颈椎融合术与非融合术生物力学研究进展

本文归纳整理了近年来颈椎融合术和非融合术生物力学研究领域的主要进展,总结了人体及动物颈椎离体标本的差异性以及颈椎离体生物力学研究常用的三种实验方法,综述了颈椎融合术和非融合术新型植入器械的生物力学、混合术的力学评估、颈椎耦合运动分析以及颈椎重要力学参数的研究进展,并结合最新研究趋势,对颈椎生物力学实验理念、加载测量方法、多节段混合术及耦合运动研究等重点方向进行展望。     

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.     

颈椎后凸畸形山羊动物模型:力学失衡及异常应力

背景:颈椎后凸畸形发生的同时其生物力学行为也发生变化,但关于颈椎后凸畸形动物模型的生物力学研究少见文献报道。目的:分析颈椎后凸畸形山羊动物模型的生物力学变化。方法:通过外加因素,模拟颈椎后凸畸形的形成病因,构建颈椎后凸畸形山羊的动物模型,并对颈椎后凸畸形山羊和正常山羊的新鲜颈椎标本作生物力学的对比研究,测量其三维运动范围和弯曲刚度。结果与结论:与正常山羊颈椎标本比较,颈椎后凸畸形山羊后凸范围在C2~5,颈椎后凸畸形山羊在C2/3~C4/5节段的三维运动范围明显减小,而在C5/6节段此差距明显缩小,在C6/7节段基本无差别,甚至会略大于正常山羊颈椎三维运动范围,在屈伸、左右侧屈、左右旋转运动中,旋转运动下降最多,旋转活动基本被限制;颈椎后凸畸形山羊在C2/3~C4/5节段的弯曲刚度明显增大,而在C5/6和C6/7节段两者较接近。反映了在施加实验因素后,羊的颈椎出现了生物力学的改变,羊颈椎在出现后凸畸形后变得僵硬了。结果提示后颈椎后凸畸形形成后,后凸节段颈椎的力学失衡和异常应力的存在造成颈椎关节的异常融合,导致了颈椎生物力学特征的改变。     

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。     

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。     

“工”型纯钛自锁颈椎钢板的生物力学研究

目的　探讨“工”型纯钛自锁颈椎钢板的生物力学特性 ,为手术方法的选择、改进提供可靠的依据 ,减少术后颈椎不稳的发生率 ,提高手术疗效。方法　采用 7具新鲜人颈椎标本 [C1 ～T1 ],制作成前路植骨融合术加“工”型纯钛自锁颈椎钢板固定的标本 ,从生物力学角度对颈椎不稳三种情况下 (前屈、后伸、侧弯 )进行了 7具新鲜尸体标本实验研究 ,采用前路手术减压、椎间盘切除术 ,颈椎造成创伤后采用植骨融合加钢板固定 ;用生物力学实验手段比较创伤前后颈椎强度、侧度的变化以及颈椎的稳定性 ,加以定量研究和评价 ,对颈椎稳定性影响进行生物力学研究。结果　颈椎创伤与固定前后其应力相差1 8% ,应变平均增加 1 5 % ,两者呈显著性差异 (P <0 0 1 )。颈椎植骨加“工”型纯钛自锁颈椎钢板固定后 ,颈椎总体稳定性增加 ,移位减小 ,轴向刚度、弯曲刚度和扭转刚度增加 4 0 %以上 (P <0 0 1 )。结论　“工”型纯钛自锁颈椎钢板设计、选材科学性和先进性 ,很值得临床应用和推广。     

颈椎双节段融合术后下位节段运动补偿的生物力学研究

目的通过生物力学分析经颈椎双节段融合术后下相邻节段的运动补偿特点。方法采用新鲜人体颈椎离体标本试验,以无损方式模拟理想状态下的颈椎C3～5、C4～6、C5～7三种双节段融合手术,从前屈运动、后伸运动、左右侧弯运动四种运动角度研究融合手术对相邻下位节段的运动影响。结果三种模式的双节段融合手术对下位相邻节段的运动具有显著影响(P0.05)或较为显著的影响(P0.05)。大多数情况下下相邻节段对融合节段的运动补偿均超过20%。结论颈椎双节段融合术后,下位相邻节段运动普遍受到影响,融合术后邻近节段代偿性的活动度增加是导致邻近节段退变的可能原因。     

颈椎有限元模型的应用进展

有限元分析法（FEA）是一种在生物力学领域广泛应用的研究方法.近年来,颈椎有限元模型已被广泛应用于研究颈椎损伤、颈椎退变及模拟各种颈椎手术,已日趋完善.回顾了颈椎有限元模型的发展,介绍了颈椎有限元建模与分析在颈椎损伤、人工椎间盘置换、椎间植骨融合、颈椎退变及颈椎失稳等方面的应用进展,展望了未来的发展趋势.     

