人体椎间盘的一个力学模型

对人体椎间盘力学性质的深入研究,牦极大地有助于对椎间盘脱出进行治疗和预防。众所周知,椎间盘表现出粘弹性性质,椎间盘中的含水量对于控制材料的松弛特性起重要作用。本文采用从人体椎间盘中得到的试件,进行应力松弛实验。试件取自髓核和两个不同方向纤维环的外层,在不同的湿度下进行实验,得到了松弛控制曲线。根据实验数据,提出了一种定性椎间盘模型。这种模型可以考虑椎间盘的粘弹性性质,并可研究年龄,材料结构变化和含水量等对其性质的影响。结果发现:髓核     

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。     

有限元分析显微镜下不同比例髓核摘除后的腰椎力学特征

背景：国内腰椎髓核摘除后有限元模型多是建立在正常椎体模型的基础上,去除了完整的髓核组织,但是没有考虑到实际手术过程中髓核只是部分摘除以及椎板开窗同时对脊柱力学产生的影响。 目的：精确建立腰椎L4/5节段显微镜辅助下不同比例髓核摘除模型,比较髓核摘除前后的力学特征。 方法：选择1例腰间盘突出症患者,获取术前CT数据构建有限元模型并验证其有效性,再获取术后CT数据并构建显微镜辅助下椎板单纯开窗、开窗+髓核摘除1/3及开窗+髓核全部摘除共4种模型,给予特定加载条件下比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种载荷下的生物力学特征。 结果与结论：精确构建了显微镜下不同比例髓核摘除后腰椎的有限元模型。通过力学特征分析得知,显微镜下不同比例髓核摘除后腰椎在屈伸状态下的稳定性明显降低,应力趋向关节突、椎板峡部等后柱结构集中,在屈伸及椎板开窗对侧弯曲活动时影响较大,髓核摘除程度与其影响有关。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;组织工程全文链接：     

终板凹陷角变化对腰椎运动节段生物力学影响的有限元分析

目的:研究终板凹陷程度变化对腰椎运动节段生物力学影响。方法:在以往建立的腰椎L4～5运动节段三维非线性有限元模型基础上,采用CAD方法精确构建三种不同终板凹陷角改变的有限元模型,有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下,分别对三种有限元模型生物力学参数进行测试。结果:负载条件下,终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小,椎间盘刚度及髓核内压增加,椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。结论:终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用;同时可通过影响终板的形变减少对椎间盘的营养传递。     

髓核摘除术对腰椎生物力学特性影响的有限元研究

目的　采用三维有限元模型分析方法,探讨腰椎间盘突出症髓核摘除术对腰椎生物力学特性的影响。 方法 采用新型CAD方法精确建立腰椎L4～5活动节段有限元模型,构建正常模型、退变模型、髓核摘除模型和疤痕长入模型分别模拟正常椎间盘、退变椎间盘、髓核摘除后即刻和术后中长期时的椎间盘;并比较其生物力学特征。 结果　(1)髓核摘除模型的刚度较退变模型减小,但较正常模型提高;　(2)疤痕长入模型腰椎节段刚度大幅回升并超过退变模型;(3)髓核摘除后即刻小关节突接触力减小,而疤痕长入模型则表现为小关节突接触力增加。 结论　腰椎间盘髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小,而髓核摘除中长期后则可有腰椎运动节段变硬和关节突的应力增加。     

人工珊瑚椎间融合器对椎间盘切除术后的生物力学影响

目的通过动物实验观察髓核切除前后腰椎间盘承受轴向载荷的形变与植入人工珊瑚椎间融合器后对形变的影响。方法采用20个猪的L3,4、L4,5椎体及所属的椎间盘作为力学实验模型,轴向加压分别测试不同载荷下椎间隙高度的变化,椎间盘髓核摘除前、后及植入人工珊瑚椎间融合器后分别测试3组数据,资料采用Paired-Samplesttest统计分析。结果椎间盘切除术后椎体前柱的稳定性破坏,较小的压力引起较大的椎间隙高度变化(P<0.001),将椎间融合器植入椎间隙后,脊柱前柱的稳定性获得恢复,由轴向压力引起的前柱不稳定现象消失,椎体间隙的高度变化小(P>0.1)。结论初步结果表明,人工珊瑚椎间融合器植入摘除髓核的椎间隙,将有效地防止术后椎间隙狭窄,改善脊柱的生物力学特性。但仍需做更大规模实验进一步研究。     

