腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证**☆

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。
　　方法：健康男性志愿者,39岁,身高175 cm,体质量65 kg,采用16排螺旋CT机对L3-L5节段进行扫描,得到1.25 mm层厚的 CT图片共101张,Geomagic9.0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。
　　结果与结论：建立了正常人L3-L5三维有限元模型,整个模型共有213736个节点和799779个单元。该模型 L3-L4,L4-L5节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近. 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性. 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像.直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型.垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N？m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度. 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点.施加预载荷及1.5 N？m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符.从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大.上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小.对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况.结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性.     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景:医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的:建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法:选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论:建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

不同运动步态下锁定加压钢板固定胫骨干骨折的有限元分析

背景:目前有限元分析广泛应用于人体骨折内固定模型的力学分析,但大多研究局限于静态下,动态下的骨折模型有限元分析尚未见报道。目的:通过三维有限元分析来探讨锁定加压钢板固定胫骨干不同类型骨折在不同运动步态下的应力分布情况。方法:利用CT扫描获得正常成人胫腓骨及足部的薄层扫描图像;运用相关软件建立其三维模型,在此模型上模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形4种类型骨折,并与锁定钢板进行装配生成实验模型,各组模型加载相同的轴向压缩载荷600N。通过有限元分析软件Ansys12.0分别测定各组模型在落地相、中立相、离地相三种步态下的应力分布情况。结果与结论:在步态下,胫骨在骨折各组中的应力分布由小到大均为:落地相<中立相<离地相。锁定钢板在胫骨中段横行、斜行、粉碎性骨折中的应力分布由小到大均为:中立相<落地相<离地相;在胫骨中段螺旋形骨折中应力分布由小到大为:离地相<中立相<落地相;提示在运动步态中,钢板和胫骨均在离地相受力最大。钢板的应力集中在中间或边缘;而胫骨的应力分布在骨折线以上靠近近端,骨折线以下靠近骨折线。就胫骨整体而言,呈现两端集中,中间分散的状态。     

不同运动步态下锁定加压钢板固定胫骨干骨折的有限元分析

背景：目前有限元分析广泛应用于人体骨折内固定模型的力学分析,但大多研究局限于静态下,动态下的骨折模型有限元分析尚未见报道。目的：通过三维有限元分析来探讨锁定加压钢板固定胫骨干不同类型骨折在不同运动步态下的应力分布情况。方法：利用CT扫描获得正常成人胫腓骨及足部的薄层扫描图像;运用相关软件建立其三维模型,在此模型上模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形4种类型骨折,并与锁定钢板进行装配生成实验模型,各组模型加载相同的轴向压缩载荷600N。通过有限元分析软件Ansys12.0分别测定各组模型在落地相、中立相、离地相三种步态下的应力分布情况。结果与结论：在步态下,胫骨在骨折各组中的应力分布由小到大均为：落地相〈中立相〈离地相。锁定钢板在胫骨中段横行、斜行、粉碎性骨折中的应力分布由小到大均为：中立相〈落地相〈离地相;在胫骨中段螺旋形骨折中应力分布由小到大为：离地相〈中立相〈落地相;提示在运动步态中,钢板和胫骨均在离地相受力最大。钢板的应力集中在中间或边缘;而胫骨的应力分布在骨折线以上靠近近端,骨折线以下靠近骨折线。就胫骨整体而言,呈现两端集中,中间分散的状态。     

建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型及其应力分析

背景：目前临床所使用的人工椎间盘的结构、材料特性、生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别。目的：通过三维有限元的方法观察分析人工腰椎间盘在腰椎运动节段中的应力传导作用。设计：单一样本观察分析。单位：中山大学附属第三院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室。对象：1例健康男性意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本及SB ChariteⅢ型人工椎间盘建立起脊柱运动节段的人工椎间盘植入有限元模型。方法：根据人工椎间盘的工业设计图，利用有限元软件MSC.MARK，建立人工腰椎间盘三维模型；取脊柱健康的腰椎运动节段尸体标本，用螺旋CT机对标本进行扫描，并把图像文件输入计算机保存，在ASC．MARK软件固有的三维坐标系中建立L4-5节段的几何模型。把L4-5运动节段模型中的椎间盘换成人工椎间盘，保持模型L5下终板固定，分别向标本施加4Nm的前屈、后伸、侧弯及扭转力矩，最后计算人工椎间盘代表结点的受力大小并记录应力的分布。主要观察指标：观察人工椎间盘前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转运动状态的应力分布情况。结果：建立了符合临床实际的人工腰椎间盘植入腰椎运动节段的有限元模型。人工椎间盘的应力分布特点为：①在所有的运动状态中，滑动核及盖板的中心部位承受的应力最大，其次为滑动核在运动状态下偏向的部位。②滑动核及盖板上表面比各自的下表面承受其两三倍的应力。③所有的运动状态中，压缩状态下滑动核和盖板的中心部位承受的应力最大。结论：建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型，在形态、大小及运动特点均与实际的人工椎间盘的结构特点相符，以此进行人工椎间盘应力分布的实验是可行的。     

