有限元法在腰椎融合术与置换术生物力学研究中应用进展

回顾近年来有限元法(finite element method,FEM)在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究进展,并对其应用前景进行展望。通过归纳整理,得出FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究要点是手术方案的优化选择、植入器械的性能评价和临床手术的效果预测。最后依据当前的研究要点和发展方向,对FEM在个性化手术模拟、弹性内固定性能评价和新型术式效果预测等方面的应用前景进行展望。通过对FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学研究中的应用进展进行回顾和展望,以期为临床腰背痛疾病的手术治疗提供更加全面和系统的理论指导。     

胸腰段后凸畸形对相邻椎间盘力学影响的三维有限元分析

目的：了解胸椎后凸畸形对相邻椎间盘(IVD)的影响，从生物力学方面探讨椎间盘退变及椎间盘突出的机制。方法：选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型(FEM)。利用FreeFonm成形软件构建胸椎后凸畸形模型。分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分析比较椎间盘和小关节应力分布情况。结果：胸椎后凸畸形后椎间盘应力分布发生明显的改变，椎间盘前部的压应力明显增加，后部出现张应力，小关节面的压应力减小。椎体的应力分布也发生了改变，由后向前应力越来越大。结论：(1)有限元方法是脊柱生物力学研究中很有效及很有前途的方法，但是要使其与人体达到近乎真实的模拟则还有不少问题有待完善。有些组织的材料性质了解不够，有限元模型的逼真度有一定影响。(2)利用FreeForm成形软件构建脊柱畸形的有限元模型是富有创意的建模方法。(3)脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景：近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。 目的：应用三维有限元法建立L3~5腰椎活动节段力学模型。 方法：通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。 结果与结论：建立下腰椎的三维有限元模型(L_3~5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6 482个节点,31 326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

椎间盘高度降低及退变对腰椎生物力学影响的有限元分析

目的：分析椎间盘高度降低及退变对腰椎活动节段生物力学的影响。方法：首先采用一种新型CAD方法精确构建腰椎L4-5，活动节段正常高度椎间盘（NHD）、单纯高度降低椎间盘（PHDD）、椎间盘高度降低合并严重退变（DHDD）三种有限元模型。垂直压缩载荷下，分别对3种有限元模型的生物力学参数进行测试。结果：椎间盘高度降低及退变对腰椎活动节段轴向移位、后外侧椎间盘膨出、纤维环纤维应力最大值有明显的影响，DHDD模型的椎体一终板界面应力分布与NHD和PHDD模型明显不同。结论：高度降低后椎间盘刚度明显增加，DHDD最不易发生内层纤维环纤维破裂，关节突关节间隙与轴向移位比值是决定椎间盘承载力大小的关键因素，退变椎间盘对压缩应力有明显分散传递作用。     

聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维复合材料的生物力学分析

目的利用有限元分析法比较聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维复合材料（75PEEK/10HA/15CF）与钛合金的生物力学。方法建立C4～C6有限元模型,于C5～C6间植入75PEEK/10HA/15CF或钛合金人工椎间盘和椎间融合器,计算在前屈、后伸、侧弯和旋转时临近椎体、椎间盘的wonMises应力变化和C5～C6节段的活动度及植入物上的应力分布。结果在正常情况下,钛合金人工椎间盘置换模型在前屈时C5椎体、C4~5椎间盘平均won Mises应力改变率分别为75PEEK/10HA/15CF人工椎间盘模型的1.50倍和1.67倍;在侧弯时C6椎体的平均won Mises应力改变率为75PEEK/10HA/15CF人工椎间盘置换模型的1.33倍。融合器模型,在前屈时C5椎体、C4~5椎间盘应力改变率前者为后者的1.48倍和1.87倍;在侧弯时C6椎体应力改变率,前者为后者的1.67倍。钛合金植入物的最大应力为75PEEK/10HA/15CF的4.5倍,并出现应力集中。结论与钛合金相比,75PEEK/10HA/15CF能更好地将负荷传递,增加融合率,能有效地减少临近椎体的应力,减少植入物沉降的发生。     

有限元分析法在脊髓损伤生物力学中的研究进展

脊髓损伤时的变化非常复杂,动物模型很难精确模拟损伤环境以及测量局部组织的生物力学属性,而有限元模型则可以通过分析脊髓组织的应力和应变分布,从生物力学角度为脊髓损伤的病理研究和治疗提供一个更为高效的方法。目前,有限元模型已被广泛应用,并与动物实验模型相辅相成。本文回顾了有限元法在脊髓损伤中的研究进展,对有限元法在脊髓本体建模、脊髓损伤的生物力学行为及其临床应用等方面的研究现况进行归纳及总结,以期为临床脊髓损伤问题提供更为全面的理论参考。     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

