不同腰椎生理曲度下牵引的三维有限元分析

文题释义：腰椎牵引：是指令患者平卧于治疗床上,使用束带将患者前臂固定,达到医者固定患者双臂的目的;波浪式滚动气柱以腰背部为作用点进行顶推,控制多层气柱叠加高度使受试者腰部逐渐过伸牵引脊柱关节,实现对软组织的牵伸,并结合自身重力过伸牵引脊柱关节,能够增大椎间隙及调整椎小关节,最终达到理筋整复的作用。 三维有限元分析：是指在获取腰椎的CT图像数据,并导入到Mimics等软件当中建立的有限元模型基础上,将L₃的发生的位移变化带入MSC.Nastam软件中,高度仿真模拟人体在不同生理曲度下,计算分析出全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。 背景：近年来利用有限元分析方法研究腰椎生物力学成为热点,研究认为腰椎生理性前凸可减少腰椎间盘压力负荷,而对腰椎起保护效应。 目的：研究腰椎在正常生理曲度、屈曲位及最大过伸位下进行腰椎牵引时对L₁-L₅腰椎各节段的生物力学效应,并评估腰椎牵引的最佳生理曲度。 方法：选取1名健康男性志愿者,26岁,身高174 cm,体质量60 kg,既往体健,排除腰椎骨骼异常疾病。以受试者L₃为作用点徒手操作南少林倒盖金被法,利用DR机分别获得受试者腰椎起始位和最大过伸位的腰椎侧位片,构建全腰椎有限元模型。计算腰椎不同生理曲度下全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。研究方案的实施符合福建中医药大学附属康复医院相关伦理要求,受试者对试验过程完全知情同意。 结果与结论：①模拟腰椎前屈、后伸,左右侧弯,左右旋转6种工况活动度：L₁-L₂的前屈与后伸活动度之和为9.31°,左右侧弯9.84°,左右旋转4.43°;L₂-L₃：前屈与后伸10.22°,左右侧弯12.35°,左右旋转4.57°;L₃-L₄的前屈与后伸的活动度之和为11.20°,左右侧弯11.63°,左右旋转5.32°;L₄-L₅前屈与后伸活动度之和13.16°,左右侧弯11.58°,左右旋转5.05°;②在正常生理曲度牵引腰椎时,腰椎各个结构的应力值远大于过伸位牵引的应力值;前纵韧带应力值正常曲度是2.47 MPa,过伸位是21.20 MPa;L₃的椎体应力值达到最大,是过伸位牵引应力值的4倍;L₂-L₃的椎间关节及椎间盘的应力值在腰椎各个节段是最大的;③结果说明,腰椎在过伸位较正常生理曲度牵引下椎体、椎间关节、椎间盘的压力减轻更大,而且前纵韧带的压力值始终在安全范围内。腰椎在过伸位牵引时可能获得更好的临床疗效,同时具备一定的安全性。 ORCID: 0000-0002-4468-1464(李民) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化

