有限元分析法在研究人工椎间盘置换生物力学中的应用

自1973年Belytschko等首先将有限元分析应用于脊柱生物力学研究以来,经过近40年的发展,已从最初的二维线性发展到现在的三维非线性,从单椎体和单运动节段到整个脊柱,不可谓不迅速[1]。由于脊柱结构的特点以及部位的敏感性,从伦理学考虑,在活体内直接测量其生物力学参数便是不现实的。而有限元分析作为数值计算中的一种离散方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用,可以对形状、结构、材料和载荷情况极其复杂的构件进行应力、应变分析,且具有实验时间段、费用少、力学性能测试全面及可重复性实验等突出优点。传统的脊柱力学性质的研究方法（如机械法、电测法和光弹法等）对椎体应力的计算基本都是通过骨表面的应变来实现的,无法得到骨内部的应力值,而通过有限元分析方法可以得到椎体内应力、髓核内应力、纤维内张力,椎间盘层间剪切力,椎间盘内结构的位移、脊柱的角位移、及小关面间的压力、韧带以及肌肉的受力情况等。因此,有限元分析法作为一种理论生物力学研究分析工具是十分理想的。     

三维有限元法在脊柱生物力学中的应用现状

1972年Belytschko等[1]首先采用轴对称有限元模型对椎间盘在轴向载荷作用下的行为进行了研究,这是首次在脊柱生物力学研究之中使用有限元方法.1975年Liu等[2]在腰椎对直接剪切阻力的研究中首次构造了椎体的三维有限元模型,标志着三维有限元方法开始在脊柱生物力学研究中的应用.到80~90年代,有学者将其分别应用于颈椎[3]和腰椎[4-5]的模型建立及生物力学分析.随着计算机技术的快速发展,各类相关软件被相继开发,三维有限元分析方法也被越来越多地运用于脊柱生物力学的研究之中[6-8].笔者就三维有限元法的概念、原理及其在脊柱生物力学中的具体应用进行系统回顾及总结.     

腰椎退行性疾病手术治疗的有限元建模研究进展及相关问题的述评

<正>严重腰椎退行性疾病的手术治疗“金标准”是腰椎融合术,在治疗过程中需要将受累的腰椎节段进行椎弓根钉(pedicle screw,PS)棒系统内固定和椎间植骨融合。腰椎融合手术的常见并发症是邻近节段退变(adjacent segment degeneration,ASD)。ASD通常会导致患者需要翻修手术进一步融合相邻节段。     

骶骨次全切除术后腰骶部重建的生物力学研究:三维有限元分析

Objective  

The aim of this study was to investigate the biomechanical property of lumbosacral reconstruction after subtotal sacrectomy.     

椎间孔镜术后腰椎间盘突出复发与后纵韧带完整性关系的有限元生物力学研究

目的 建立椎间孔镜手术治疗腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,LDH)对后纵韧带不同处理方式的有限元模型,完成对正常活动的生物力学分析,并探讨该手术对腰椎后纵韧带不同处理方式对术后复发的影响.方法 获得男性志愿者的CT平扫数据,导入Mimics 20.0软件中,建立志愿者L4～5节段有限元模型...     

有限元建模和分析在膝骨关节炎退变中的研究进展

骨关节炎(osteoarthritis, OA)是中老年人最常见的膝关节疾病,其发生是机械和生物性因素相互作用的结果,膝关节是一个复杂的机械系统,膝OA过程中生物力学变化对于预测疾病进展具有重要作用。有限元(finite element, FE)建模和分析技术是一种有效的工具,可以帮助研究人员预测和评估膝OA的发展和进展。本综述概述模拟膝关节不同解剖结构退化FE模型(包括关节软骨、软骨下骨、软骨退变和软骨下骨重塑耦合、半月板肌肉骨骼及前交叉韧带重建FE模型)所涉及的挑战和治疗进展,并对所面临问题进行分析和讨论。     

