我国脊柱生物力学研究现状

引言 脊柱伤病在临床上颇为多见,医学工作者曾为改进诊断和治疗,探讨脊柱疾患进行过不懈的努力,但仍有不少问题尚未明了。近二、三十年来随着生物力学的发展,得知脊柱伤病的许多问题都与力学密切相关。本文试就我国脊柱生物力学在这一问题上的研究作一简要回顾。     

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     

有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来，有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用。本就近10年来国外学用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述。详细介绍了椎体、后部结构、问盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性，及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响；介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果；展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景。     

有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来,有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用.本文就近10年来国外学者用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述.详细介绍了椎体、后部结构、间盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性,及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响;介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果;展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景.     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。     

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...     

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.     

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     

有限元模拟全内镜下精准椎板开窗减压术及生物力学分析

文题释义： 全内镜下精准椎板开窗：在内镜可视下及术中影像学实时监测下,对椎板开窗切除范围精准可控。 有限元分析：是一种采用较简单的小问题来替代较复杂的大问题,从而只需对简单的小问题进行求解的分析方法,可对脊柱的形状、材料属性及边界条件等进行描述,是一种研究人体力学的有效科学手段。 背景：目前内镜微创减压手术已应用于腰椎管狭窄症的治疗,但对镜下精准椎板开窗范围的研究较少。 目的：利用退变腰椎有限元模型,评估分析全内镜下不同分区精准椎板开窗减压手术对腰椎活动度及应力分布的影响。 方法：随机选取1名腰椎管狭窄症患者,采集CT数据,使用相关生物力学软件建立腰椎L_4-5节段有限元模型(M1),并进行有效性验证。继而有限元模拟内镜可视下精准椎板开窗减压手术,结合腰椎管狭窄症临床病理分型,建立椎板开窗减压相应范围L_4-5节段手术模型,分别为L₄椎板下缘+L_4-5关节突关节部分切除模型(M2)、L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘切除模型(M3)、L₄椎板下缘+L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘切除模型(M4)、L₄椎板下缘+L_4-5部分关节突关节+L₅椎板上缘+ Over-the-Top对侧部分关节突切除模型(M5)及L₄椎体下缘+L_4-5关节突关节1/2以上+L₅椎板上缘切除模型(M6)(以上椎体均保留峡部,除M6外,关节突关节均保留50%以上的关节面)。分别对完整脊柱(M1)及5种模拟手术模型(M2、M3、M4、M5、M6)施加相同载荷边界条件,进行前屈、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种工况下腰椎活动度及椎间盘等效应力的对比分析。 结果与结论：①与完整脊柱M1模型比较,M2、M3、M4及M5模型在各工况下活动度值相近,但M6模型的活动度值较M1明显增大,为M1活动度的151%-264%,特别是后伸和旋转工况为甚;②在椎间盘等效应力方面,M2、M3、M4及M5模型在椎间盘前区、左/右区工况下等效应力上升趋势不明显,在椎间盘后区、中区等效应力有所增加,最大增加幅度达53%,但未出现较大应力集中的情况;而M6模型椎间盘各区域等效应力均出现较大程度上升趋势,特别在前屈工况下最大达完整退变模型(M1)的3倍;③结果表明,过大椎板开窗明显影响腰椎稳定性,同时相应节段椎间盘应力增加,易加速椎间关节退变。内镜微创减压手术精准可控,针对不同类型腰椎管狭窄症采用个性化治疗方案,保证减压效果的同时,可有效维持手术节段的生物力学特性。 ORCID: 0000-0001-8935-3117(蒋强) 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     

Portable desktop computer-aided digitiser system for the analysis of spinal deformities

Prophylactic orthopaedic management of spinal deformities in non-ambulatory children with the Duchenne-type muscular dystrophy has been enhanced by a computer-aided digitiser system. Routine standardised spine radiographs are analysed using a microprocessor-controlled digitiser interfaced to a desktop computer with a refreshing type c.r.t. display and full graphics capabilities. Analysis includes computation of conventional two-dimensional orthopaedic parameters as well as spatial (three-dimensional) quantities describing the actual geometry of the spine curvatures. Three views of the spine, antero-posterior (a-p), lateral and apical, are plotted on the c.r.t. Other graphical presentations include rotation of the a-p view about the vertical axis into the lateral view as well as perspective views of the three-dimensional geometry of the spine curves. Digitising and analysis of a particular patient's spine radiographs take place in the clinic while the patient is being examined. Comparison with previous examinations of spine deformities may be done by superimposing graphic representations of the spine curves. Optional routines include a comprehensive review of previously stored data for that patient, review of current data for selected patient groups and statistical analysis of variables from any of the available data files. Additional data files include neurology, pulmonary function and orthotics service. 332 patients are currently being followed with documentation generated using the system described in this article.     

新型颈椎前路经椎弓根固定钉板系统的研制及生物力学分析

背景:临床中为了解决颈椎翻修/骨质疏松/长节段固定等问题,一般选择进行前、后路联合内固定来获得满意的术后稳定性,难免加重患者的手术创伤,增加术后并发症概率及住院费用.而颈前路反向椎弓根内固定可通过一次前路手术获得前后路联合内固定的稳定性,但临床缺少适用的颈前路椎弓根内固定系统.目的:依据颈椎相关解剖结构研制出新型颈椎前...     