压缩载荷下猪腰椎间盘髓核摘除后力学行为的实验研究

为研究退变及摘除髓核后腰椎间盘的力学行为,对猪腰椎间盘进行压缩实验。髓核摘除并经胰蛋白酶处理后的椎间盘作为实验组,正常椎间盘作为对照组。考虑载荷大小及加载速率的影响,得到椎间盘应力和应变关系、瞬时弹性模量及蠕变性能,并建立了蠕变本构模型。结果发现:随着压缩载荷和加载速率的增大,实验组的应变及蠕变与对照组相比均明显增大,瞬时弹性模量与对照组相比则明显减小,这表明髓核摘除后,椎间盘的承载能力受压缩载荷大小及加载速率的影响明显大于正常椎间盘。实验组仍可以采用Kelvin三参量固体模型描述其蠕变性能,预测腰椎间盘去核后的蠕变行为。研究结果可为椎间盘疾病的临床治疗及术后康复提供理论基础。     

髓核假体的四元线性黏弹模型及制备参数对模型参数的影响分析

对聚乙烯醇水凝胶髓核假体进行应力松弛性能的研究,利用四元件线性黏弹力学模型对其黏弹性力学行为进行模拟,并从模型的模拟结果分析不同制备参数对髓核假体消散压缩载荷的能力的影响。研究结果表明:四元件线性黏弹模型能够很好的模拟髓核假体的黏弹特性,拟合度达到了0．99以上,效果优于三元件线性黏弹模型。四元件线性黏弹模型的分析结果表明:溶胀率的增大可以增加髓核假体消散压缩载荷的速度,但不能改变消散压缩载荷的总量;初始PVA含量越高,髓核假体消散压缩载荷的速度和总量越小;髓核假体松弛时间与人体椎间盘的松弛时间比较接近。     

椎间盘退行性变的影响因素及其相关形态结构变化的研究进展

椎间盘退行性变是造成腰腿痛的主要原因之一,影响了患者的正常生活。椎间盘退行性变是一种退行性改变,也可能源自于外力作用,使得髓核损伤、纤维环破裂,从而导致髓核突出压迫神经产生疼痛。影响椎间盘退行性变的因素有很多,包括年龄、力学环境、性别、地域差异及药物作用等。文章综述了椎间盘的结构,椎间盘退行性变的病理机制、诊断方法,不同因素对椎间盘退行性变的影响,以及椎间盘退行性变引起的椎间盘形态和椎体松质骨显微结构的变化。     

椎间盘退变颈椎(C2-C7)在正常承载与推拿下的有限元分析

文题释义： 颈椎三维有限元模型：此文建立了C₂-C₇颈椎模型,其中椎骨包括皮质骨与松质骨,软组织包括椎间盘(纤维环和髓核)、韧带等。 推拿颈部拨伸旋转法：采用拨伸加旋转的推拿方法。 背景：推拿是治疗颈椎病的一种有效方法,对椎间盘退化程度不同的颈椎进行推拿时,推拿力度因退化程度差异性会起到不同的效果,并且手法把控不当还可能对已经退化的颈椎造成损伤,目前相关研究还有所欠缺。 目的：探究椎间盘退变程度不同的颈椎在正常承载与推拿下的力学变化机制,探究推拿旋转角度对不同退化程度椎间盘的影响,从而对不同退化程度颈椎提出操作手法指导。 方法：建立三维人体颈椎(C₂-C₇)有限元模型,通过网格优化,得到几何相似度高、精确度高、网格数为200万级的颈椎模型。通过改变椎间盘参数得到退化程度不同的模型,利用有限元方法探究不同退化程度椎间盘在受到推拿作用下的力学机制。结果与结论：①退化后的椎间盘应力重新分布,髓核承载力减小,纤维环承载力显著增加,关节应力也增大;②在正常承载下,纤维环应力集中区域主要在人体后侧边缘,随着退化程度增加,应力集中区域从边缘向内延伸且面积增大;③推拿旋转时,纤维环应力集中区域主要在后侧和左右两侧,退化程度越高应力集中区域越大,应力值越大;④推拿旋转时,退化程度越高椎间盘的轴向位移小,变形能力越小;⑤C_4-5椎间盘退化会对该节段椎体(C₄,C₅)最大应力和关节接触力产生影响,且应力值随退化程度增加而增大,但退化对其他节段无明显影响;⑥综合应力安全和变形能力,施加推拿手法时旋转角度应根据退化程度适当减小。 ORCID: 0000-0001-6331-2894(王宇) 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     