经皮侧后路腰椎间孔成形术对腰椎解剖及生物力学影响的实验研究

目的 研究经侧后路腰椎间孔逐级扩大成形术对腰椎解剖及腰椎稳定性的影响.方法 6具人脊柱功能单位（L4-5）新鲜尸体标本,依次用外直径为7.5mm和10mm的环锯对脊柱运动节段右侧椎间孔下半部分进行扩大成形,观察不同直径环锯对腰椎间孔扩大成形后解剖学变化.用脊柱三维运动试验机（MTS 858MiniBionix Test system,Minneapolis,MN）测量脊柱功能单位在椎间孔成形前后腰椎稳定性,包括未加载时中性区的位 置及加载10.0N.m后脊柱功能单位的屈伸、侧屈及轴向旋转范围等指标.结果 使用外直径7.5mm的环锯对腰椎间孔进行扩大成彤时,仪切除L5上关节突腹外侧部分骨性结构,而对关节突关节的关节面及关节囊无任何破坏,腰椎稳定性无明显改变;使用外直径10mm环锯对腰椎间孔进行扩大成形后,L5上关节突腹外侧骨质被部分切除,同时上关节突尖部及部分关节面、腹侧关节囊被一并切除.腰椎侧屈稳定性明显降低.结论 腰椎间孔扩大成形幅度过大,可降低脊柱功能单位的侧屈稳定性,但无明显破坏.     

基于CT图像重建腰椎活动节段三维有限元模型及其应用

腰椎节段三维有限元模型既要求在视觉上与实际相似 ,又要求易于网格划分和数学求解。本文基于中国人体腰椎L4 - 5活动节段的系列二维截面CT图像 ,采用轮廓线的描述方式提取平面数据 ,通过将平面数据坐标进行三维化处理 ,获得腰椎节段的三维体数据 ,最后直接利用ANSYS有限元分析软件 ,采用自底向上的建模方式重建腰椎节段的三维有限元模型 ,并利用该模型研究了L4 - 5腰椎间盘的生物力学行为。结果表明 ,该模型具有很好的视觉效果和数学求解能力。     

个体化经肛提肌外腹会阴联合切除术治疗低位直肠后壁肿瘤对盆底影响的有限元分析

  目的  应用有限元分析方法探讨个体化经肛提肌外腹会阴联合切除术(extralevator abdominoperineal excision,ELAPE)治疗低位直肠后壁肿瘤对术后盆底生物力学的影响。  方法  利用MIMICS 10.01、GeoMagic Studio 12及ANSYS Workbench 14.0软件,分析2014年7月至2015年1月于天津医科大学肿瘤医院招募的27例健康未育女性志愿者的盆底核磁共振数据并建立3种盆底有限元模型:正常模型、ELAPE模型和个体化ELAPE模型,测量3种模型在相同载荷作用下非肛提肌组织内的最大应力及正常模型与个体化ELAPE模型肛提肌内的最大应力,并观察应力分布。  结果  正常模型、ELAPE模型和个体化ELAPE模型的非肛提肌组织内最大应力分别为(1.963±0.061)、(5.127±0.070)、(3.667±0.126)MPa(均P < 0.01),三者的高应力区均出现在盆底左右两侧与骨盆内侧壁的连接处,最大应力均出现在左右两侧最前端与耻骨连接处;正常模型与个体化ELAPE模型的肛提肌内最大应力分别为(0.812±0.042)、(1.437±0.043)MPa(P < 0.01),二者的高应力区均出现在左右两侧与肛提肌腱弓连接处的前部,最大应力均出现在左右两侧最前端与耻骨连接处。  结论  本研究采用的个体化ELAPE术对于盆底非肛提肌组织内的应力有降低作用。      