全颈椎有限元模型的建立与验证

背景:有限元分析作为数值计算中的一种离散化方法,具有实验时间短、费用少、对身体无任何破坏、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点。以往研究多将其集中应用于腰椎模型,由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差等原因,颈椎有限元模型研究不多,并且研究只局限于单椎体和运动节段。目的:建立更为真实、有效的全颈椎三维有限元模型,用于临床生物力学研究。方法:对1名既往无颈椎病史健康男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用CAD造型软件Solid-Works2003、HyperMesh软件和ANSYS11.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎周围组织赋予不同的材料特性,引入接触理论和非线性结构计算方法,建立全颈椎有限元模型。在所建模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下的生理活动,并与生物力学实验数据进行对比。结果与结论:所建模型共有97705个节点,372896个单元。所建立模型在前屈/后伸、左右侧弯、左右旋转6种方向的运动范围,理论分析结果与生物力学实测数据高度一致。证实建立的全颈椎三维有限元模型细腻有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床生物力学分析。     

颈椎损伤钢钉置入后的生物力学分析

背景：生物力学研究表明,颈椎损伤的许多问题都与力学密切相关。 目的：总结运动员颈椎损伤置入螺钉后的生物力学研究进展。 方法：应用计算机检索PubMed数据库及CNKI数据库。中文检索关键词：颈椎损伤,置入钢钉,生物力学。英文检索关键词：Cervical spine injury; Implanted the nail; Biomechanics。所有选用的文献均为相关性较强,并在此领域具有代表性和权威性,能及时准确地反应和报道颈椎生物力学的研究进展。最终入选28篇文章进入结果分析。 结果与结论：文章主要从颈椎内源性稳定、外源性稳定和功能锻炼的角度对运动员颈椎损伤置入螺钉后进行生物力学分析,为运动员颈椎伤病的功能锻炼提供了理论依据。针对其关键发病机制,恢复颈椎内源性、外源性的动力平衡是治疗关键,为认识和掌握脊柱伤患的发生、发展、诊断及治疗方法的选择提供了新的理论依据。     

颈椎在体运动学研究方法的进展

背景：颈椎在体运动学研究能够通过侵袭性或非侵袭性方法获取生理载荷下活体颈椎的活动特性,可为颈椎疾病的诊断和治疗提供指导和参考。 目的：对目前有关颈椎在体运动学的研究方法和各自特点进行归纳总结。 方法：应用计算机检索Pubmed数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/)及万方数据库(http://www. wanfangdata.com.cn),英文检索词为“Spine,cervical,in vivo motion”,中文检索词为“脊柱,颈椎,测量,活动度”。检索文献总计238篇,最终选取30篇作为综述文献。 结果与结论：颈椎在体运动学研究可获取活体颈椎各个关节6个自由度(6DOF)的量化数据,对提高生理载荷下颈椎运动状况的认识水平,进一步了解颈椎退变的运动学特点,以及优化临床颈椎疾患的诊疗方案有重要作用,同时可为人工椎间关节及内固定器尤其是非融合内固定物的研制提供不可或缺的参考数据。其主要通过X射线、CT、MRI、超声、电磁等方法实现,但目前仍缺乏颈椎各节段在体运动范围公认的数值,颈椎在体运动学研究仍需不断深入。     

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。     

生物力学在中医骨伤手法治疗颈椎病中的应用

中医骨伤科手法治疗颈椎病临床优势突出,手法的生物力学研究具有重要的临床和理论意义。回顾近年来中医骨伤科手法治疗颈椎病的生物力学机制研究,从手法的力学测量、不同颈椎手法术式（理筋手法、正骨手法）、手法对颈椎组织（椎体、椎间盘、肌肉、血管）影响等方面的生物力学问题进行探讨,为临床中医骨伤手法更好治疗颈椎病提供生物力学理论依据及指导。     

生物力学在中医骨伤手法治疗颈椎病中的应用

中医骨伤科手法治疗颈椎病临床优势突出，手法的生物力学研究具有重要的临床和理论意义。回顾近年来中医骨伤科手法治疗颈椎病的生物力学机制研究，从手法的力学测量、不同颈椎手法术式（理筋手法、正骨手法）、手法对颈椎组织（椎体、椎间盘、肌肉、血管）影响等方面的生物力学问题进行探讨，为临床中医骨伤手法更好治疗颈椎病提供生物力学理论依据及指导。     

生物力学在中医骨伤手法治疗颈椎病中的应用

中医骨伤科手法治疗颈椎病临床优势突出,手法的生物力学研究具有重要的临床和理论意义。回顾近年来中医骨伤科手法治疗颈椎病的生物力学机制研究,从手法的力学测量、不同颈椎手法术式(理筋手法、正骨手法)、手法对颈椎组织(椎体、椎间盘、肌肉、血管)影响等方面的生物力学问题进行探讨,为临床中医骨伤手法更好治疗颈椎病提供生物力学理论依据及指导。     