文题释义： Topping-off技术：在融合节段的相邻节段置入棘突间动态内固定装置,以期望达到保护相邻节段目的的一种手术方式。 腰骶区：腰椎与骨盆环相连的区域,即L5/S1节段,应力集中,腰椎节段中活动度最大,融合后对腰椎影响最大。 背景：Topping-off技术通过将腰椎融合和棘突间动态内固定系统(Coflex)结合,在实现充分减压的同时也能够对相邻节段予以保护。目前将Topping-off技术应用于腰骶区需要融合同时相邻节段存在退变的年轻患者的相关力学研究尚未见报道。 目的：建立腰骶交界区Topping-off有限元模型,分析邻近节段生物力学及全腰椎活动度的变化趋势。 方法：随机选择1名健康年轻男性志愿者,既往无腰部外伤史及腰痛病史,经签署志愿同意书后,行薄层CT扫描,获取影像学资料。将图像信息导入计算机,依次通过Mimics、Geomagic Studio 12.0、HyperMesh、Abaqus对图像信息进行分析建立全腰椎模型,即健康组模型。验证模型的有效性后,在健康组模型的基础上改变L₄-S₁椎间盘材料属性建立椎间盘中度退变模型,并在退变模型的基础上分别建立融合模型和Topping-off 模型。然后分别计算4组模型在施加400 N的预载荷和10 N•m的扭转力矩后L₂-L₅节段活动度变化趋势及L₄/L₅椎间盘、髓核以及关节突关节的应力变化。 结果与结论：①Topping-off模型与融合模型腰椎活动度较退变模型减小,且Topping-off模型比融合模型减小更明显;②融合模型术后L₄-L₅活动度较退变模型显著增加,L₂/L₃、L₃/L₄节段活动度相比退变模型并无明显改变;Topping-off模型L₄-L₅活动度较退变模型减小,L₂/L₃、L₃/L₄节段活动度相比退变模型在前屈及后伸体位下均有一定程度增加;③相比退变模型,融合模型L₄-L₅节段在前屈、后伸、左旋、左侧弯4个体位下,椎间盘、髓核、关节突关节应力均增大,而Topping-off模型纤维应力在4个体位下均降低;④说明Topping-off技术不仅能够降低上位相邻节段椎间盘、髓核和关节突的关节应力,而且能够减少相邻节段过度活动,增加上位其他节段的活动度,进而在代偿腰椎活动度的同时延缓相邻节段退变。 ORCID: 0000-0002-5167-9151(曹亮亮) 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     

倒盖金被手法在腰椎间盘生物力学中的三维有限元分析

背景:南少林手法将武术精华运用于整骨理筋和按摩手法中,形成了独特的中国骨伤治疗技术,研究发现南少林理筋整脊手法治疗腰椎间盘突出症有显著疗效。目的:运用三维有限元法分析倒盖金被手法作用于腰椎间盘的生物力学效应。方法:选择一名健康青年男性志愿者,根据其CT扫描结果构建全腰椎(L₁-L₅)三维有限元模型。在已验证有效性的全腰椎模型上模拟加载倒盖金被手法,计算不同顶推高度下腰椎间盘的应力分布及变化情况。结果与结论:(1)当L₃椎体被顶推10 cm总位移后,各椎间盘平均应力最值约9.2 MPa,其中L_4-5椎间盘存在部分单元的应力集中现象。(2)随着顶推高度的增加,各椎间盘的应力呈现近似线性增长的趋势,各椎间盘应力值范围分别为:L_1-2椎间盘1.36-7.36 MPa,L_2-3椎间盘1.64-7.82 MPa,L_3-4椎间盘1.52-9.20 MPa,L_4-5椎间盘1.25-8.71 MPa;应力分布情况为:L_3...     

斜扳手法治疗腰椎小关节滑膜嵌顿的有限元分析

背景：斜扳手法对于腰椎关节滑膜嵌顿的疗效可靠,已被临床广泛应用,但是斜扳手法治疗腰椎关节滑膜嵌顿的相关研究还比较欠缺。目的：利用三维有限元法分析斜扳手法治疗腰椎关节滑膜嵌顿的生物力学作用机制,为斜扳手法治疗腰椎关节滑膜嵌顿提供理论依据。方法：采集腰椎关节滑膜嵌顿患者的腰椎CT数据,利用Mimics和Ansys软件建立脊柱L_4-5运动单元的三维有限元模型。模拟临床左侧卧位斜扳手法的操作过程,分析斜扳手法对腰椎L_4-5节段各组织结构生物力学、形态变化以及小关节接触面积的影响。结果与结论：(1)建立了腰椎L_4-5节段三维有限元模型,并验证了模型的有效性;(2)在施加斜扳手法前后,左侧小关节软骨应力从2.959 MPa增加到14.35 MPa,应变从0.078 34增加到0.345 1,关节软骨接触面积从20.806 2 mm²增加到94.872 7 mm²;而右侧小关节软骨应力从3.127 MPa减小到0 MPa,应变从0.081 96减小到0,关节软骨接触面从16.705 3 mm...     