Dynesys动力内同定系统用于轻度腰椎退行性滑脱治疗的早期临床疗效分析

目的探讨动态中和固定系统（ dynamic neutralization system,Dynesys ）用于腰椎退行性滑脱治疗的早期临床疗效及相关影像学改变。方法2010年1月至2012年2月,我科对17例明确诊断为腰椎退行性滑脱的单节段病变患者进行了后路椎板开窗减压, Dynesys 系统内固定手术治疗。其中男6例,女11例;年龄53～72岁,平均61.3岁。手术节段分布：L3/4间隙3例,L4/5间隙10例,L5/S1间隙4例。使用疼痛视觉模拟评分（ VAS ）和功能障碍指数（ ODI ）进行疗效评估。通过术前及随访时 X 线片测量椎间隙高度比及椎间活动度。结果所有手术顺利完成,未发生严重的围手术期并发症。随访期间未发生内固定失败。术后随访12～22个月,平均15.4个月。VAS 腰痛评分：术前5.9±2.7,末次随访1.8±1.2;VAS 腿痛评分：术前3.1±2.4,末次随访1.2±0.9。ODI 指数：术前（39.4±17.3）%,末次随访（14.8±11.2）%。术前及随访时所有评分差异均有统计学意义（ P＜0.01）。椎体间高度比：术前2.5±1.2,随访时2.8±1.4,二者比较差异无统计学意义（ P＞0.05）。椎间活动度：术前（4.6±1.5）°,随访时（1.8±1.1）°,二者差异有统计学意义（ P＜0.05）。结论Dynesys 系统内固定是轻度腰椎退行性滑脱的一种早期疗效满意的治疗选择。     

髓核假体-柔性稳定系统的在位生物力学仿真分析

髓核假体置换是治疗下腰痛的有效方法之一。本研究利用有限元模型对制备的髓核假体进行在位生物力学分析, 并仿真设计了由髓核假体、弹性翼状编织物和钛合金螺钉组成的柔性稳定系统, 以防止髓核假体发生在位失稳。有限元生物力学模型分析的结果表明: 该髓核假体在静载荷下没有发生明显的失稳现象; 柔性稳定系统可解决髓核假体在运动状态下潜在的失稳问题; 采用低模量Ti合金材料有助于避免固定螺钉产生的局部应力集中。     

Dynesys系统不同应用方式治疗椎间盘退变性疾病的临床疗效

目的总结动态中和系统（ dynamic neutralization system,Dynesys ）作为融合或非融合器械治疗椎间盘退变性疾病（ degenerative disc disease,DDD ）的临床效果。方法2010年2月至2012年8月应用 Dynesys 治疗 DDD 患者51例,其中男22例,女29例,年龄38～74岁,平均54.6岁。本组病例单节段34例,双节段15例,三节段2例,使用方法包括非融合、融合和混合应用,其中单节段融合12例,非融合22例,双节段非融合5例,混合应用10例,三节段1例非融合,1例混合应用。共固定70个节段,其中融合23个节段,非融合47个节段。手术方法：融合节段行椎板开窗减压、侧隐窝开放、间盘切除、PLIF （自体骨或混合骨粒）,非融合节段仅行椎板开窗减压、侧隐窝开放、间盘有限切除。通过 Oswestry 功能障碍指数（ oswestry disability index,ODI ）和疼痛视觉模拟量表（ visual analogue scale,VAS ）评估临床疗效,并通过侧位 X 线片和 CT 二维重建评估融合节段的椎间融合率,动态侧位 X 线片评估非融合节段的运动功能保留情况。结果随访时间6～28个月,平均23个月。VAS 腰痛评分术前5.9±1.7,术后2.0±1.5（ P＜0.05）。下肢痛评分术前7.3±1.6,术后1.6±1.5（ P＜0.05）。ODI 指数术前（61±19）%,术后（22±13）%（ P＜0.05）。47个非融合固定节段中有31个（66%）节段保留有椎间活动度,活动范围2°～6°,平均3.5°,但椎间活动度较术前明显减小（ P＜0.05）。23个融合节段均无椎间活动度,融合率56.5%。无不可逆性神经症状加重、内植物失败、切口感染等并发症,临床疗效满意。结论Dynesys 治疗 DDD 的近期疗效满意,可在融合、非融合、混合应用不同方式中个体化选择。作为非融合器械使用仅能够部分保留椎间活动度。作为融合器械使用,能够提供椎间足够稳定,但植骨融合率低于坚强固定。     

