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75N跟随载荷,再以持续加载模式加载力偶。屈伸和侧弯最大2.0N?m载荷,轴向旋转最大4.0N?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75N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(P0.05);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(P0.05)。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。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

人工颈椎间盘置换术后邻近下位关节突关节压力变化的生物力学研究

目的:探讨人工颈椎间盘置换术后邻近下位关节突关节内压力的变化,为其在临床应用提供生物力学依据,方法:在11具保留C3至T1的新鲜成人颈椎标本上,采用自行设计的圆片状微阻电式传感器测量C5/6椎间盘完整、椎间盘摘除、人工椎间盘置换和椎间融合4个模型组C6/7关节突关节内的压力负荷.结果:人工椎间盘置换组C6/7关节突关节内的压力在轴向(16.98±3.74)N、左侧弯(26.87±5.78)N、右侧弯(12.91±3.50)N、前屈(20.88±5.77)N、后伸(20.63±5.30)N,与完整组接近,差异无统计学意义(P>0.05),高于椎间盘摘除组(P<0.05),低于椎间融合组(P<0.05).结论:人工颈椎间盘置换后邻近下位关节突关节内的压力接近正常,提示人工椎间盘置换符合颈椎正常生物力学要求.     

关节突关节切除范围对下颈椎稳定性影响的生物力学研究

研究保留椎旁肌肉情况下,下颈椎单侧关节突关节分级切除对颈椎稳定性的影响,为临床手术提供理论依据.取5具新鲜山羊颈椎标本,先后分5组进行操作,即完整标本组,左侧C4-5关节突关节25%、50%、75%、100%切除组.先后测量每组每个颈椎标本在三维空间六个方位(前屈、后伸、左右侧屈、左右轴向旋转)随载荷增加而变化的活动度.最后将所得数据进行统计分析.结果表明:随关节突关节切除范围的增大,在相同载荷条件下的位移也增大,其中增长幅度最大发生在50%～75%切除组之间,增长幅度平均在46.7%(前驱、后伸、左右侧弯四个方向)和71.5%(左右轴向旋转).在保留椎旁肌肉情况下,单侧关节突关节切除范围大于50%时,颈脊柱稳定性丧失.     

人工腰椎间盘置换术后上位关节突关节内应力变化的研究

目的　研究人工腰椎间盘置换术对上位相邻节段关节突关节内应力（FS）的影响,并与腰椎融合术进行比较,为人工腰椎间盘的临床应用提供理论依据。 方法　选取6具新鲜成人尸体的腰骶段（L2~S1）标本,将每具标本依次制作成L4/5椎间盘完整（对照组）、L4/5椎间盘置换和L4/5椎间融合模型,并依次进行生物力学实验,将压力传感器置入L3/4关节突关节,以400 N的恒定轴向载荷,±7.5 Nm的力矩模拟生理状态下轴向、后伸和左右侧弯4种运动,分别测量3种模型在各种运动下L3/4关节突关节内压力。 结果　在模拟生理载荷的各种运动下,人工椎间盘置换组与椎间盘完整组相比较,上位关节突关节内压力差异无统计学意义（P＞0.05）,而腰椎间融合组相对于椎间盘完整组和人工椎间盘置换组,上位关节突关节内压力均显著增加,差异具有统计学意义（P＜0.05）。 结论 人工腰椎间盘置换术后,上位相邻节段关节突关节内压力与正常腰椎相比无明显改变,而腰椎间融合术后,上位相邻节段关节突关节内压力则显著增加。     