基于TESSYS技术下14岁青少年脊柱L4～5节段椎间孔成形术后有限元分析

目的 建立14岁青少年正常脊柱L₃～L₅节段三维有限元模型，分析不同程度腰椎间孔成形术后腰椎生物力学变化情况，为青少年椎间孔成形术改良提供参考。方法 选择1名既往无腰椎病史的14岁女性志愿者，收集腰椎(L)CT影像数据导入Mimics 16.0软件建立模型，利用ABAQUS软件进行有限元模型受力分析。在正常脊柱L₃～L₅节段模型M的基础上建立M₁(磨除L₅左上关节突面积1/4)、M₂(磨除L₅左上关节突面积1/3)、M₃(磨除L₅左上关节突面积1/2)模型。在中立位及前屈、后伸等6种加载工况下测定相应节段关节突关节应力并进行比对分析。结果 建立的三维有限元模型有效，方差分析模型有效。模型M₁中，L₅左上关节突在后伸、右旋转工况加载下应力值与模型M中应力值对比差异有统计学意义(P<0.05);模型M₂...     

腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。 目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。 方法：健康男性志愿者,39岁,身高175 cm,体质量65 kg,采用16排螺旋CT机对L₃-L₅节段进行扫描,得到1.25 mm层厚的 CT图片共101张,Geomagic9.0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。 结果与结论：建立了正常人L₃-L₅三维有限元模型,整个模型共有213 736个节点和799 779个单元。该模型L₃-L₄,L₄-L₅节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

椎间孔镜下腰椎间盘髓核摘除治疗腰椎间盘突出症的生物力学优势

文题释义：腰椎间盘突出症的手术治疗：腰椎间盘突出症是脊柱外科常见病,手术方式较多。近年来,经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除术作为微创治疗方法迅速发展,具有创伤小、出血量少并能快速康复的优点,受到越来越多的关注。 背景：腰椎间盘突出症的手术方式较多,各有优缺点,通过有限元分析方法进行脊柱生物力学研究可以指导临床工作。 目的：建立L_3-5三维有限元模型,分析不同术式在椎间盘摘除后对脊柱力学的影响。方法：选择1名无腰椎病史的35岁男性志愿者,收集腰椎CT数据构建有限元模型并验证。在L₃/L₅脊柱正常模型(模型Ⅰ)的基础上建立L_4/5节段单纯开窗髓核摘除模型(模型Ⅱ)、椎间盘镜手术模型(模型Ⅲ)、经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型(模型Ⅳ)、关节突关节切除模型(模型Ⅴ),在7种加载工况下测定L₄/L₅节段椎体、椎间盘和左右关节软骨应力分布及L₄椎体位移。 结果与结论：①建立的三维有限元模型有效,方差分析模型有效;②L_4-5椎间盘两两比较后模型Ⅲ、Ⅳ在椎间盘应力集中最小;L₄椎体应力,模型Ⅳ对椎体影响最小;L₄椎体位移,模型Ⅲ和Ⅳ对椎体稳定影响最小;③从加载方式看,关节突关节损伤越小,椎间盘应力越小,模型Ⅳ最小;左侧关节突模型Ⅲ和Ⅳ均保持关节完整;右侧关节左右旋转加载下手术侧关节越完整,应力越大,故模型Ⅳ较大;左右侧倾加载下反而相反,模型Ⅴ最大;L₄椎体应力模型Ⅳ最小;椎体位移,模型Ⅲ和Ⅳ位移最小,接近模型Ⅰ;④提示经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型在椎体、椎间盘和关节突关节应力分布最小,有明显优势;椎间盘镜手术模型和经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除模型位移均较其他手术模型稳定,二者无差异;故经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除目前是较理想的术式。　 ORCID: 0000-0002-2604-0049(吐尔洪江·阿布都热西提) 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     