椎间盘造影在多节段腰椎间盘退变性疾病治疗中的作用

目的探讨椎间盘造影对多节段腰椎间盘退变性疾病治疗中,在选择治疗节段方面所起的作用。方法对35例多节段腰椎退行性变患者的93个椎间隙行椎间盘造影检查,根据注入造影剂的量、注入时阻力、是否诱发出患者原有症状等确定责任椎间盘,并对相应节段手术治疗。结果93个椎间隙造影中注入量大于2ml44个间隙,推注时阻力减低者44个间隙,诱发出患者原有症状54个间隙,对其中19个椎间盘行人工椎间盘置换,35个椎间盘行腰椎融合术。术后均无与造影相关的并发症。随访16～42个月,平均30.4个月。术前JOA评分7～17分,平均10.7分,术后JOA评分20～29分,平均25分。与术前评分比较有显著性差异(P<0.01)。术前VAS评分6～10分,平均7.5分,术后VAS评分0～2分,平均1.2分,与术前比较有显著性差异(P<0.01)。结论椎间盘造影对准确选择多节段腰椎退变性疾病的治疗间隙能够提供重要的指导作用。     

Dynesys系统治疗单节段与多节段腰椎退变疾病的对比研究

目的比较 Dynesys 系统治疗单节段与多节段腰椎退变性疾病的临床疗效。方法回顾分析2008年7月至2011年3月采用 Dynesys 系统治疗的腰椎退变疾病患者46例。根据患者手术节段分为单节段组（32例）和多节段组（14例）。记录两组患者术前术后 Oswestry 功能障碍指数（ oswestry disability index,ODI ）和疼痛视觉模拟量表（ visual analogue scale,VAS ）评分,摄腰椎正侧位和前屈后伸位片,测量手术节段椎间高度、活动度以及近端相邻节段的椎间活动度。结果46例患者平均随访30（24～52）个月,两组患者 ODI 指数术后3个月：单节段组（20.5±5.7）%,多节段组（21.2±9.8）%;末次随访：单节段组（12.2±4.3）%,多节段组（15.3±6.9）%,均较术前明显改善（ P＜0.05）;VAS 评分术后3个月：单节段组2.9±1.3,多节段组3.2±1.4;末次随访：单节段组1.4±0.3,多节段组1.6±0.4,均较术前明显改善（ P＜0.05）。末次随访时 ODI 与 VAS 评分两组间差异无统计学意义（ P＞0.05）。两组患者手术节段椎间高度术后3个月单节段组（11.3±2.7） mm,多节段组（11.1±2.0） mm;末次随访单节段组（10.8±3.1） mm,多节段组（10.3±2.2） mm,较术前均有所下降,但差异均无统计学意义（ P＞0.05）。手术节段的活动度在术后3个月单节段组（4.3±2.4）°,多节段组（4.6±2.7）°;末次随访单节段组（4.8±2.2）°,多节段组（5.3±2.0）° 均显著下降（ P＜0.05）。两组近端相邻节段活动度在术后3个月时单节段组（9.1±2.1）°,多节段组（8.5±1.8）°有所增加,但差异无统计学意义（ P＞0.05）,仅在末次随访时单节段组（10.3±2.7）° 较术前显著增加,并且单节段组大于多节段组（9.1±3.0）° （ P＜0.05）。结论单节段与多节段 Dynesys 内固定治疗腰椎退变性疾病均能获得满意的短期临床疗效,并保留部分椎间活动度,术后近端相邻节段活动度较术前均有所增加,单节段组增加更显著,这可能存在相邻节段退变的风险。     