Motion correction and frequency stabilization for MRS of the human spinal cord

Subject motion is challenging for MRS, because it can falsify results. For spinal cord MRS in particular, subject movement is critical, since even a small movement > 1 mm) can lead to a voxel shift out of the desired measurement region. Therefore, the identification of motion corrupted MRS scans is essential. In this investigation, MR navigators acquired simultaneously with the MRS data are used to identify a displacement of the spinal cord due to subject motion. It is shown that navigators are able to recognize substantial subject motion (>1 mm) without impairing the MRS measurement. In addition, navigators are easy to apply to the measurement, because no additional hardware and just a minor additional user effort are needed. Moreover, no additional scan time is required, because navigators can be applied in the deadtime of the MRS sequence. Furthermore, in this work, retrospective motion correction combined with frequency stabilization is presented by combining navigators with non‐water‐suppressed ¹H‐MRS, resulting in an improved spectral quality of the spinal cord measurements. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

The value of quantitative magnetic resonance imaging signal intensity in distinguishing between spinal meningiomas and schwannomas

Background: Prior studies have suggested a number of the subjective visual characteristics that help distinguish between spinal meningiomas and schwannomas on magnetic resonance imaging and computed tomography; however, objective quantification of the signal intensity can be useful information. This study assessed whether quantitative magnetic resonance imaging (MRI) signal intensity (SI) measurements could distinguish intradural-extramedullary schwannomas from meningiomas.Methods: From July 2019 to September 2021, 54 patients with intradural-extramedullary tumors (37 meningiomas and 17 schwannomas) underwent surgery, and tumors were verified pathologically. Defined regions of interest were used to quantify SI values on T1- (T1W) and T2-weighted images (T2W). Receiver operating characteristic curve analysis was used to obtain cutoff values and calculate the area under the curve (AUC), sensitivity (SE), specificity (SP), positive predictive value (PPV), and negative predictive value (NPV).Results: Both Maximum (T2_max) and mean (T2_mean) T2W SI values demonstrated outstanding (AUC: 0.91) abilities to differentiate meningiomas from schwannomas with Se, Sp, PPV, and NPV values of 94.6%, 70.6%, 87.5%, and 85.7%, respectively, for T2_max and 81.1%, 88.2%, 93.8%, and 68.2% for T2_mean. The maximum SI value on contrast-enhanced T1W (T1CE_max) and the T2W tumor: fat SI ratio (rTF) demonstrated acceptable abilities (AUC: 0.73 and 0.79, respectively) to differentiate meningiomas from schwannomas with Se, Sp, PPV, and NPV values of 94.6%, 70.6%, 87.5%, and 85.7%, respectively, for T1CE_max and 81.1%, 88.2%, 93.8%, and 68.2% for rTF.Conclusions: Quantitative SI values (T2_max, T2_mean, T2_min, T1CE_max, rTF) can be used to differentiate intradural-extramedullary schwannomas from meningiomas.     

胸腰椎前路K形钢板内固定系统的生物力学评价

目的：对胸腰椎前路K形钢板内固定系统（K－plate）进行生物力学稳定性评价。方法：6例新鲜成人尸体胸腰椎（T11－L3）标本，制成前、中柱损伤模型，椎体间模拟植骨后，分别以－Zplate、K－plate固定，采用脊柱三维运动试验系统测试完整、损伤、Z-plate和K-plate等4种状态下脊柱节段的运动范围（ROM）。结果：K-plate固定后，前屈、后伸、左侧弯、右侧变运动方向上ROM与完整、损伤状态之间差异有显著性（P＜0．05）；左、右轴向旋转运动方向上ROM与损伤状态之间差异有显著性（P＜0．05），但与完整状态之间差异无显著性（P＞0．05）。Z－plate、K－plate固定状态之间6个运动方向上ROM差异均无显著性（P＞0．05）。结论：胸腰椎前路K形钢板内固定系统能有效恢复失稳胸腰椎的稳定性。     

颈椎前路钮扣钢板的研制及生物力学评价

目的:研制颈椎前路钮扣钢板内固定系统,评价其生物力学稳定性。方法:用317L不锈钢研制出颈椎前路钮扣钢板螺钉系统。取6具青年男性新鲜尸体的颈椎标本,制成5种状态脊柱功能单位(FSU)的试验模型:正常颈椎、屈曲型损伤、单纯植骨、钮扣钢板内固定、AO钢板内固定。利用脊柱三维运动分析系统测定不同状态下颈椎节段的运动范围(ROM),比较钮扣钢板内固定与AO钢板内固定对失稳颈椎的稳定作用,并摄X线片观察各种状态下颈椎的影像学改变。结果:生物力学测试表明,钮扣钢板内固定系统可以对失稳颈椎提供明显的稳定作用(P<0.01),与AO钢板内固定系统的稳定作用相比无显著性差异(P>0.05)。动态X线摄片显示,钮扣钢板内固定及AO钢板内固定均能维持植骨块的稳定,并恢复椎间隙高度及颈椎生理曲度,而单纯植骨则容易出现植骨块的移位、凸出甚至脱出。结论:钮扣钢板内固定系统具有较好的生物力学稳定性。操作简便,适合国人颈椎解剖结构及功能特点。