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。     

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。     

脊柱跟随载荷在离体生物力学应用研究中的进展

阐述跟随载荷在维持脊柱生物力学中的重要性,归纳近年来人离体脊柱标本跟随载荷模拟的各种方法及手段。通过与人体脊柱各椎体活动度、椎间盘内压等真实数据对比,从力学角度分析各类模拟手段的可行性,总结人体颈椎、胸椎、腰椎离体生物力学实验中最适合的加载载荷及扭矩,并探讨常规脊柱内固定术式对脊柱生物力学特性的影响。     

颈椎融合术与非融合术生物力学研究进展

本文归纳整理了近年来颈椎融合术和非融合术生物力学研究领域的主要进展,总结了人体及动物颈椎离体标本的差异性以及颈椎离体生物力学研究常用的三种实验方法,综述了颈椎融合术和非融合术新型植入器械的生物力学、混合术的力学评估、颈椎耦合运动分析以及颈椎重要力学参数的研究进展,并结合最新研究趋势,对颈椎生物力学实验理念、加载测量方法、多节段混合术及耦合运动研究等重点方向进行展望。     

人体脊柱三维运动测量及力学加载进展

精确地对人体脊柱三维运动的定量特性描述,可以帮助理解脊柱疾病的病理,掌握脊柱损伤的程度,从而进行合理的治疗和功能的替换,还可以正确评估脊柱损伤和外科手术对脊柱运动的影响。本文从人体脊柱运动测量指标、实验加载参数和方式3个方面阐述了人体脊柱离体运动测量实验研究的成果,分析了脊柱三维运动测量试验中的主要成果及不足,提出了研究方向,为未来脊柱运动测量研究提供一定的参考和帮助。     

基于LabVIEW与6轴机械臂的脊柱生物力学测试系统构建及初步可靠性研究

目的构建基于LabVIEW与6轴机械臂的新型离体脊柱生物力学测试系统,进行初步的可靠性研究,为下一步耦合运动测试研究做准备。方法通过LabVIEW平台编程,用以太网及Profibus通讯的方式,将机械臂的数据实时与计算机进行通讯,实现位移控制、载荷控制,实时读取机械臂末端位置和旋转角度,通过力/扭矩传感器和数据采集卡实现数据采集、处理、储存等功能;使用数显千分表和特制固定夹具完成6个方向平移精准度测试,并对数据进行分析;使用该平台对羊脊柱标本进行屈伸、侧屈和旋转测试,绘制出载荷-位移曲线,分析对比并获得实验结果,验证该生物力学平台的有效性。结果开发并建立了一套基于LabVIEW与6轴机械臂的高精准度离体脊柱生物力学测试系统,其平均平移精密度为8.1μm,平均平移准确度为56.7μm。编写相关机械臂控制及数据采集、处理、储存程序,并有效完成羊脊柱生物力学测试。结论该基于LabVIEW与6轴机械臂的脊柱生物力学测试系统能高精准度地完成常规的脊柱三维运动测试,可用于下一步开展耦合运动测试研究。     

脊柱生物力学信号智能分析系统的研究

目的为脊柱生物力学测试平台开发一套信号智能分析系统,对不同采集装置产生的海量数据进行格式规范与整合,实现对数据的科学管理和快速处理。方法利用OptotrakCertus运动测量系统、MTS材料试验机和USB数据采集卡,以Matlab和MySQL为软件开发平台,搭建脊柱生物力学信号智能分析系统。对脊柱模型的生物力学性能进行测试,测试参数主要包括脊柱各节段运动角度、加载力矩。结果由系统自动处理得到的脊柱各节段运动角度变化规律,与力及力矩载荷的变化一致。结论本系统能有效应用于脊柱及其内固定器械的生物力学测试中。     

颈椎内植入固定器生物力学性能测试系统的研究

在颈椎生物力学研究中,通过离体实验对颈椎内植入固定器的生物力学性能进行评价是国际上普遍采用并认可的方法.本研究利用多靶点三维运动跟踪系统和USB数据采集卡,以LabVIEW和Matlab为软件开发平台,构建了颈椎内植入固定器生物力学性能测试系统.测试参数包括三维运动角度范围(ROM)和压力载荷值.对颈椎模型的测试结果表明,本系统能有效地用于颈椎生物力学的离体实验测试.     