基于有限元方法的不同球-窝设计参数的人工颈椎间盘生物力学分析

本文采用三维有限元方法评价不同球-窝曲率半径的ProDisc人工颈椎间盘在植入颈椎后的生物力学差异,为人工椎间盘的设计改进和临床应用提供生物力学参考依据。首先建立C5-C6节段的三维有限元模型并验证,同时建立曲率半径分别为4、5和6mm的人工颈椎间盘有限元模型并分别植入C5-C6节段,对所有置换模型都施加74N的轴向压缩预载荷和1.8Nm的前屈/后伸、左右侧弯和轴向旋转力矩,进行有限元计算。计算结果显示球窝结构的曲率半径会改变植入节段的屈伸关节活动度,而在其他载荷下差异不明显。增大曲率半径可改善聚乙烯内衬应力集中现象,但同时也会伴随小关节力、韧带张力增大的不良结果。因此,人工椎间盘的设计应综合考虑保留运动节段的关节活动度同时又不致小关节、韧带、聚乙烯等的应力过大,以免影响长期临床效果。     

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂,传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。 目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布,为其发生、发展的生物力学机制提供依据。 方法：基于退变性脊柱侧弯患者T₁₂-S₁上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载,计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。 结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小,椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周,后伸运动时各椎间盘应力最大,侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况,在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显,后伸工况下次之,尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中,后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。     

上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度(range of motion,ROM)及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、 C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加(前屈和侧屈)和减少(后伸和旋转),ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。     

青少年正常腰椎与腰椎间盘突出症关节突关节有限元分析

目的 探讨13～18岁正常与青少年腰椎间盘突出症(ALDH)关节突关节不对称对腰椎生物力学的影响。方法 联合应用软件MIMICS 21.0、3-Matic Medical 13.0、Geomagic Wrap 2017、HYPERMES 2019和有限元软件ABAQUS 2021建立下腰椎正常与ALDH三维有限元模型,根据关节突关节左右之差,选择13～18岁正常青少年和ALDH患者资料各3例,共计6例,分析比较施加不同力矩载荷下(中立位、侧屈和旋转工况)椎间盘应力大小。结果 1.建立6例男性正常与ALDH患者的L₃～L₅节段三维有限元模型,获得中立位、前屈、后伸、侧屈和旋转工况正常与ALDH应力、位移云图;2.正常青少年关节突关节角左右对称在中立位时,L_4～5纤维环后侧应力增大;3.不同工况下,椎间盘应力纤维环均大于髓核,纤维环应力前屈>中立位>后伸;4. ALDH患者下腰椎关节突关节左侧大于右侧10°模型,后伸工况L_4～5节段纤维环后侧应力明显增大。侧屈工况下,左侧屈纤维环左侧应力与右...     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学的有限元分析

目的 研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度（range of motion, ROM）、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法 建立C5~6椎间盘退变3种手术方案：Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果 术后手术节段关节ROM变化：Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力（36.72 MPa）出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力（42.66 MPa）。结论 人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

半限制型人工颈椎间盘置换与植骨融合术后下颈椎生物力学特性的有限元分析

目的研究Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换术与植骨融合术后下颈椎活动度(range of motion,ROM)、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入假体力学性能的改变。方法建立C5~6椎间盘退变3种手术方案:Discover、Prodisc-C人工椎间盘置换和自体髂骨植骨融合有限元模型,同时建立C4~7节段下颈椎原始模型。分析术后下颈椎C4~7节段在矢状面、冠状面及横断面上椎体的生物力学特性变化。结果术后手术节段关节ROM变化:Discover模型增加12.7%~73.1%,Prodisc-C模型增加74%~98%,植骨融合模型下降55.8%~71.8%。Discover置换后上邻近椎间盘应力无明显增加,下邻近椎间盘应力在前屈、后伸、轴向旋转工况下减少33.2%~54.2%,囊韧带张力增幅比Prodisc-C置换后减少30%~40%。Discover假体最大应力(36.72 MPa)出现在前屈工况下,小于Prodisc-C假体的最大应力(42.66 MPa)。结论人工椎间盘置换术可以保留手术节段的运动性能,Discover作为新一代人工椎间盘假体,在减少韧带负担和维持脊柱稳定性方面有所进步。研究结果可为颈椎前路融合手术和人工颈椎间盘置换术的临床研究提供理论依据。     