棘突间植入物对椎间盘及关节突的生物力学影响

目的 探讨棘突间植入物(DIAM)对腰椎间盘及关节突的生物力学影响。方法 纳入9具急性脑外伤死亡的中青年新鲜尸体的脊柱标本L_1~5段,简单随机化分组方法分为4组:A组(2例)标本无特殊处理(生理状态),B组(2例)标本实施L_3~4开窗联合椎间盘切除术,C组(3例)及D组(2例)标本分别在B组手术基础上安置DIAM及椎弓根钉内固定。分别检测标本L_2~3、L_3~4、L_4~5水平腰椎、椎间盘及关节突的应力。结果 B组标本L_3~4节段椎间盘及关节突应力较生理状态增大。应用DIAM固定后,L_3~4节段相邻椎间盘及关节突应力与生理状态下相似,差异均无统计学意义(P值均＜0.05)。脊柱ISOLA内固定融合手术后,L_3~4节段关节突及椎间盘应力下降,同时相邻椎间盘所受应力升高,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。结论 DIAM能够有效降低因手术导致腰椎后部关节突及椎间盘不良应力增高,并降低脊柱融合引起的相邻节段的应力升高。     

国产新型腰椎棘突间撑开器体外生物力学测试及有限元分析

文题释义： 三维有限元分析：运用计算机三维模型,从结构、形态、弹性模量上模拟人体腰椎屈伸、侧弯、轴向旋转活动,通过应力云图直观显示在不同位置棘突间撑开器、椎体植入节段及临近节段的应力分布及腰椎活动度等情况。有限元分析只是一种模拟实验,因此其对该装置的评价需要结合动物实验和临床观察,才能更接近实际。 体外生物力学：是应用力学原理和方法对生物体中力学问题定量研究的生物物理学分支。随着生物力学在医学领域的不断发展,运用生物力学来检测新设计的脊柱内固定器械的生物特性已成为一项必经程序。体外生物力学实验试件通常选择的是内固定器械与实验标本共同组成的标本单元。采用此形式对测试物体进行脊柱屈伸、侧弯和侧旋等生理载荷模式下的力学测试,可更加精确、方便和准确地获得内固定器械特性参数,与三维有限元分析相辅相成。 背景：腰椎棘突间撑开器非融合系统为腰椎退行性疾病提供了一种新的治疗选择。但目前国内临床对于腰椎棘突间撑开系统的应用及研究严重不足,对于适用于国人的国产化腰椎棘突间撑开器更是鲜有报道。 目的：通过人体腰椎三维有限元分析技术和山羊腰椎体外生物力学实验分析国产新型棘突间撑开器生物力学特点,验证新型腰椎棘突间撑开器的科学性和有效性。 方法：①国产新型腰椎棘突间撑开器有限元分析：通过正常成人腰椎CT资料建立L₂-L₅椎体三维模型,随后依次建立国产新型腰椎棘突间撑开器模型、国产新型腰椎棘突间撑开器腰椎非融合系统模型,赋予腰椎生理情况下的力学条件,对新型撑开器植入前后进行生物力学分析;②国产新型腰椎棘突间撑开器体外生物力学分析：获取24只成年雄性山羊腰椎(L₁-L₅),在L_3-4棘突间植入国产新型腰椎棘突间撑开器,撑开器植入前后检测腰椎标本前屈、后伸、侧弯、旋转状态下的腰椎活动度与椎间盘压力。 结果与结论：①在撑开器植入后,责任节段后伸时活动范围及椎间盘压力减小,相邻节段活动度和椎间盘压力几乎不受影响,从理论上验证了腰椎棘突间撑开器可以为腰椎退行性疾病的治疗提供了生物力学依据,为预防临椎病贡献了理论参考。②在后伸状态下,L_3-4椎体植入撑开器后的椎体活动度明显小于植入前(P < 0.05),L_2-3、L_4-5椎体植入撑开器后的椎体活动度与植入前比较差异无显著性意义(P > 0.05);在前屈、侧弯、旋转状态下,L_2-3、L_3-4、L_4-5椎体植入撑开器后的椎体活动度与植入前比较差异均无显著性意义(P > 0.05)。在后伸状态下,L_3-4椎体植入撑开器后的椎间盘压力明显小于植入前(P < 0.05),L_2-3、L_4-5椎体植入撑开器后的椎间盘压力与植入前比较差异无显著性意义(P > 0.05);在前屈、侧弯、旋转状态下,L_2-3、L_3-4、L_4-5椎体植入撑开器后的椎间盘压力与植入前比较差异均无显著性意义(P > 0.05)。③结果表明,国产新型腰椎棘突间撑开器的科学性和有效性均从三维有限元分析和体外动物腰椎标本实验得到了有力验证,为国产新型棘突间撑开器的活体动物实验、临床实验、临床应用以及临床生产提供了有力的依据。 ORCID: 0000-0001-6432-9794(王宝东) 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     