人工椎间盘置换对腰椎小关节应力影响的三维有限元分析

背景:近年来随着对脊柱生物力学研究的深入,人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法,但目前对人工腰椎间盘的生物力学研究还非常有限.目的:建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型并进行生物力学分析,观察人工椎间盘置换对腰椎小关节应力的影响.方法:在已建立的正常腰椎运动节段三维有限元模型的基础上去除L4～5椎间盘、上下终板的有限元单元,加入SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的有限元模型,保留L4～5椎间隙的纤维环及相关韧带,形成L4～5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型.对三维有限元模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯等不同载荷下进行生物力学分析,记录小关节的应力,并与正常运动节段三维有限元模型相应部位的应力进行对比.结果与结论:生物力学分析结果显示,人工椎间盘置换后:①垂直压缩时上下椎体、双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).②前屈、后伸时上下椎体前、后方及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).③侧弯时上下椎体左右两侧及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).提示人工腰椎间盘置换后小关节应力可保持在正常运动节段的水平,人工腰椎间盘置换可以达到腰椎生物力学性能重建的目的.     

原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。目的：通过建立b5节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起b5节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L4／5节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。结果与结论：L舶节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎问融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

背景：目前有限元构建模型主要是基于医学图像的建模方法,骨水泥注入主要是人为假设的,而文章中治疗前后的数据直接来源于CT扫描,可靠性更高. 目的：构建骨水泥注入前后骨质疏松性腰椎骨折椎体的三维有限元模型,分析治疗前后病椎及邻椎的应力变化. 方法：选取1例75岁骨质疏松性L2椎体压缩性骨折患者,经双侧椎弓根注入少量骨水泥获得良好疗效,随访2年病椎及邻椎无新发骨折,局部无疼痛.根据其治疗前后的腰椎CT数据,构建三维有限元模型,模拟腰椎屈伸、左右侧屈、旋转等运动,统计分析治疗前后同一运动状态下的应力变化. 结果与结论：建立了腰椎压缩骨折骨水泥注入前后的三维有限元模型,共生成222727个单元.骨水泥注入增加了L2椎体（病椎）屈、伸、侧屈各运动时的应力（P 〈0.05）,对其旋转时的应力无明显影响（P 〉0.05）;对L1,L3椎体（邻椎）在屈、伸、侧屈及旋转时的应力亦无影响（P 〉0.05）.提示少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性腰椎骨折可增加病椎强度及应力,但不改变相邻椎体应力.     

以三维非线性有限元法分析融合腰椎的生物力学变化

背景：MATLAB具有大型数值计算、数学绘图和简单有限元分析的能力,建模速度快,能够识别BMP和JPG格式的灰度图,并可将识别的数据直接转换为ANSYS三维有限元软件可识别的格式,避免了常规在Autocad软件中图像的重新定位和二次处理而产生的人为误差。
　　目的：寻求一种简便、快捷、准确的方法建立各种腰椎融合模型,对腰椎融合后腰椎活动节段的生物力学进行分析。
　　方法：利用薄层CT技术,结合Matlab(Matrix Laboratory即矩阵实验室)科学计算软件,辅助Ansys有限元分析软件建立各种腰椎融合模型。对所建立的模型施加各种载荷,分析其生物力学变化。
　　结果与结论：对所建立的融合模型施加轴向、屈曲及伸展载荷后,生物力学分析得出所有的融合模型中椎体间融合稳定性最好。和关节间融合相结合,椎体间,侧后方,后方融合模型的轴向位移较单独的椎体间,侧后方和后方融合模型分别减少5%、1%和4%。在伸展-屈曲载荷条件下旋转角度分别减少23%、11%和45%。应力向融合部位集中的现象表明融合块可增加载荷的转移。说明薄层CT和Matlab软件的辅助使得Ansys有限元软件建立腰椎融合模型的速度和精度提高。小关节融合和椎体间,侧后方,后方融合相结合,可使腰椎获得更好的稳定性,这种稳定性的增加在后方融合中更为显著。后方融合模型的应力分布更加合理。     

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t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。     

三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论. 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能. 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度. 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀.②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板.③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的.结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理.     