部分钩突切除对颈椎稳定性影响的有限元分析

目的建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型,研究钩突切除前后对颈椎稳定性的影响。方法根据健康志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics13.1和Solid Works2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS15.0软件,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型。在建立的模型上加载,模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,获取位移、应力等数值云图,并进行分析验证。在C5节段左侧钩突上分别切除钩突高度的25%、50%和60%,获得不同范围钩突切除时的左侧弯状态下颈椎各部位的位移、应力等数值云图,分析不同范围钩突切除对颈椎稳定性的影响。结果本研究建立了三个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,研究了不同范围钩突切除后,颈椎稳定性受到的影响。钩突切除高度的25%后的左侧弯状态与未切除时对比分析,位移云图变化不大,最大等效应力减小。钩突切除高度的50%、60%后的左侧弯状态下的位移继续增大,最大等效应力逐渐减小。结论切除钩突高度的25%时对颈椎稳定性影响不大,随着切除钩突范围的增加,颈椎的稳定性逐渐降低。     

前路椎体次全切除减压融合术治疗下颈椎的有限元分析

目的建立人体下颈椎C3~7节段前路椎体次全切除钛网植骨融合术的三维有限元模型,分析术后椎体稳定性及内固定器械的应力分布。方法建立前路椎体C5节段次全切除钛网植骨钢板螺钉内固定颈椎C3~7节段有限元模型,同时建立C3~7节段下颈椎原始模型。对术后模型分别施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m扭矩,分析前屈、后伸、侧弯及轴向旋转时关节活动度(range of motion,ROM)、关节突关节最大应力与内固定器械整体应力分布情况。结果前路椎体次全切除减压融合术(cervical corpectomy and fusion,ACCF)后,C5重建节段ROM随扭矩的增大而增加,与无损模型在1.0 N·m、预载荷50 N工况下相比,C5重建节段、C3~4,C6~7和C3~7节段ROM分别下降81%、62%、58%和80%;C5重建节段后方关节突关节最大应力减小,临近节段关节突关节应力显著升高;钛网应力主要分布于运动受压侧,螺钉根部承受较大载荷。结论 ACCF术式会较大提升颈椎稳定性,降低手术节段后方关节突关节应力,对于减缓因脊髓型颈椎病引起的脊髓压迫有较好疗效。研究结果可为ACCF手术的临床应用研究提供理论依据。     

颈椎小关节切除对颈椎稳定性影响的实验研究

比较正常颈椎标本和切除颈椎C5-6小关节标本的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、扭转等生物力学指标。确定小关节切除是否对颈椎稳定性造成影响。在日本岛津电子万能试验机上对正常和切除小关节的标本进行前屈、后伸、左侧弯、右侧弯实验,在扭转试验机上进行扭转实验。以2 mm/min的实验速度分别对标本施加载荷,测量位移数据。以50 mm/min的实验速度对标本施加扭矩,测得标本的扭转角。得出正常对照组和小关C5-6节切除标本的各项力学性能指标。小关节切除25%对各项运动范围无显著变化,小关节切除50%、75%、100%对各项运动范围显著增大。双侧小关节全切除后运动范围显著增大,较其它各组间差异显著(P<0.05)。小关节切除50%以上,尤其双侧小关节切除,打乱了颈椎的平衡关系,对颈椎的稳定性造成影响。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。     