退行性腰椎侧凸后路长节段固定不同上端固定椎选择比较的Meta分析

目的对退行性腰椎侧凸后路长节段融合内固定不同上端固定椎选择进行Meta分析,探讨不同上端固定椎对临床疗效的影响。方法计算机检索Cochrane图书馆(2014年第8期)、Pub Med(1966年至2014年8月)、EMbase(1966年至2014年8月)、中国生物医学文献数据库(1978年至2014年8月)、万方数据库(1998年至2014年8月)、中国期刊全文数据库(1999年至2014年8月)、维普期刊(1998年至2014年8月),并人工检索期刊《The Journal of Bone and Joint Surgery》、《中华骨科杂志》、《中国脊柱脊髓杂志》。由2名评价者按纳入与排除标准选择文献、提取资料和质量评价后,采用Rev Man 5.2软件进行Meta分析。结果最终纳入6篇回顾性研究文献,共453例,其中融合至上胸椎(upper thoracic,UT)208例(T10及以上),融合至下胸椎(lower thoracic,LT)245例(T10以下)。Meta分析结果显示:成人退行性腰椎侧凸后路长节段融合内固定选择上胸椎与选择下胸椎相比,手术操作时间更长[WMD=0.94,95%CI(0.50,1.38),P<0.0001],术中出血更多[WMD=0.60,95%CI(0.34,0.86),P<0.00001],而两者术后Oswestry功能障碍指数(oswestry disability index,ODI)[WMD=0.83,95%CI(-3.45,5.10),P=0.70],术后腰椎前凸角(lumbar lordosis,LL)[WMD=-0.94,95%CI(-3.39,5.27),P=0.67],术后交界性后凸角(proximal junctional kyphosis,PJK)[WMD=-1.93,95%CI(-4.65,0.79,P=0.16],术后矢状位垂直轴(sagittal vertical axis,SVA)[WMD=-1.13,95%CI(-4.19,1.92),P=0.47],术后胸椎后凸角(thoracic kyphosis,TK)[WMD=1.51,95%CI(-2.76,55.78),P=0.49]相比,差异均无统计学意义。结论对退行性腰椎侧凸长节段固定患者,选择T10为近端固定椎能达到与T10以上椎相似的脊柱矢状面参数矫正效果,且具有手术时间短、出血量少的优势。     

椎弓根间距测量在评价胸腰椎爆裂骨折严重程度中的应用价值

目的探讨胸腰椎爆裂骨折椎弓根间距与椎管狭窄、神经损伤及椎板骨折严重程度的关系。方法纳入标准：患者有完整的正侧位x线片及cT扫描、矢状面二维重建。排除标准：受伤超过10d,多椎体骨折,病理性骨折,火器伤,无法耐受影像检查,以及未行CT矢状面二维重建者。2005年9月至2012年9月收治外伤所致急性胸腰椎爆裂骨折患者160例,其中男102例,女58例,年龄17-55岁,平均38．9岁。致伤原因：高处坠落伤115例（71．9％）,平地摔伤28例（17．5％）,交通伤15例（9．4％）,其他2例（1_3％）。骨折部位：胸段（T。～T。。）17例（10．6％）,胸腰段（T11～L1）129例（80．6％）,腰段（L2～L5）14例（8．8％）。通过测量伤椎上下邻椎椎弓根间距来计算伤椎椎弓根间距（IPD）增大的比例,分析其与椎管狭窄、神经损伤及椎板骨折严重程度的关系。按照美国脊髓损伤学会的ASIA分级标准进行神经功能评价。结果除1例外,其他所有病例均有IPD：~大（99．4％）,增大比例为4．7％～115．1％,平均（17．4±12．9）％,女性（18．5±14．4）％较男性（14．7±7．8）％更加明显（P〈0．01）。椎管狭窄比例5．2％-97．3％,平均（37．9±19．4）％,IPD增大比例与椎管狭窄程度有显著相关（P=0．38;t=6．65;P〈0．01）。在伴有神经损伤和椎板骨折的病例中,IPD明显增加,分别为（24．8±12．5）％和（25．3±15．9）％。结论胸腰椎爆裂骨折病例中,通过x线片测量椎弓根间距,是评价椎管狭窄、神经损伤及椎板骨折严重程度的理想方法。     