提拉旋转斜扳法操作时腰椎椎间盘应力及应变的有限元研究

目的　通过有限元分析方法,观察提拉旋转斜扳法操作时椎间盘应力及应变发生的变化规律,探寻手法治疗腰椎疾患的科学性和安全性。 方法　在构建的L4~5节段腰椎模型上模拟加载提拉旋转斜扳手法,观察手法作用过程中椎间盘应力的分布及变化,髓核及纤维环的位移及应变。 结果　椎间盘应力变化从右后方开始出现,以弧形向周围传递扩散,应力的变化呈递减分布。椎间盘应变最小的位置在髓核偏后,以此为中心呈圆弧状向周围递增。应变最大的位置主要发生于纤维环,特别是椎间盘右侧外缘。 结论　手法操作中应力主要集中于后侧关节突关节,椎间盘的应力变化相对较小,提示手法治疗是安全的。纤维环后外侧在操作中有较明显的应变,局部的位移变化可能是手法疗效的机制之一。     

人工腰椎间盘植入后小关节应力分布的比较研究

目的:通过三维有限元的方法研究正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘三组小关节的应力分布,探讨人工腰椎间盘植入小关节应力分布的影响.方法:利用有限元软件MSC.MARK,建立正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘及L4～5运动节段的三维模型,然后模拟腰椎节段的运动,进行小关节应力分布的比较研究.结果:在各种运动状态下髓核摘除组小关节的应力最大,人工腰椎间盘组的小关节应力比正常椎间盘高,但明显小于髓核摘除组,但在旋转状态下,人工腰椎间盘小关节的中心部位承受的应力最大.结论:人工腰椎间盘植入后与髓核摘除组相比可降低小关节的应力,但仍高于正常的腰椎间盘组;人工腰椎间盘组的抗旋转能力明显低于正常腰椎间盘组和髓核摘除术后组,由此可见,目前的人工腰椎间盘具有腰椎间盘大部分的力学功能,与真正的腰椎间盘仍有差别.     

纤维环穿刺法与髓核抽吸法建立兔椎间盘退变模型的比较

目的:比较采用纤维环穿刺法和髓核抽吸法建立兔椎间盘退变动物模型的不同。方法:新西兰大白兔经腹膜外入路暴露腰3/4、腰4/5、腰5/6椎间隙,纤维环穿刺组采取针刺纤维环,髓核抽吸组抽吸髓核8周后核磁共振观察椎间盘变化,生化分析椎间盘中蛋白多糖含量,免疫组织化学检测Ⅱ型胶原表达。结果:术后8周与对照组相比,采用两种方法的椎间隙高度与T2信号手术前后变化比值,以及Ⅱ型胶原和蛋白多糖含量,差异显著。其中髓核抽吸组的Ⅱ型胶原和蛋白多糖含量明显低于纤维环穿刺组。结论:髓核抽吸法建立兔退变椎间盘模型退变程度大于纤维环穿刺法。     

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。     

Mallory染色法在椎间盘退变组织染色中的应用

背景:椎间盘退变的同时伴随有组织结构和成分的改变。采用多种染色剂连续复染形成多元色的组织学图形,可观察到各组织成分的不同颜色以及椎间盘退变时的颜色变化,在分辨力的显现上,比单纯形态学的改变更明显且易于分辨。目的:从组织形态和颜色变化两方面观察Mallory三色染色对椎间盘的染色效果。方法:取1,1.5,2,2.5和3月龄Hartley豚鼠L4～5椎体,制备中央冠状面椎间盘组织切片。用Mallory染液染色,光学显微镜下观察髓核、软骨终板和纤维环各区域形态和颜色的变化。SPOT-Ⅱ数码成像系统拍摄图像。结果与结论:Hartley豚鼠椎间盘退变程度随鼠龄增长自然加重。1月龄豚鼠的髓核形态正常,无色透明。在1.5～3月龄豚鼠中,髓核逐渐退变,由局部发展至全部基质呈现浅蓝着色,表明有胶原沉积,其形态上可见脊索细胞呈现软骨样细胞变性,髓核面积逐渐缩小并逐渐被纤维软骨样组织替代,直至在3月龄时呈现"蛇纹石"样外观。其终板上紫红色软骨细胞带随鼠龄增长呈现出不规则形态直至消失,其形态上可见软骨细胞逐渐减少。外纤维环红色和橘黄色的面积随着鼠龄增长而增加,表明有纤维素样变性,其形态上可见明显的板层状结构。内纤维环蓝色的面积随着鼠龄增长逐渐缩小。结果显示Mallory三色法用于Hartley豚鼠椎间盘染色时,在髓核、软骨终板和纤维环上,可从色彩、形态两方面显示出对基质和细胞具有良好的组织分辨力,能从形态和成分变化的角度反映自然增龄过程中椎间盘组织的退变情况。     

不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析

目的比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系,分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段(L4~5)三维有限元模型,模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下,分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化,并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果在不同运动状态下,人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布,一定程度地增大椎管内的空间,使神经根所受的应力减小,椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位;椎间盘内部应力前屈位大于后伸位;且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时,与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比,从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程,能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据,也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。     

