腰椎峡部裂生物力学三维有限元分析

目的 建立腰椎三维有限元模型,模拟分析不同运动状态下腰椎峡部的应力分布,探讨腰椎峡部裂滑脱产生的病理基础及力学机制。方法 选取成年男性志愿者1名,采用64排螺旋CT行腰部断层扫描,所得图像通过MIMICS软件处理优化,导入有限元分析软件,建立腰椎三维有限元模型（L1~L5）,分析不同姿势下腰段脊柱椎弓峡部的受力及变形情况。结果 腰椎峡部在前屈、后伸位均出现明显的应力集中,后伸位更为明显,应力值由L1~L5向下逐渐加大。结论 腰椎峡部在后伸运动间,峡部应力异常集中,这种运动状态是产生后天性腰椎峡部裂及进一步滑脱病变的重要病理基础,双侧L5峡部裂在后伸位受到应力最大,活动度异常加大,最易产生滑脱病变。     

腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器的生物力学评价

目的　评价一种新型腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器的生物力学性能,为其临床应用提供理论依据。 方法　采用8例新鲜猪腰椎标本的L4/5脊柱功能单元进行生物力学实验,先后制作正常脊柱组、峡部裂组、Buck螺钉固定组、Nicol钢丝捆绑组、机翼型记忆合金固定组5组实验模型。利用脊柱三维运动实验机,分别测试5组模型在前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转6种运动的活动范围。 结果　在前屈/后伸及左/右旋转状态下,峡部裂组稳定性最差,同其他4组有显著差异（P<0.05）。而使用机翼型记忆合金节段内固定器可明显恢复峡部裂腰椎稳定性,同正常脊柱组及其他2种内固定组无显著差异（P>0.05）。在左/右侧弯状态下5组腰椎标本均无显著性差异（P>0.05）。 结论　该新型记忆合金内固定器可维持峡部裂腰椎正常的三维运动稳定性,并且操作简单,具有很好的应用前景。     

腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证

目的建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型,通过生物力学实验进行有效性验证。方法利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料,采用Simpleware建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织,并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊,建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构,还构建了纤维环、髓核、上下终板组织,并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有281261个节点和661150个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较,验证了模型的有效性。结论建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型,此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。     

腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器研制的解剖学基础

目的　解剖测量L1～5, S1形态学参数为研制腰椎峡部裂机翼型记忆合金节段内固定器提供解剖学依据。 方法　采用20套正常成人腰骶椎标本测量L1～5,S1的相关参数,据此设计机翼型记忆合金节段内固定器。 结果 以L4/L5为例：(1)腰椎棘突下面两侧缘与椎板的交点至同侧横突根部上缘的距离(DITR)为(35.30±2.38)mm;(2)腰椎横突根部上缘前后两侧面的夹角(AFR)为(30.47±6.38)°;横突根部上下缘宽度(WRT)为(11.43±1.76)mm;(3)腰椎两侧横突、上关节突及椎弓根交界处中心点间距(DTAP) 为(46.44±2.55)mm;(4)腰骶椎棘突的厚度(TSP)为(9.04±1.12)mm;(5)腰骶椎棘突间距 (DAP)为(7.10±1.83)　mm;(6)腰椎棘突下面两侧缘与椎板的交点到横突根部、上关节突、椎弓根交界处中心点的连线和相应棘突下面侧缘的夹角（ATL）为(58.31±7.02)°;(7) 腰骶椎棘突后面到椎板的距离（LSP）为(20.40±2.80)mm。该内固定器由“U”形体部及两侧翼构成,初步设计大、中、小3个型号。 结论 机翼型记忆合金节段内固定器的设计在形态学上具有可行性,且利用了镍钛合金的记忆效应、超弹性、耐腐蚀等特性,是一种牢靠安全,操作简便的新型内固定器。     

腰椎峡部裂记忆合金节段内固定器的生物力学评价

目的 :对自行研制的腰椎峡部裂记忆合金节段内固定器进行生物力学评价。方法 :采用MTS-85 8材料试验机先在 0℃条件下测试 10件内固定器的抗拉力情况 ,内固定器在常温下恢复原形状后 ,随机分成 2组 ,分别在 3 7℃及 40℃条件下测量其抗拉力情况 ;2件内固定器施加 2 0～ 2 0 0N进行循环拉伸载荷 (1Hz)测试 ,观察内固定器的形变情况。结果 :0℃条件下内固定器的抗拉力能力明显低于 3 7℃及 40℃组 (P <0 .0 1) ,在 3 7℃及 40℃条件下内固定器被拉开 2mm均需 2 0 0N以上拉力 ,且 2组间无显著性差异 (P>0 .0 1) ;2件内固定器发生形变 6%时抵抗拉伸载荷次数分别为 95 76次和 10 0 2 8次。结论 :腰椎峡部裂记忆合金节段内固定器是一种简便易行、固定可靠的新型内固定器械     

