脊柱三维运动分析和颈椎稳定性的实验研究

本文研制了基于双平面立体测量和计算机图像处理的脊柱三维运动的分析系统，该系统可以确定椎体的空间位置和节段间的线位移和角位移。颈椎双侧小关节切除可导致颈椎不稳定，需植骨融合或内固定。本文对Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹和棘突钢丝固定进行了生物力学评价，作为恢复稳定性的一个指标，为临床上选择合适的固定形式提供依据。在９具新鲜成人颈椎标本（Ｃ３－Ｔ１）上、对双侧７５％小关节切除后失稳的Ｃ４－５节段，安放了Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹和棘突钢丝固定，通过脊柱三维运动稳定性评价方法，评价它们重建颈椎稳定性的即刻效果。本文研究表明：（１）Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹能够在前屈、后伸和侧弯运动方向上加强节段的稳定性，恢复节段的轴向旋转运动的稳定性；（２）棘突钢丝固定在前屈运动方向上可加强节段的稳定性，可恢复节段在后伸、侧弯和轴向旋转运动方向上的稳定性；（３）棘突钢丝固定后节段的前屈、后伸和侧弯运动范围均大于Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹固定后的运动范围，尤其是在限制前屈运动时，Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹的固定作用更为明显，但两者限制颈椎轴向旋转运动的能力相近。     

脊柱三维运动测试实验装置的研制

目的研制一套模拟人体脊柱在体运动的离体加载装置,进行脊柱生物力学实验研究。方法利用轴承原理,在加载盘上设计安装旋转锁定装置,加载时旋转于所需测试位置后用螺栓锁定状态,再通过万能材料试验机提供自动加载动力源,在脊柱标本上施加前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转6个方向的纯力矩,模拟脊柱的在体运动,并用三维扫描仪对脊柱标本加载前后位置进行扫描测量。利用该加载装置对6具1岁龄猪颈椎(C2-C6)在6种加载状态下进行运动范围测量,并对该加载装置进行精度验证和误差分析。结果建立了一套人体脊柱三维运动实验装置,6具猪颈椎标本经加载测量得到6个方向的中性区和活动范围数据,总测量误差值小于3.5%。结论该装置巧妙的设计较好地模拟了脊柱在体运动,可实现人体脊柱的快速加载,费用低、方法简单实用,能大大提高实验的效率,在脊柱的离体加载方面具有较大的推广应用价值。     

人体脊柱三维运动的数学描述

本文通过定义人体椎骨的中心位置,并相互连接形成椎骨中心线,来描述人体脊柱的空间三线运动。同时,引入和定义了三维考布角（CobbAngle）,其可通过所建立的脊柱三维空间曲线进行计算,以此来评估人体脊柱的三维变形。     

脊柱三维运动实验加载方式的改进

目的:改进三维运动实验的加载方式。方法:新鲜羊腰椎标本6例(L1~5),置于脊柱三维运动实验机上进行六个自由度的运动。两次预加载后依次对标本进行3、0、0.3Nm的加载,并采集三种加载时的运动图像。3Nm加载及0加载的图像作为传统加载方式计算出脊柱的运动范围及中性区,3Nm加载及0.3Nm加载的图像作为新的加载方式计算出新的脊柱运动范围及中性区,再对两种计算方法得出的运动范围及中性区进行配对t检验,计算两种方法各自的变异率,并进行配对t检验。结果:两种方法得到的运动范围之间不存在差异(P=0.105),但中性区之间存在显著性差异(P=0.013)。采用新的加载方式得到的运动范围的变异系数比以往的方法要小得多(P<0.001)。结论:采用新的加载方式可以得到较为准确的脊柱运动的运动范围。     

腰骶段脊柱的三维运动范围

在７具正常成人男性的新鲜脊柱腰骶段，用整体加载照像测量的方法对腰骶段脊柱各节段的运动范围进行了三维测量，得出腰骶段脊柱的屈伸动动从上到下逐渐加大；测弯运动各节段大致相等；旋转运动以Ｌ５－Ｓ１最大，其他节段大致相等。     

三维有限元分析在脊柱生物力学中应用研究

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。作者从有限元法概念及原理、脊柱有限元模型构建、颈椎和腰椎三维有限元应用、内固定器械三维有限元分析等方面综述了近年来的一些研究进展。     