Mathematical and finite element analysis of spine injuries

A critical review of the anatomical, physiological, epidemiological, and biomechanical aspects of spine injuries are presented. These are discussed in light of the mechanical load that produces the trauma. Emphasis is given to the mathematical and finite element modeling aspects of spinal injury that focuses on the tolerance criteria. In the area of spinal mechanics, static and dynamic models are reviewed. Included are the continuum and discrete parameter models of the intact spine and finite element models of its components. A section on the role of constituent law in the assessment of trauma to the spine is given. Finally, a discussion follows on the future research in this domain.     

Identification of viscoelastic property of intervertebral disc under flexion, extension and lateral bending.

Viscoelastic behavior of the functional spinal unit (FSU) under the application of moment is important for the biomechanical understanding of physiological and pathological aspects of spine. This paper presents a mechanical model on viscoelastic behavior of intervertebral disc connecting two vertebral bodies where a posterior element and surrounding tissues have been removed from FSU. The model, which is composed of a nonlinear spring and a linear Kelvin element in series, is proposed. Specimen of human lumbar intervertebral disc (L3-intervertebral disc-L4) are used for the experiment of the cyclic moment application of flexion, extension and lateral bending with constant loading rates. Simulations by the proposed model are compared with the experiment. It is suggested that the model is good for the prediction of viscoelastic behavior of the intervertebral disc.     

颈椎体内运动的生物力学研究

由于技术水平的限制,传统的体外生物力学研究方法无法完全模拟人体内真实环境。颈椎体内运动的生物力学研究利用先进的影像技术和检测方法,能够直接观测体内颈椎的运动状态,所获得的数据更接近真实情况,对临床具有重要的参考价值和指导意义。介绍颈椎体内运动的生物力学研究方法、发展过程及目前颈椎体内运动的研究现状,分析颈椎融合手术和颈椎间盘置换术后颈椎运动的改变以及手术对邻近节段的影响,并对今后的发展方向进行探讨。     

Evaluation of the role of ligaments, facets and disc nucleus in lower cervical spine under compression and sagittal moments using finite element method.

Cervical spinal instability due to ligamentous injury, degenerated disc and facetectomy is a subject of great controversy. There is no analytical investigation reported on the biomechanical response of cervical spine in these respects. Parametric study on the roles of ligaments, facets, and disc nucleus of human lower cervical spine (C4-C6) was conducted for the very first time using noninvasive finite element method.A three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the human lower cervical spine, consisted of 11,187 nodes and 7730 elements modeling the bony vertebrae, articulating facets, intervertebral disc, and associated ligaments, was developed and validated against the published data under three load configurations: axial compression; flexion; and extension. The FE model was further modified accordingly to investigate the role of disc, facets and ligaments in preserving cervical spine motion segment stability in these load configurations. The passive FE model predicted the nonlinear force displacement response of the human cervical spine, with increasing stiffness at higher loads. It also predicted that ligaments, facets or disc nucleus are crucial to maintain the cervical spine stability, in terms of sagittal rotational movement or redistribution of load. FE method of analysis is an invaluable application that can supplement experimental research in understanding the clinical biomechanics of the human cervical spine.     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

脊柱后路经椎弓根螺钉动态固定系统的临床应用及生物力学研究进展

采用后路刚性椎弓根螺钉固定将使脊柱载荷更多地传递到后柱,导致固定器械的应力集中;同时由于固定节段的活动限制,造成邻近节段过多活动,增加了邻近节段的退变。临床上采用动态内固定来减少这些问题,很多的研究从临床和生物力学阐述各种动态固定的应用效果和作用机制。理想的动态内固定应该能够提供固定节段足够的稳定性;通过增加前柱椎体的应力,从而减少固定器械的应力承载;减少邻近节段的退变;控制固定节段的水平剪切应力。本文回顾了后路动态内固定的生物力学特点及临床应用情况,并比较不同动态内固定的生物力学作用机制。     