腰椎椎弓峡部裂病因学的应力分析

本文采用三维有限元方法建立了腰椎活动节段的力学模型,着重分析椎弓峡部的应力分布情况。结果发现椎弓峡部在人体直立法、屈曲位和伸展位均出现明显的应力集中,其中以伸展位时的应力水平最高。作者认为,椎弓峡部裂实质上主要是由局部应力增高而引起的疲劳骨折,而腰椎后伸与其关系最为密切。     

机翼型Ni-Ti合金固定峡部裂对椎间盘的影响

目的　在自制机翼型Ni-Ti合金固定器基础之上,建立腰椎峡部裂内固定的有限元模型,分析其对椎间盘的影响。 方法　CT数据建立腰椎峡部裂模型,数字装配固定器,测算人体各工况下椎间盘应力峰值及分布。 结果　在前屈、后伸、左侧屈和左旋转工况下,患椎间盘的最大应力值分别增加到105%、102%、101%和111%,在使用机翼型Ni-Ti合金内固定技术重建后,患椎间盘最大应力值分别减少至67%、55%、88%和83%。 结论　机翼型Ni-Ti合金固定器构造特别,可有效减少同节段及相邻节段的椎间盘应力,防止椎间盘远期退变,具备良好的生物力学特性,有望进入临床应用,为腰椎峡部裂的治疗提供更多的选择。     

空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的三维有限元分析

背景:空心拉力螺钉技术治疗峡部裂有很多优势,但依然存在内固定的断裂、松动的风险。目的:通过三维有限元软件建立L₄-S正常模型、峡部裂模型及空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂模型,分析空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的生物力学稳定性。方法:选择1名男性健康青年军人志愿者,对志愿者腰椎、骶椎进行三维CT扫描,获取影像学数据并保存为Dicom格式。将CT数据导入Mimics research 21.0软件初步建立几何模型,并进行偏差分析,将所得模型以STEP格式输出;再导入Solidworks 21.0软件分别建立L₄-S节段正常、L₅双侧峡部裂、空心拉力螺钉治疗峡部裂3组模型,分别用A,B,C表示,比较轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下3组模型的生物力学特点。结果与结论:①相比于A,C模型,B模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的整体最大位移均为最大,而A,C整体最大位移相差不明显;②C模型去除内固定之后,最大应力趋势与A模型相近,而B模型在左侧弯及左旋转时应力明显高于A,C模型;③3组模型的整体最大转角表明,...     

腰椎峡部裂发生的相关因素分析

目的　分析腰椎峡部裂发生的危险因素,为腰椎峡部裂的预防和治疗提供参考依据。 方法　选取88例滑脱前期L5双侧峡部裂患者为研究对象,分析其体重指数、运动强度、腰椎发育情况及脊柱-骨盆结构相关参数;以88例体检正常者为对照组,进行统计学分析。 结果　研究组与对照组比较,相对代谢率、关节突关节椎弓根角、骨盆入射角、腰椎前凸角、峡部宽度、腰椎骶化、腰骶椎隐裂及家族史有统计学差异（P<0.05）;以滑脱前期腰椎峡部裂为因变量的二分类logistic回归分析表明,相对代谢率、关节突关节椎弓根角、骨盆入射角及峡部宽度是腰椎峡部裂发生的危险因素。 结论　腰椎峡部裂的发生和多种因素相关,全面认识其危险因素,有助于降低其发生率,并预防进一步发展为滑脱。     

腰椎峡部裂发生的相关因素分析

目的　分析腰椎峡部裂发生的危险因素,为腰椎峡部裂的预防和治疗提供参考依据。 方法　选取88例滑脱前期L5双侧峡部裂患者为研究对象,分析其体重指数、运动强度、腰椎发育情况及脊柱-骨盆结构相关参数;以88例体检正常者为对照组,进行统计学分析。 结果　研究组与对照组比较,相对代谢率、关节突关节椎弓根角、骨盆入射角、腰椎前凸角、峡部宽度、腰椎骶化、腰骶椎隐裂及家族史有统计学差异（P<0.05）;以滑脱前期腰椎峡部裂为因变量的二分类logistic回归分析表明,相对代谢率、关节突关节椎弓根角、骨盆入射角及峡部宽度是腰椎峡部裂发生的危险因素。 结论　腰椎峡部裂的发生和多种因素相关,全面认识其危险因素,有助于降低其发生率,并预防进一步发展为滑脱。     