椎体切除ASF内固定后脊柱稳定性的实验研究

本实验采用新鲜人体胸腰段脊柱标本，模拟Ｌ１椎体切除，椎间植骨，ＡＳＦ或Ｄｉｃｋ内固定，用自制传感器分别测定各载荷下Ｔ１２与Ｌ２椎体的相对转角位移，结果显示：ＡＳＦ和Ｄｉｃｋ器械的生物力学特性相似，内固定－脊柱系统除抗扭能力皆较差外，各种载荷试验表明其稳定性均优于正常标本，当脊柱后柱完全模断时，ＡＳＦ－－脊柱系统前屈失稳。     

基于三维有限元模型的脊柱生物力学特性研究进展

脊柱相关疾病研究是一门新兴的边缘学科,其研究重点即为脊柱的生物力学特性.综合分析了基于三维有限元模型的腰椎和颈椎生物力学特性研究方法;总结出有限元建模的三种方法,即几何建模法、三维坐标仪建模法以及图像建模法;提炼出图像建模法的关键步骤,即几何模型的建立、椎骨和软组织的材料特性定义、边界条件定义以及模型验证分析;最后提出有限元建模的两个主要改进方面及其研究趋势.     

基于逆向工程和快速成型技术的髋骨三维实体模型个性化重建

背景：髋骨解剖结构复杂,传统的X射线片及CT扫描等二维影像检查易受到影像重叠、软组织等的干扰,在髋骨的诊断中具有一定的局限性。通过基于逆向工程技术的数字化建模能全面、直观、精确地显示髋骨立体形态和各部位解剖结构的空间关系,在骨骼研究中有着广阔的应用前景。 目的：利用计算机辅助技术重建个性化的髋骨三维实体模型。 方法：使用手持式三维激光扫描仪对人体髋骨表面进行扫描,得到大量点云数据,综合使用工程软件Geomagic和计算机辅助软件CimatronE对点云进行处理并实现三维模型重建,使用快速成型机完成髋骨的3D打印,得到几何形状一致的髋骨实体模型。 结果与结论：通过基于逆向工程和快速成型技术的数字化建模方法,可得到具有良好几何相似性及生物力学特性的髋骨三维实体模型,可为人工仿生髋骨的数字化制造、虚拟装配、应力分析及模拟手术等提供精确的模型基础。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

离体脊柱生物力学测试的加载方法研究进展

离体脊柱标本三维运动载荷-位移特性的描述是脊柱生物力学研究的基础,如何准确地模拟在体脊柱的载荷与运动情况是脊柱生物力学研究的难点。国内外学者从测试理论与测试工具上都进行了大量的研究。目前脊柱三维运动测试按照控制方法主要分为载荷控制、位移控制和混合控制。基于不同的控制方法,测试工具也在不断的发展与完善之中。总结目前国内外研制的脊柱离体加载装置的工作原理,并分析其主要优缺点,为离体脊柱生物力学加载装置研究提供参考。     

激光扫描多平面动态测量下颈椎椎间高度退变后椎间孔的变化

目的　激光扫描三维重建后动态测量下颈椎椎间高度退变时相应节段椎间孔的变化,为临床诊治神经根型颈椎病提供新的思路和参考。 方法 选用6具新鲜成人尸体颈椎标本,以C5/6单节段脊柱功能单位（FSU）作为研究对象。椎间盘切除后将C5/6椎间高度置于基准高度状态,激光扫描仪扫描收集该状态下C5/6 FSU的空间关系信息,再对骨性单椎体进行全面扫描,在Geomagic Studio8.0软件中再现　C5/6基准状态,并模拟6种椎间高度退变模型,即C5椎向C6椎椎体面趋于平行移动基准高度的10%、　20%、30%、40%、50%和60%。多平面动态测量方法（MPDM）分别测量椎间孔容积、中间面积、内口以及外口面积。 结果 测量数据显示随着椎间高度持续的下降,椎间孔的容积和面积逐渐减小,当椎间高度丢失基准高度30%时,椎间孔中间面积首先开始与基准状态有显著性差异（P=0.003）。 结论 激光扫描三维重建原貌再现骨性表面,是获得精确测量数据的前提;动态测量的方法较为客观准确,是测量椎间孔的理想方法;测量发现在下颈椎骨性椎间孔随着椎间高度在下降而缩小,其中间面积首先发生显著缩小,提示此处容易发生狭窄而引起临床症状。     

3D生物打印技术及其在组织工程中的应用

3D生物打印是在3D打印(three-dimensional printing,3DP)和组织工程等多学科融合的基础上发展出来的一种新兴应用技术,该技术能够根据数字化的模型设计将生物材料和/或细胞打印成三维生物功能体,被广泛应用于血管、骨骼等组织的再生与重建领域.     

