~7屈伸活动度较置换前略有增加,但差异无显著性意义(P > 0.05);上下邻近节段屈伸活动度维持了置换前水平;手术节段的椎间高度由置换前的(6.04±1.02) mm增加到(8.44±0.43) mm(P < 0.05);上下邻近节段椎间高度及手术节段的轴向平移均维持了置换前水平。说明Bryan人工颈椎间盘治疗颈椎间盘退变性疾病的中期临床效果良好,较好的保留了手术节段、邻近节段及整个颈椎的运动学特性,且近中期并发症很少。     

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。