双X线透视成像系统进行颈椎在体运动研究方法学的探索

目的观察应用双X线透视成像系统在颈椎在体运动学研究中下颌骨对颈椎图像的干扰度,探索颈椎在体运动学最佳位置的透视方法,为颈椎在体运动学研究提供方法学的可行性论证。方法应用双X线透视成像系统分别在两个C型臂夹角呈正交(90°)位、60°位及45°位采集健康志愿者5名(男4名,女1名)颈椎双平面X线图像,包括中立位、前屈后伸位、左右旋转位、左右侧屈位,比较各个不同位置时下颌骨对颈椎椎体图像的遮挡;采用下颌角对颈椎的干扰程度来作为评价的标准,通过对各个不同位置时下颌骨对颈椎图像干扰程度的评分,筛选最佳角度的透视方法。在做颈椎左右旋转运动透视时,比较躯干固定-头颅旋转模式和头颅固定-躯干旋转模式下下颌骨对颈椎图像的干扰程度,分别采集两种模式下的透视图像。结果 90°、60°和45°位时中立位、前屈后伸位、左右侧屈位、左右旋位透视下颌骨对颈椎图像干扰度均存在显著性差异(P<0.05)。45°位在上述位置时干扰度最小。在相同角度60°位,躯干固定-头颅旋转组与头颅固定-躯干旋转组相比有显著性差异(P<0.05)。结论颈椎在体运动学研究中应用双X线透视成像系统在交角45°位时可以最大限度的减少下颌骨的阻挡,坐位同轴躯干旋转代替头颅旋转可以减少下颌骨的干扰度,基本满足双X线成像系统二维-三维图像的匹配条件。     

The relationship between lower neck shear force and facet joint kinematics during automotive rear impacts

A primary goal of biomechanical safety research is the definition of localized injury thresholds in terms of quantities that are repeatable and easily measureable during experimentation. Recent biomechanical experimentation using human cadavers has highlighted the role of lower cervical facet joints in the injury mechanism resulting from low-speed automotive rear impacts. The present study was conducted to correlate lower neck forces and moments with facet joint motions during simulated rear impacts in an effort to define facet joint injury tolerance thresholds that can be used to assess automobile safety. Four male and four female intact head-neck complexes were obtained from cadaveric specimens and subjected to simulated automotive rear impacts using a pendulum-minisled device. Cervical spine segmental angulations and localized facet joint kinematics were correlated to shear and axial forces, and bending moments at the cervico-thoracic junction using linear regression. R(2) coefficients indicated that spinal kinematics correlated well with lower neck shear force and bending moment. Correlation slope was steeper in female specimens, indicating greater facet joint motions for a given loading magnitude. This study demonstrated that lower neck loads can be used to predict lower cervical facet joint kinematics during automotive rear impacts. Higher correlation slope in female specimens corresponds to higher injury susceptibility in that population. Although lower neck shear force and bending moment demonstrated adequate correlation with lower cervical facet joint motions, shear force is likely the better predictor due to similarity in the timing of peak magnitudes with regard to maximum facet joint motions.     

颈椎椎体次全切除，钛网植骨钢板固定三维有限元模型的建立

目的 探讨利用螺旋 CT建立颈椎椎体次全切除减压植骨固定的三维有限元模型的高度数字化方法,为研究颈椎减压手术的生物力学实验提供标准模型。方法 对健康成年男性志愿者进行CT 扫描,获得C4～C7节段的断层图片,将数据保存为Dicom格式,导入Mimics 9.1 软件进行三维几何模型重建,形成三维图像,利用Freeform 软件进行模型修改和表面划分,以IGES格式转入有限元软件Ansys 9.0完成颈椎骨性模型的建立。利用有限元软件Ansys 9.0,在颈椎骨性模型的基础上,补建终板、补充建立终板、 椎间盘、 髓核、 前纵韧带、 后纵韧带、 黄韧带、 棘间韧带、 棘上韧带等结构。然后模拟颈椎椎体次全切除,将C5椎体、前纵韧带、上下椎间盘切除,将建立的钛网、钢板实体模型添加到减压区。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行有限元网格划分。结果 颈椎脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics 和有限元软件Ansys 9.0 , 成功进行椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定三维模型有限元网格划分。整个模型共有138995个节点和94039个单元,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。结论 建立的椎体次全切除植骨固定手术三维有限元模型接近真实的生物力学标本,可以进行临床和实验研究。     

脊柱离体运动加载方法研究进展

离体脊柱生物力学测试研究对于理解和掌握脊柱的功能、损伤、退行性变以及脊柱植入物的影响均有重要的意义。脊柱生物力学的研究包括对脊柱的加载方法及脊柱运动状态的描述两个方面,脊柱的加载方法主要经历了从逐级加载到连续加载的过程。本文针对脊柱生物力学研究现状,分析国内外相关文献资料,总结了现有脊柱离体运动加载研究方法并对其进行了综述,为今后脊柱运动加载研究提供一定的参考和帮助。