纤维环穿刺法与纤维环切开法建立兔椎间盘退变模型

背景:椎间盘退行性变模型的建立,是研究椎间盘退行性变病理过程和尝试基因治疗等的基础,建立的动物模型要求与人类椎间盘退行性变具有相似性和可比拟性,但目前尚缺乏公认的最佳实验动物模型。目的:比较纤维环穿刺法和纤维环切开法建立兔椎间盘退变动物模型的差异。方法:将32只新西兰大白兔以数字表法随机分为纤维环穿刺组和纤维环切开组。经腹膜外入路暴露L3/4、L4/5、L5/6椎间隙,纤维环穿刺组采取针刺纤维环,纤维环切开组采取尖刀切开纤维环,控制穿刺或切开的深度及方向。术后2,4,12,20周通过MRI和组织病理学检查观察腰椎间盘髓核变性及组织病理情况。结果与结论:术后4周,兔椎间盘髓核面积缩小,纤维环面积增大,髓核内T2加权像信号降低、变暗,椎间隙高度也开始下降,纤维环穿刺组T2信号强度评分较纤维环切开组低(P0.05);随着时间的进展,兔椎间盘T2信号强度评分逐步增高,椎间隙逐渐变窄,术后20周椎间盘T2信号强度评分达最高,两组比较差异无显著性意义。随着时间的进展,两组髓核内细胞含量逐渐减少,纤维软骨形成。提示纤维环穿刺法和纤维环切开法均可成功建立椎间盘退变模型,但纤维环切开法椎间盘的退变程度较纤维环穿刺法剧烈,建立的模型过程可能不是人体椎间盘自然退变的模拟过程,纤维环穿刺法比较真实地模拟了人类椎间盘损伤后的退变过程。     

腰椎间关节扭转的三维非线性有限元模型

过去有人认为腰椎间盘的轴向扭转是椎间盘脱出的可能原因。本文作者利用三维非线性有限元模型,对扭转如何引起腰椎间关节破坏进行了研究。在模型中椎体由骨密质壳和骨松质核心、软骨终板以及后部附件等构成,纤维层假设由八个薄层组成,髓核用不可压缩流体来模拟。模型同时还考虑了所有七条脊椎韧带的作用。材料的力学性质都表现为线性,但考虑了运动和变形的几何非线性。本文检验了关节面和韧带的作用以及后部附件、椎间盘、韧带和椎体中的应力分布。在扭转的生理范围中,关节面承担百分这十到四十的扭矩。盘中的纤维力应     

骨形态发生蛋白2对退变椎间盘组织学和Ⅰ，Ⅱ型胶原的影响

背景：研究表明,退变椎间盘细胞外基质的主要变化是Ⅱ型胶原和蛋白多糖含量的减少和Ⅰ型胶原含量的增加。 目的：观察腺相关病毒介导的骨形态发生蛋白2基因(AAV-BMP-2)对兔退变腰椎间盘内髓核Ⅰ,Ⅱ型胶原的影响。 方法：将12只新西兰大白兔L2-3,L3-4,L4-5,L5-6椎间盘针刺制造退变模型后随机分为3组,每组4只。其中AAV-BMP-2组兔椎间盘注射AAV-BMP-2,AAV组兔椎间盘注射不携带目的基因的空载体,生理盐水组兔椎间盘注射生理盐水,注射后第8周处死动物取其相应的椎间盘常规石蜡包埋,组织切片,以苏木精-伊红染色观察其髓核组织学变化,免疫组织化学法检测髓核组织Ⅰ型、Ⅱ型胶原表达并进行半定量分析。 结果与结论：普通苏木精-伊红染色结果显示AAV-BMP-2组椎间盘内髓核细胞数目较多,呈单个或者簇状分布,髓核结构清晰,无纤维样组织填充。而AAV组和生理盐水组的组织结构相似,髓核内细胞数目少,髓核皱缩干瘪,细胞间为纤维样组织填充且排列紊乱。免疫组织化学染色显示：AAV-BMP-2组椎间盘髓核内Ⅱ型胶原的表达均高于AAV组和生理盐水组(P < 0.05);AAV-BMP-2组椎间盘髓核内Ⅰ型胶原的表达均低于AAV组和生理盐水组(P < 0.05)。结果说明,体内转染AAV-BMP-2能抑制椎间盘髓核细胞表达Ⅰ型胶原,促进椎间盘髓核细胞表达合成Ⅱ型胶原,提示维持椎间盘内胶原的含量、种类,可维持椎间盘内组织学的结构和形态,稳定髓核细胞生长环境,延缓椎间盘的退变。     

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