12-15岁青少年腰椎椎弓根螺钉置入最佳选择的形态学分析

文题释义：椎弓根螺钉：椎弓根置钉是目前脊柱内固定的常用方法,椎弓根形态学参数决定置钉成功率,对于发育中的青少年脊柱疾患,椎弓根螺钉同样发挥重大作用。  三维重建测量：利用三维重建软件对人体组织结构进行3D重建,可清晰完整、更加直观地表现人体组织特点,得到的测量数据更准确,可以更好的服务于临床。 背景：关于成人胸腰段椎弓根形态的研究已经发表了大量文献,但对青少年椎弓根形态的了解较少,尤其是在亚洲人群中。青少年脊柱疾患日益增多且精确的形态学研究较少。 目的：研究内蒙古地区12-15岁青少年腰椎的解剖结构,为椎弓根螺钉置入提供详细资料,确定安全合适的螺钉大小,并为螺钉尺寸设计提供数据参考。 方法：收集内蒙古地区65例12-15岁青少年正常胸腰CT资料,根据年龄分2组,12-13岁31例,14-15岁34例。将连续扫描的胸腰椎断层影像原始数据以DICOM格式导入Mimics 21.0分析与测量,指标包括椎弓根宽、椎弓根高、椎管横径、椎管纵径、椎弓根长、椎弓根外偏角、椎弓根最大外偏角、椎弓根头倾角及椎弓根面积。 结果与结论：①2组L₁-L₄ 椎弓根宽小于椎弓根高,L₅椎弓根宽与椎弓根高相似,椎弓根宽决定螺钉直径,男性大于女性;②12-13岁,螺钉长L₁-L₅均为40-45 mm;14-15岁,螺钉长L₁-L₄为40-45 mm,L₅为45-50 mm;③2组规律相同,椎管横径均大于椎管纵径,椎管横径、椎管纵径之间差异有显著性意义(P < 0.05),男女之间差异无显著性意义;④椎弓根外偏角：12-13岁L₁-L₂变化不大,L₂-L₅逐渐增大;14-15岁L₁-L₅逐渐增大,2组均男性大于女性;⑤椎弓根最大外偏角：2组规律相同,L₁-L₅逐渐增大,随年龄增长而减小,左右侧与性别间差异均无显著性意义,不同年龄间差异有显著性意义(P < 0.05);⑥椎弓根头倾角： 12-13岁为3°-8°,14-15岁为0°-5°;随年龄增长而减小,L₃-L₄男女之间差异有显著性意义(P < 0.05);⑦椎弓根面积：2组规律相同,L₁-L₅逐渐增大,L₄-L₅有一个明显的变化趋势;⑧根据椎弓根参数分析可得出正常青少年腰椎各节段置入螺钉的适合尺寸,帮助临床医师掌握腰椎解剖结构,提高置钉准确性。 ORCID: 0000-0001-5877-8358(许阳阳) 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     