单椎节与单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂的有限元分析

目的通过单椎节和单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的生物力学实验,比较峡部裂状态和两种内固定情况下邻近终板的应力变化。方法利用已经建立的L4双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,重建下腰椎内固定物如椎弓根螺钉和连接杆,将两者组合构建单椎节和单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂的有限元模型,在同样约束条件及载荷下进行有限元分析,比较腰椎峡部裂状态、单椎节、单节段内固定3种力学状态下邻近终板的应力变化情况。结果轴向加压时,两种内固定方式与峡部裂状态相比较在L4下终板应力均值差异有统计学意义(P<0.05),前屈、后伸、侧屈时单椎节固定方式终板应力均值与峡部裂状态相仿,而单节段固定方式与峡部裂状态相比较在L4下终板应力均值增高有统计学意义(P<0.05),在S1上终板应力均值差异也有统计学意义(P<0.05),旋转时单椎节固定方式与其他两种状态相比在S1上终板应力均值下降有统计学意义(P<0.05)。结论单椎节经椎弓根钉棒固定系统治疗腰椎弓峡部裂在轴向加压、前屈、后伸、侧屈、旋转时不仅能提供良好的固定,而且最大程度地保留了上下椎间盘的活动,尤其在旋转运动时对下一节椎间盘有良好的稳定作用。     

抗剪切力镍钛记忆合金髌骨爪力学性能的有限元分析

目的建立髌骨骨折内固定抗剪切力镍钛记忆合金髌骨爪的三维有限元模型,并对所建模型进行力学性能分析。方法运用Pro/E 5.0建立髌骨横型骨折髌骨爪的内固定结构模型,导入ABAQUS 10.1中进行有限元力学性能分析。分别对人体屈膝30°、60°、90°时不同髌骨关节作用力FQ下髌骨爪力学性能及变形情况进行分析。结果在相同边界条件下,当FQ分别为367.5和3 675 N时,不同屈膝角度下最大位移变形量的位置不同。与张力带固定分析相比,髌骨爪固定稳定性更佳,抗张力更强,且抗剪切力。结论髌骨爪的变形和位移符合临床所需的生物力学研究结果,其稳定性能够满足临床尽早进行功能锻炼的要求。     

下胸椎前路单钉棒固定系统有限元分析

目的建立T11～12前路病灶清除植骨+单钉单棒固定系统三维有限元模型,分析单钉单棒所受应力对其进行改进。方法对一名成年男性进行螺旋CT扫描,将所得数据导入计算机,通过Mimics13.0软件和Ansys11.0有限元软件建立T11～12前路病灶清除植骨+单钉单棒固定系统三维有限元模型,并在在椎体上表面施加500N压力和10Nm的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈和旋转四种生理载荷,观察不同载荷下固定器械的应力分布,并对其进行比较。结果下位椎体钉尾部与连接棒下段为应力较集中部位,两部位在侧弯时最小,旋转时最大,旋转运动容易导致这两部位疲劳性断裂。结论侧前方单钉棒固定系统应增粗螺钉尾部与连接棒的下端或术后严格限制腰椎的各方向活动尤其是旋转,以减小两部位的应力,降低螺钉疲劳断裂的可能性。     

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1~5节段有限元模型,对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态,获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中;各阶模态最大振幅急剧变化,L5节段腰椎附近的振幅较大,是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数,对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。     

椎板不同切除范围对腰椎生物力学影响的有限元分析

建立全腰椎有限元模型,模拟三种后路手术方式,分析不同椎板切除范围对腰椎生物力学的影响。综合利用三维重建自编软件和Hyper Mesh软件,建立腰椎(L1-L5)有限元模型并与前人所作体外实验数据比较,验证本模型的有效性。在此基础上模拟全椎板切除、半椎板切除及椎板开窗减压术,比较减压节段的运动范围及相应椎间盘的应力改变。L3-4、L4-5节段后部结构切除后,腰椎运动范围与椎板切除大小成正比,纤维环应力最大变化发生在前屈、后伸和左右旋转运动时,而在侧屈运动时无明显的变化。腰椎运动范围的增加与腰椎后部结构的切除程度有关。在彻底减压的同时,最大程度的保留腰椎后部结构,可以减小术后椎间盘应力,减轻关节突等结构的进一步退变。     

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.     

下颈椎三种侧块内固定方式的有限元分析*

目的 分析下颈椎三种内固定方式的应力分布情况。方法 本文对验证合格的下颈椎C3-C7节段模型在Solidworks中进行C4-C6三节段全椎板切除,在三维建模软件中建立三种内固定方式,即Magerl法、Magerl改良法1（以下统称Magerl-1法）和Magerl改良法2（以下统称Magerl-2法）的模型。在Hypermesh中对建立完成的模型,采用相同的方法进行网格划分,然后在Abaqus中进行下颈椎材料属性的定义、韧带的添加以及加载等。分析模型在前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种动作下3种内固定技术的应力分布情况。结果 Magerl法与Magerl-1在6种动作下的应力峰值没有明显的差异,而Magerl-2在左右旋转动作下的应力峰值明显比其他2种方法大,且超出其他动作平均应力峰值约69.2%。结论Magerl-2方法在人体颈部左右旋转活动情况下,内固定系统更容易产生疲劳或断裂;三种方法内固定结构应力都主要集中在第二根螺钉与钛棒的连接部分,后续的内固定技术研究中可以适当关注钛棒的强度设计优化;螺钉矢状面头倾在小于40°的范围内,倾角越大连接螺钉的稳定越高,范围内偏斜角度大的稳定性高于偏斜角度小的固定方式。