Prestige LP和Discover人工颈椎间盘的生物力学有限元分析

目的探讨人工颈椎间盘的结构设计对人工颈椎间盘置换前后生物力学变化的影响。方法基于中国可视化人研究项目的首例男性CT扫描数据图像建立人体颈椎C5-C6节段的有限元模型,使用已有文献数据验证该模型以确保计算结果准确。选用PrestigeLP和Discover分别作为不固定旋转中心和固定旋转中心结构的代表建模,在之前所建的双节段颈椎模型上模拟人工颈椎间盘置换术,对置换前后颈椎在常见运动情况下的颈椎生物力学变化进行计算和分析。结果人工椎间盘置换后,手术节段运动范围有所增大,活动度随之上升,过度运动会给后部小关节带来压力,同时导致韧带张力增加,远期可能导致脊柱失稳和手术节段退变。结论不固定旋转中心的假体运动范围大于固定旋转中心的假体,适当限制运动范围可能更有益于人工椎间盘置换后的远期疗效。     

腰椎棘突间非融合植入物的特点及生物力学特性

背景：非融合技术可以避免椎间盘髓核摘除和脊柱融合固定治疗椎退行性病变导致的椎间盘丧失原有的生物力学功能或加剧蜕变。 目的：总结各种腰椎棘突间非融合植入物特点、疗效及置入后生物力学的变化。 方法：作者检索1990/2012 PubMed数据库及中国知网数据库检索与腰椎棘突间非融合植入物治疗脊柱退行性病变的相关研究。 结果与结论：共纳入31条文献。棘突间非融合植入物能撑开病变节段棘突间隙,防止过度后伸,从而增加相应水平椎管横截面积和椎间孔高度,降低椎间盘负荷和小关节负荷,控制异常活动,保持运动功能来预防邻近节段退变,使失稳的腰椎达到正常状态的活动特性,实现动态重建腰椎序列。腰椎棘突间植入物可根据其特性及作用特点分为静态和动态两类,分别以X-STOP和Coflex为代表。由于不同的腰椎棘突间非融合植入物具有不同的特点,因而适应症状有所不同,应通过鉴别患者的不同发病原因,选择最合适的棘突间非融合器械进行个体化治疗,使其植入后更加符合生理情况应力分布。关键词：腰椎棘突间非融合植入物;腰椎退行性病变;生物力学;医学植入物;组织工程 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.036     

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     

Finite element modeling of multi-level cervical spinal segments (C3-C6) and biomechanical analysis of an elastomer-type prosthetic disc

A three-dimensional finite element (FE) model for the multi-level lower cervical spinal segment C3-C6 has been developed using computed tomography (CT) data, and applied to study of the effects of the fusion and the artificial disc prosthesis on the biomechanical behavior of the lower cervical spine. The NURBS computer adided dedsig (CAD) data used in this study for modeling the vertebrae facilitate adding surface patch layouts for seamless attachment of the soft tissues, such as intervertebral discs onto the vertebrae. A FE model was completed by generating mesh out of this geometry. Its accuracy was validated by comparing with previously published experimental and numerical results for the flexion-extension, axial rotation, and lateral bending moments. An implantation of an elastomer-type disc prosthesis or fused graft between C4-C5 vertebrae was considered in the FE model by modifying the intact disc. It is shown that the fusion reduced the mobility at its level by about 50-70% for the considered loading cases. It is numerically demonstrated that an elastomer with Young's modulus of 5.9 MPa for the artificial disc prosthesis well restores the biomechanical behavior of the intact spine.     

脊柱生物力学的有限元法研究进展

背景：有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行数字化仿真,重复实验分析,在脊柱生物力学研究中的运用日益广泛且深入。 目的：旨在强调运用有限元法对脊柱解剖,脊柱疾病,脊柱相关手术,以及脊柱的有限元模型的建立进行简要的阐述。 方法：以“有限元;脊柱”为检索词,检索Pubmed文献检索数据库以及中国知网数据库2000-01/2010-08文献。选择文章主要内容与脊柱的有限元分析直接相关的、针对性强、代表性好、相关领域权威杂志的文章共44篇进行综述。 结果与结论：有限元方法将发挥它低成本,可重复性强的特点,在深化理论研究的同时,还将为临床上提高对疾病发生、发展的认识,以及选择个体化治疗方案提供可靠的依据。有限元研究已经成为数字医学的重要组成部分。利用有限元方法人们进一步加深了对脊柱生物力学特性的认识。     

Growth Factors in Intervertebral Disc Homeostasis

Intervertebral disc degeneration is a complex age-related pathology associated with back pain. Research on the growth factors that regulate disc homeostasis is of critical importance for understanding the basis of the disease. Here we summarize the data on the expression and function of various growth factors in the disc from in vivo and in vitro studies, as well as on their alterations during degeneration and ageing. Such studies are becoming more crucial in the prospect of clinical application of growth factors for the treatment of disc degeneration.