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。     

椎板不同切除范围对腰椎生物力学影响的有限元分析

建立全腰椎有限元模型,模拟三种后路手术方式,分析不同椎板切除范围对腰椎生物力学的影响。综合利用三维重建自编软件和Hyper Mesh软件,建立腰椎(L1-L5)有限元模型并与前人所作体外实验数据比较,验证本模型的有效性。在此基础上模拟全椎板切除、半椎板切除及椎板开窗减压术,比较减压节段的运动范围及相应椎间盘的应力改变。L3-4、L4-5节段后部结构切除后,腰椎运动范围与椎板切除大小成正比,纤维环应力最大变化发生在前屈、后伸和左右旋转运动时,而在侧屈运动时无明显的变化。腰椎运动范围的增加与腰椎后部结构的切除程度有关。在彻底减压的同时,最大程度的保留腰椎后部结构,可以减小术后椎间盘应力,减轻关节突等结构的进一步退变。     

Influence of anteroposterior shifting of trunk mass centroid on vibrational configuration of human spine

This study attempts to determine the influence of anteroposterior (A-P) shifting of trunk mass from the upright sedentary posture on dynamic characteristics of the human lumbar spine. A three-dimensional finite element (FE) model comprising of the T12-Pelvis spine unit was used to mimic the human spine system. It is not clear how the A-P shifting of the upper part of human upper body affect on vibrational modality of the human lumbar spine under whole body vibration. Five trunk mass point locations were assumed by 2.0cm anterior, 1.0cm anterior, 1.0cm posterior and 2.0cm posterior to the upright sedentary posture including no shifting posture. FE modal analysis was used to extract the resonant frequencies and vibration modes of the human spine. The analytical results indicate that trunk mass centroid shifting onwards or rearwards may result in a reduction of vertical resonant frequency of the human spine. The human spine has the highest vertical resonant frequency at the normal upright sedentary posture with the trunk mass locating around 1.0cm anterior to the L3-L4 vertebral centroid. Larger A-P deformations and rotational deformations were also found at the spine motion segments L3-L4 and L4-L5, which imply higher compressive stress and shear stress at the disc annulus of those spinal motion segments. The findings in this study may explain why long-term whole body vibration might induce the degeneration of human spine at the relevant spinal motion segments.     

人体腰椎有限元建模及其生物动力学研究

我们建立了一个详细的腰椎L3-L5段的三维非线性有限元模型,以研究振动环境对人体脊椎组织的影响。研究表明,在振动过程中,脊柱不同部位的振动程度不尽相同,L4-L5段椎间盘后部附近的应力要大于其前部的应力水平。振动对L4-L5段小关节的影响比该运动段的其它部位的影响要大得多。在系数为0.08的阻尼情况下,脊柱的应力与变形的变化幅度将降低50%左右。     