脊柱固定器的生物力学研究进展

随着生物力学的发展,各国学者相继设计出各种脊柱固定器。这些固定器不仅用于脊柱畸形的矫正,也用于脊柱创伤或手术后,脊柱稳定性的重建,大都获得较满意的疗效,但仍存在许多问题。如矫正力不足,畸形残留或复发,器械断裂或施力区骨折,脱钩,甚至截瘫等。因此对脊柱固定器的改进就成为脊柱外科生物力学研究的重要课题。本文仅就当前脊柱固定器的生物力学研究作一综述。 1 脊柱固定器的生物力学研究方法 过去,脊柱固定器的发展方式是设计——生产样品——试用于临床。如果没有发生力学上的破坏,则认为该器械成功。如失败,则重新设计改进。随着生物力学研究的进展,这一传统方式已受到严峻挑战。当今,任何新的固定器在用于临床之前都必须进行生物力学的综合评价。Wanger是最早对脊柱固定器进行离体研究的学者。迄今为止,对脊柱固定器进行生物力学研究的方法很多。但     

脊柱生物力学测试研究进展

随着现代力学测试手段的不断改进，各种生物力学测试方法广泛运用于脊柱力学研究。然而不同测量方法受到诸如适应范围、精度等因素影响，所以根据研究目的选择合适测试手段非常重要。本文就近年来有关脊柱生物力学测试的测量模型类型、标本长度的影响、脊柱运动测试方法进展以及加载负荷的运用等方面作一综述。     

脊柱生物力学2023年度研究进展

脊柱是人体最重要的骨骼结构之一。 它具有保护脊髓、支持体重、减缓冲击,并允许躯干灵活运动的功能。脊柱生物力学研究对于全面认识脊柱结构功能、疾病发病机制意义重大。 2023 年,国内外学者开展了大量脊柱相关的生物力学研究,包括脊柱基础生物力学的认知,病理条件下脊柱力学特性改变,以及基于生物力学研究基础设 计的各种治疗脊柱疾病办法。 本文着重分析脊柱生物力学 2023 年度研究进展,并以几种较为典型的脊柱疾病或病理状态为例进行详解介绍。     

脊柱生物力学研究的回顾与展望

脊柱生物力学研究是认识脊柱功能、脊柱发病机制和选择脊柱治疗手段的重要基础.从脊柱的基本构成单位椎骨、椎间盘、韧带、脊柱功能单位以及整体脊柱5个层面总结归纳这些领域的生物力学基本研究进展和成果,包括人体标本的体内和体外试验、动物标本的体内和体外试验以及数学模型等不同研究方法的结果.同时,凝练部分了解尚不充分的生物力学数据...     

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。     

Dynamic iso-resistive trunk extension simulation: contributions of the intrinsic and reflexive mechanisms to spinal stability.

The effects of external resistance on the recruitment of trunk muscles and the role of intrinsic and reflexive mechanisms to ensure the spinal stability are significant issues in spinal biomechanics. A computational model of spine under the control of 48 anatomically oriented muscle actions was used to simulate iso-resistive trunk movements. Neural excitation of muscles was attained based on inverse dynamics approach along with the stability-based optimization. The effect of muscle spindle reflex response on the trunk movement stability was evaluated upon the application of a perturbation moment. In this study, the trunk extension movement at various resistance levels while extending from 60 degrees flexion to the upright posture was investigated. Incorporation of the stability condition as an additional constraint in the optimization algorithm increased antagonistic activities for all resistance levels demonstrating that the co-activation caused an increase in the intrinsic stiffness of the spine and its stability in a feed-forward manner. During the acceleration phase of the movement, extensors activity increased while flexors activity decreased in response to the higher resistance. The co-activation ratio noticed in the braking phase of the movement increased with higher resistance. In presence of a 30 Nm flexion perturbation moment, reflexive feed-back noticeably decreased the induced deviation of the velocity and position profiles from the desired ones at all resistance levels. The stability-generated co-activation decreased the reflexive response of muscle spindles to the perturbation demonstrating that both intrinsic and reflexive mechanisms contribute to the trunk stability. The rise in muscle co-activation can ameliorate the corruption of afferent neural sensory system at the expense of higher loading of the spine.     