利用2D/3D配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究

目的　探讨利用2D/3D配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究。 方法　采集7位健康成年志愿者颈椎的CT影像,对其进行三维重建获得颈椎三维模型,并采集同一志愿者保持同一姿势时的颈椎直立正侧位X线平片,在图像处理软件Mimics中建立虚拟X线场景,采用2D/3D图像配准还原摄平片时颈椎的位置,并利用Rapidform XOR3软件测量两种位置的椎间孔面积。 结果　利用2D/3D图像配准方法,可获得颈椎直立位的三维位置数据,共测得56个椎间孔卧位及直立位两位置椎间孔面积,卧位椎间孔面积为(50.9±14.2) mm2,直立位椎间孔面积为(83.6±23.5) mm2,差异具有统计学意义（t=-8.107,P<0.05）。 结论 利用2D/3D配准技术可获得颈椎直立位椎间孔的形态学参数,直立位与卧位椎间孔有显著差异,但其准确性需要进一步的研究验证。     

儿童脊柱测量及三维重建对脊柱侧凸治疗的意义

目的:测量儿童脊柱解剖学数据,进行脊柱三维重建,为安全开展儿童脊柱侧凸手术及新型器械研发提供形态学依据。方法:9例儿童脊柱标本经CT扫描后分离成单个椎骨,对3例脊柱侧弯儿童患者进行CT三维重建出单个脊椎,测量各节段椎体长、宽;椎体前、后高度;椎管纵径、横径;椎弓根横径及高度。结果:测得儿童脊柱各节段数据,与成人脊柱形态存在显著性差异。三维重建可直观、立体显示脊柱畸形。结论:为安全开展儿童脊柱侧凸手术及新型固定器械的研发提供基木的解剖学数据。     

3D打印骨组织工程支架的制备技术

近年来,随着3D打印技术的飞速发展,人们开始通过3D打印技术去不断完善适合不同需求的定制骨组织工程支架。由于组织工程制造的支架是需要植入生物体内的,这就对支架有着极为严苛的要求。3D打印技术作为一种新兴制备骨组织工程支架的技术,其最大的优点是可以依照需求来定制个性化形状、结构,良好的宏微观结构、润湿性、机械强度和细胞反应的新型骨组织工程支架。本文回顾了2014―2019年间对骨组织工程支架的研究,对3D打印骨组织工程支架进行了总结,并且介绍了在多功能骨组织工程支架设计与制作中的理念与研究。     

3D打印多孔钛支架微观孔隙结构和力学性能

目的研究3D打印技术制造的钻石分子结构多孔钛支架的微观孔隙结构和力学性能,指导3D打印多孔钛骨科植入物的开发。方法采用选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)和电子束熔化(electron beam melting,EBM)两种金属3D打印制造工艺,制造钻石分子结构多孔Ti6Al4V支架。使用光学显微镜和扫描电镜观察其微观孔隙结构,并使用万能材料试验机对这些支架进行压缩测试。结果两种3D打印制造工艺都会存在加工误差,并且在表面存在半熔融金属颗粒。SLM工艺相对误差为20.9%~35.8%。EBM工艺相对误差为-9.1%~46.8%,且制造不出杆件宽度为0.2 mm的支架。SLM工艺制造的支架抗压强度为99.7~192.6 MPa,弹性模量为2.43~4.23 GPa。EBM工艺制造的支架抗压强度为39.5~96.9 MPa,弹性模量为1.44~2.83 GPa。结论 SLM工艺比EBM工艺制造精度高。支架的孔隙率是影响其抗压强度和弹性模量的主要因素,相同工艺的情况下,孔隙率越大,抗压强度越小,弹性模量也越小;相近孔隙率的情况下,SLM工艺比EBM工艺强度高,弹性模量也高。     