椎间盘不对称切除对小关节压力及腰椎稳定性的影响

目的探讨腰椎间盘不对称切除对小关节压力及腰椎稳定性的影响。方法采用7具人体脊柱标本(L2~3),制备完整椎间盘组、1/4椎间盘切除组、1/2椎间盘切除组,对标本施加7.5 N·m的屈伸、侧弯和轴向旋转方向的纯力偶矩,记录腰椎运动范围(range of motion,ROM)和小关节压力。结果后伸方向,1/4椎间盘切除状态下非切除侧小关节压力显著性增大;侧弯方向,1/2椎间盘切除状态下的两侧小关节压力均有显著性增大;轴向旋转方向,1/2椎间盘切除状态下仅切除侧小关节压力显著性增大。1/4椎间盘切除、1/2椎间盘切除状态下的ROM均大于完整椎间盘,但前屈方向各组间ROM无差别,各组间侧弯和轴向旋转的ROM在左、右侧无差别。结论腰椎间盘不对称切除导致腰椎除前屈方向外稳定性下降和小关节压力不对称性增大,提示腰椎间盘不对称退变引起腰椎不稳和小关节压力增大可产生腰痛。     

人工颈椎间盘置换术后颈椎生物力学的有限元分析

目的研究人工颈椎间盘植入术后节段的活动以及临近节段椎间盘、椎体内应力改变。方法建立C4～C7有限元模型，于C5C6之间分别植入人工椎间枯及植骨融合，计算在正常加载下压缩、屈曲、侧偏、轴向旋转时C4C5椎间盘及C5椎体内应力变化，以及C5C6节段的活动度。结果植入人工椎间盘后，该节段的活动基本正常，植骨融合术后该节段的活动丧失60～80％。植骨融合术后在压缩状态时，临近的上下椎间盘内应力明显增加，C5椎体内应力增加幅度最人，人工椎间盘置换术后临近节段椎间盘及椎体内应力变化很小。结论人工颈椎间盘置换可以恢复颈椎的正常活动，对于临近节段的牛物力学影响甚微。     

腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法

目的建立腰椎间盘突出症力学特征的数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法。方法利用健康成人L4～5腰椎运动节段CT影像,采用Mimics 10.01医学图像处理软件和Geomagic10.0逆向工程软件分别建立L4～5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立腰椎L4～5运动节段有限元模型,构建正常模型和腰椎间盘突出模型;运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸5种载荷下的生物力学特征参数。结果椎间盘突出后,椎间盘的应力分布及传递载荷的能力改变,应力集中于纤维环后外侧;在相同的载荷情况下,突出的椎间盘的最大形变量比正常椎间盘的大;椎间盘突出模型的小关节突接触力比正常模型的小关节突接触力大。结论椎间盘突出后,椎间盘的承载功能下降,关节突的应力水平升高,小关节的负荷增加,从而导致腰椎稳度下降。     

后纵韧带硬化对颈椎力学影响的三维有限元分析

目的利用三维有限元分析探讨后纵韧带(posterior longitudinal ligament,PLL)硬化后对颈椎生物力学的影响,分析探讨其可能引起的颈部稳定性改变。方法对1位健康成年男性进行颈部CT及MR扫描,获取C1—C7节段的断层图片,采用MIMICS(Version 12)软件对颈椎图像进行三维重建,用HYPERMESH 10.0软件对三维几何进行网格划分,后处理计算软件为LS-DYNA3D 971。模型开发和模拟计算在Dell Power Edge 12G M420刀片式服务器上进行,并固定C7,对C1进行前屈、仰伸及轴向旋转运动,加载力矩为3 N·m。比较在前屈、仰伸及旋转运动下,正常以及PLL硬化后颈椎有限元模型的生物力学改变对颈部稳定性的影响。结果颈椎前屈运动中,PLL硬化后椎间盘纤维环最大应力减小6%。颈椎仰伸运动中,PLL硬化后髓核最大应力降低约11%,椎小关节最大应力增大约15.7%。颈椎旋转运动中,PLL硬化椎间盘纤维环最大应力降低24%,最大应力集中在C4/5纤维环旋转方向侧;髓核最大应力降低25%,且最大应力位置由C2/3髓核上方下移至C6/7髓核下方;椎小关节最大应力下降10%。结论 PLL硬化后,前屈及旋转运动使PLL承载更多的力,可能加重已有病变或引起继发损伤;仰伸运动会使最大受力部位转移到椎小关节,导致继发性椎小关节损伤的可能性增加。     

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。