Biomechanical analysis of cages for posterior lumbar interbody fusion

Interbody fusions using intervertebral cages have become increasingly common in spinal surgery. Computational simulations were conducted in order to compare different cage designs in terms of their biomechanical interaction with the spinal structures. Differences in cage design and surgical technique may significantly affect the biomechanics of the fused spine segment, but little knowledge is available on this topic. In the present study, four 3D finite element models were developed, reproducing the human L4-L5 spinal unit in intact condition and after implantation of three different cage models. The intact model consisted of two vertebral bodies and relevant laminae, facet joints, main ligaments and disc. The instrumented models reproduced the post-operative conditions resulting after implant of the different cages. The three considered devices were hollow threaded titanium cages, the BAK (Zimmer Centerpulse, Warsaw, IN, USA), the Interfix and the Interfix Fly (both by Medtronic Sofamor Danek, Memphis, TN, USA). Simulations were run imposing various loading conditions, under a constant compressive preload. A great increase in the stiffness induced on the spinal segment by all cages was observed in all the considered loading cases. Stress distributions on the bony surface were evaluated and discussed. The differences observed between the biomechanics of the instrumented models were associated with the geometrical and surgical features of the devices.     

Cervical spine functional anatomy and the biomechanics of injury due to compressive loading

Objective: To provide a foundation of knowledge concerning the functional anatomy, kinematic response, and mechanisms involved in axial-compression cervical spine injury as they relate to sport injury.Data Sources: We conducted literature searches through the Index Medicus, SPORT Discus, and PubMed databases and the Library of Congress from 1975–2003 using the key phrases cervical spine injury, biomechanics of cervical spine, football spinal injuries, kinematics of the cervical spine, and axial load.Data Synthesis: Research on normal kinematics and minor and major injury mechanisms to the cervical spine reveals the complex nature of movement in this segment. The movement into a single plane is not the product of equal and summative movement between and among all cervical vertebrae. Instead, individual vertebrae may experience a reversal of motion while traveling through a single plane of movement. Furthermore, vertebral movement in 1 plane often requires contributed movement in 1 or 2 other planes. Injury mechanisms are even more complex. The reaction of the cervical spine to an axial-load impact has been investigated using cadaver specimens and demonstrates a buckling effect. Impact location and head orientation affect the degree and level of resultant injury.Conclusions/Recommendations: As with any joint of the body, our understanding of the mechanisms of cervical spine injury will ultimately serve to reduce their occurrence and increase the likelihood of recognition and immediate care. However, the cervical spine is unique in its normal kinematics compared with joints of the extremities. Injury biomechanics in the cervical spine are complex, and much can still be learned about mechanisms of the cervical spine injury specific to sports.     

腰椎间盘生物力学体内外研究的新进展

文题释义： 椎间盘：是一块位于两椎体之间的纤维软骨垫,由纤维环包绕髓核以及上下方的软骨终板构成,是最大的无血管器官,基本上通过脊椎神经支配。 生物力学：为将工程学尤其是机械力学原理运用于临床医学,对生物体力学问题进行定性定量分析的新型生物物理学分支。研究范围从组织器官到个体,通过对生物体力学特性的研究来指导临床实际操作。生物学和力学二者相辅相成,共同构成一门完整的学科。 背景：腰椎间盘退变造成的一系列临床症状已经是影响人类健康的常见疾病。过去研究中指出在腰椎间盘退变的发生发展中,腰椎间盘生物力学改变起到重要作用。 目的：简述腰椎间盘解剖学、组织学特性,总结近年来腰椎间盘生物力学的研究方法及进展。 方法：通过输入“生物力学,腰椎间盘,动物标本,人类尸体模型,有限元分析,影像学、磁共振成像,biomechanics,Intervertebral disc,lumbar spine,finite element analysis,imaging,MRI,DFIS,DSXS”等关键词,利用计算机检索CNKI、万方、维普、PubMed、Elsevier和Web of Science数据库,通过阅读标题及摘要进行初步筛选,排除与主题相关度低的文献,最终共纳入67篇文献进行结果分析。 结果与结论：①腰椎间盘的生物力学研究目前主要分为体外研究和体内研究;②体外研究包括动物标本实验、人类尸体标本实验、有限元分析,体外实验设计灵活,操作性强,但实验对象脱离人体生理环境,材料的力学特性存在差异,需要经过长期不断验证,筛选出在人体的适用性;③体内研究主要通过影像学手段,实时记录椎间盘在体运动受力形态变化,真实可靠,但受影像技术发展的限制,需要合理运用。最新出现的双平面荧光成像系统以及高速动态立体射线照相系统在这一领域具有独特优势,被越来越多的人所重视。 ORCID: 0000-0002-2070-2400(徐浩翔) 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