颈椎弓根置钉植入的新型3D打印导板有效性研究

目的　通过评价新型3D打印的导板在手术中植入颈椎椎弓根螺钉的有效性,旨在为颈椎内固定器械操作提供准确和安全的方法。 方法　6例无病损成人颈椎标本,CT扫描后重建颈椎的三维数字化模型,根据颈椎椎板的具体的解剖形态特征,设计与颈椎椎板的特异性反向模板,3D 打印出颈椎的导航模块,保证进钉通道的方向和深度。采用个体化的3D导板技术, 6例标本植入84枚钉,X线片和CT图像评价术前设计的椎弓根钉进入的长度和宽度与术后实际符合程度。 结果　通过数字化技术打印的个体化3D导板与颈椎椎板吻合程度高度一致,可以控制植入螺钉方向和长度。采用此导板植入的84枚螺钉中,79枚螺钉位于椎体内,5例穿破椎弓根外出骨皮质,无椎板周围重要解剖结构损伤,椎弓根钉进入的长度符合率达到100%,椎弓根钉进入的宽度符合率达到94.05%。 结论 新型3D打印导板使颈椎椎弓根植入的长度和宽度均达到良好的可控性,并且提高了颈椎椎弓根植入的安全性和准确率。     

Hereditary cerebral small vessel disease: Assessment of a HTRA1 variant using protein stability predictors and 3D modelling

Cerebral autosomal recessive arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy (CARASIL) is an autosomal recessive vascular disorder caused by biallellic variants in HTRA1. Recently, it has been reported that several heterozygous mutations in HTRA1 are responsible for a milder late-onset cerebral small vessel disease (CSVD) with an autosomal dominant pattern of inheritance. The majority of them are missense that affects the Htr1A protease activity due to a dominant-negative effect caused by defective trimerization or monomer activation. The molecular mechanism related to the structural destabilization of the protein supports the practical utility of integrating computational stability predictors to prioritize candidate variants in this gene. In this work, we report a family with several members diagnosed with subcortical ischemic events and progressive cognitive impairment caused by the novel c.820C > G, p.(Arg274Gly) heterozygous variant in HTRA1 segregating in an autosomal dominant manner and propose its molecular mechanism by a three-dimensional model of the protein's structure.     

基于2D/3D配准技术测量颈椎间孔形态学的精度研究

目的　探讨基于2D/3D配准技术测量离体颈椎标本椎间孔形态学的精度。 方法　获取16具颈椎离体标本的螺旋CT影像,通过三维重建获得相应标本的三维模型。然后改变标本的体位,再次行CT扫描并分别拍摄各具离体标本正侧位X线平片,采用2D/3D图像配准技术还原拍摄平片时颈椎的三维位置。利用Rapidform XOR3软件测量配准前与配准后C2/3至C6/7双侧的椎间孔面积、前后径和上下径。 结果　共测得椎间孔的面积、前后径和上下径各158个,经配对样本t检验,配准后椎间孔的面积、前后径、上下径与配准前相比较,结果无显著性差异(P>0.05);椎间孔面积的准确度为96.77%、精确度为（1.27±1.16）mm2,前后径的准确度为94.35%、精确度为（0.30±0.27）mm,上下径的准确度为96.14%、精确度为（0.32±0.28）mm。 结论　应用2D/3D配准技术测量颈椎间孔的形态学参数具有较高的准确度和精确度。     

3D打印技术在脊柱外科中的应用进展

总结国内外脊柱外科,特别是在复杂脊柱疾病中（尤其是严重脊柱畸形和脊柱肿瘤）使用3D打印技术的文献,重点关注提到的3D打印种类、具体应用方法、治疗效果以及成本效益分析。对在脊柱外科手术中使用3D打印技术的文献进行电子检索,国内文献使用中国知网数据库进行检索,国外文献使用PubMed以及Web of Science数据库进行检索。检索词为:脊柱外科、3D打印技术、增材制造、快速成型、脊柱畸形、脊柱肿瘤;英文词为:Spine、Scoliosis、Spinal Tumor、3D printing、Additive manufacturing、Rapid prototyping。并对纳入的文献进行分类总结,检索到文献116篇（中文72篇,英文44篇）,进行全文阅读分析后纳入文献35篇（中文15篇,英文20篇）。根据文献内容将3D打印应用分为手术导板、解剖模型以及个体化植入物。纳入文献提到的优点主要有减少手术时间、出血量、术中照射次数以及手术并发症发生率、改善治疗效果、提高患者满意度等。主要局限在于该技术目前缺乏统一标准、额外的打印费用、增加的学习成本、设计3D打印物耗费的时间以及植入物远期可靠性等。3D打印技术在脊柱疾病的治疗中确有价值,但在常见脊柱疾病中使用3D打印技术的意义和价值并不大,只有在较为复杂的病例中使用这项技术才能符合成本效益原则。