钢板骨水泥"人工椎体"在脊柱转移瘤手术中的重建

目的探讨钢筋骨水泥“人工椎体”在脊柱转移瘤切除后重建中的应用效果。方法对18例胸腰椎转移瘤患者行病椎切除、椎体重建术。术前ASIA神经功能分级：A级1例，C级7例，D级10例。胸椎11例均实施一期前路手术，其中7例行肿瘤椎体切除、钢板骨水泥椎体重建术，4例行肿瘤椎体切除、钢板骨水泥椎体重建及内固定术；腰椎7例一期后路内固定加前路肿瘤椎体切除、钢板骨水泥椎体重建术5例，一期后路椎管减压、内固定，二期前路肿瘤椎体切除、钢板骨水泥椎体重建2例。结果术中病灶清除较为彻底，术后影像学显示内固定确切，手术均成功并获得满意疗效。随访4～28个月，术后胸背痛完全消失，术后ASIA神经功能分级：A级1例，D级5例，E级12例。1例4个月因脑转移死亡，其他17例存活时间8个月以上。结论钢板骨水泥“人工椎体”在脊柱转移瘤切除后重建术，可使患者早期自立从而提高患者的生存质量。     

巨噬细胞与髓核细胞相互通讯在椎间盘退变中的作用

<正>椎间盘退变(intervertebral disc degeneration,IVDD)是临床上引起下腰痛的主要原因,研究表明,IVDD是一个由基因遗传、机械负荷、外伤和吸烟等多种因素引起的慢性过程^[1-2]。在退变过程中,当髓核组织所处环境受到破坏时,细胞外基质Ⅱ型胶原蛋白、蛋白聚糖等合成减少,基质金属蛋白酶表达水平增高,髓核组织脱水,难以抵抗外界机械负荷,严重时椎间盘突出、压迫神经出现疼痛症状^[1,3]。然而IVDD是一个复杂多变的过程,     

脊柱大通道内镜辅助下经皮椎弓根空心螺钉置入在腰椎融合治疗中的应用探讨

目的 探索脊柱大通道内镜辅助下经皮椎弓根螺钉固定(percutaneous pedicle screw fixation,PPSF)的临床应用.方法 分析我院2019年12月至2020年12月收治的24例需行全内镜下腰椎椎管减压融合内固定的患者,按随机数字法分为两组,对照组采用传统经皮穿刺置入椎弓根空心螺钉导针至椎体内...     

上颌骨全切术后缺损定制化修复体的三维有限元应力分析

目的: 建立定制化的单侧上颌骨缺损修复体的三维有限元模型,对其表面应力进行三维有限元分析,筛选获得良好的固位方式.方法: 采用螺旋CT扫描、数字影像传输,应用Mimics、Geomagic Studio和Ansys软件,建立定制化的单侧上颌骨缺损修复体的有限元模型,对不同的固位方式下,修复体的表面应力进行分析.结果: 获得了单侧上颌骨缺损修复体的三维有限元模型,不同的固位方式下修复体表面的最大应力集中区均位于对侧牙槽突区延伸板靠近缺损侧下方的钉孔处,应力值的大小在50.491-113.334Mpa.与鼻根区延伸板固位螺钉的有无及对侧牙槽突区固位螺钉的排布密切相关.结论: 建立了单侧上颌骨缺损修复体的有限元模型,修复体的固位方式采用鼻根区1枚螺钉,对侧牙槽突区采用呈△排列的3枚螺钉(近缺损侧1枚、远缺损侧2枚)固位较好.