腰椎椎间融合联合邻近节段半刚性固定的有限元分析

文题释义： 半刚性椎弓根螺钉固定系统：一种经椎弓根的半刚性金属固定系统,介于软固定和坚强固定之间,可以联合融合术,也可单独使用。其椎弓根螺钉之间连接依赖于金属棒,这种金属棒具有一定弹性或者是可以微动的,一定程度上可以起到动态固定的作用,主要包括ISObar系统、Flex系统、DSS系统等。 腰椎邻近节段退变：是指腰椎融合后融合区邻近节段退行性改变,包括椎间隙狭窄、椎间盘信号降低、关节突退变、骨赘形成等异常改变,如果患者同时出现不稳定、椎管狭窄、增生性小关节炎、脊柱侧凸、椎体压缩骨折等,并伴有相应的临床症状称之为邻近节段退行性疾病。 背景：临床中腰椎退行性疾病的发生多伴有多节段病变,为减缓腰椎融合后邻近节段退变,腰椎杂交手术成为一种较好的选择。以往临床观察中WavefleX系统单节段应用取得一定的效果,其在腰椎杂交手术中的应用缺乏生物力学研究结果支持。 目的：应用有限元方法分析腰椎融合联合上一位椎体置入WavefleX系统对邻近节段的生物力学影响。 方法：利用64排西门子螺旋CT机对静止仰卧志愿者行腰椎薄层扫描,扫描范围为T₁₁-S₁,志愿者对实验过程完全知情同意,且得到医院伦理委员会批准。将L_3-5水平CT扫描数据依次导入到Mimics医学图像处理软件及Geomagic Studio逆向工程软件中进行处理,于CAD软件SCDM中构建L_3-5的腰椎实体模型。在已通过验证的L_3-5腰椎模型基础上,分别构建后路椎体间融合模型与Hybrid模型,对3种模型进行赋值和负荷加载,在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转工况下进行有限元分析研究。 结果与结论：①在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下,相较后路椎体间融合模型,Hybrid模型L_3-4椎间盘应力值均有明显减小,后伸状态降幅最大,最大值减少约46%;②各状态下,相较后路椎体间融合模型,Hybrid模型L_3-4节段活动度均有明显减小,平均减小约26%,并小于完整模型;③各负荷下,应力云图显示WavefleX系统的连接棒上均有明显的应力集中,双侧的弹性系统的U形开槽凹面处应力明显增大;④位移云图显示,Hybrid模型中WavefleX系统的置入使得其前屈中心后移至弹性结构处;⑤上述结果说明,后路椎体间融合+WavefleX半刚性固定可有效降低上一位邻近节段的椎间盘应力并限其制过度活动,一定程度上维持了腰椎的正常运动特点。 ORCID: 0000-0001-5752-6546(王啸) 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     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型◆

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。 目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。 方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件 Geomagic 和 Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。 结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51 905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

Effects of degenerated intervertebral discs on intersegmental rotations,intradiscal pressures,and facet joint forces of the whole lumbar spine

The effects of intervertebral disc (IVD) degeneration on biomechanics of the lumbar spine were analyzed. Finite element models of the lumbar spine with various degrees of IVD degeneration at the L4-L5 functional spinal unit (FSU) were developed and validated. With progression of degeneration, intersegmental rotation at the degenerated FSU decreased in flexion–extension and left–right lateral bending, intradiscal pressure at the adjacent FSUs increased in flexion and lateral bending, and facet joint forces at the degenerated FSU increased in lateral bending and axial rotation. These results could provide fundamental information for understanding the mechanism of injuries caused by IVD degeneration.     

不同扭矩作用下腰椎有限元模型分析

应用有限元方法研究扭矩作用下腰椎内部结构的应力变化。用ABAQUS6.1有限元软件建立腰椎L4-5有限元模型。对模型加载不同的扭矩。结果为随着作用扭矩的增大以及旋转角度的加大,作用在小关节上的力量也加大。椎间盘内轴向有效应力加大,髓核内压力,纤维环的应力和应变增加。     

坐位旋转手法对腰椎内在应力的实时监测

目的：研究坐位旋转手法时对腰椎内在应力分布的特点。方法：使用L4-5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，将坐位腰椎旋转手法进行分解，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：正常腰椎在旋转手法作用时应力主要集中在椎体、终板和椎间盘处。退变腰椎在手法作用时应力主要集中在L4小关节的下关节突和椎弓，且应力分布集中。结论：(1)坐位腰椎旋转手法时，对于正常腰椎应力主要作用于椎体、终板和椎间盘等前部结构。(2)对于退变腰椎，应力主要作用于后部结构，并且所受应力分布集中，易损伤小关节、椎弓。