股骨近端溶骨性转移瘤三维有限元模型的力学分析

背景：如何评估股骨近端转移瘤的骨折风险在临床上争议较多. 目的：建立股骨近端不同大小溶骨性转移瘤的三维有限元模型,分析在慢步行走过程中病变局部的应力变化,评估骨折风险. 方法：对志愿者双下肢进行薄层 CT 扫描获得股骨数据,图像处理软件 Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件 UG4.0建立股骨近端3个部位溶骨性病变模型,给予加载缓慢行走时单足落地状态下股骨的载荷,利用有限元软件分析股骨颈区,转子间区及转子下区应力的变化. 结果与结论：①股骨颈水平：皮质完整的髓内缺损破坏直径至相应冠状面直径的90%局部应力突然增长至135.98 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变至70%局部应力突然增长至92.34 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至60%时,局部应力大于屈服应力,增长至101.19 MPa.②转子间水平：内侧皮质完整的髓内球形病变破坏直径至80%局部应力突然增长至131.21 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至105.19 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%时,局部应力大于屈服应力,增长至92.21 MPa.③转子下水平：破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至92.42 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%-80%之间,局部应力增长至89.97-105.19 MPa,大于屈服应力.结果表明股骨近端未穿透骨皮质的髓内病变对股骨近端应力变化影响不大.对于破坏单侧骨皮质的病变,在股骨颈水平破坏直径大于60%时存在骨折风险,转子间水平破坏直径大于70%时存在骨折风险,转子下水平破坏直径大于70%时存在骨折风险.     

人工腰椎间盘置换的临床应用：现状与未来**

背景：人工腰椎间盘置换的基本理念是在稳定病变节段的前提下,力求最小影响相邻节段的生物力学状态,防止以及减少相邻节段退变的发生率。
　　目的：分别对人工腰椎间盘置换的适应证和禁忌证、围置换期经济学考量、远期并发症以及人工腰椎间盘置换与融合术的混合使用效果进行了探讨。
　　方法：计算机检索PubMed数据库、中国期刊全文数据库、中国生物医学文献数据库近十年的相关文献。纳入腰椎间盘置换术的回顾性和前瞻性临床实验报告,排除观点重复的文章,最后对34篇文献进行归纳与分析。结果与结论：1982年人工腰椎间盘假体首次临床应用以来,已有许多关于腰椎间盘置换的临床报道,然而对临床实验中遇到的许多问题始终没有统一答案。人工腰椎间盘置换的适应证和禁忌证应考虑到置换节段数对临床结果的影响、小关节退变对临床结果的影响、既往有腰椎间盘手术史患者的选择、患者年龄、椎间盘置换前休息时间等因素。评价腰椎间盘置换是否优于传统的腰椎融合,可以从椎间盘置换中出血量、手术时间、置换后住院时间等方面进行考量。腰椎间盘置换后较常见的并发症有异位骨化、植入物机械故障、相邻节段和小关节退变。将人工腰椎间盘置换与融合术的混合使用治疗多节段腰椎间盘病变,使两种手术干预方法互补不足,得到优于单独使用的手术疗效。     

膝关节动态有限元模型的力学分析

背景：膝关节具有解剖结构复杂性,活动多样性的特点。目前人体膝关节的生物力学研究由于不能进行直接的人体实验而进展缓慢,在尸体上进行实验又不具备正常人体的生理环境,其实验结果并不准确。收稿目的：采用了工程学的有限元分析方法,在无创、活体的条件下,研究膝关节各部位的受力情况。方法：利用CT图像建立膝关节的三维动态有限元模型,在膝关节0°-90°范围内分析前后交叉韧带和髌股关节的受力。结果与结论：前交叉韧带在屈膝0°时张力最大,然后逐渐减小,在屈膝50°-90°之间无明显变化,而后交叉韧带恰恰相反,在屈膝0°-50°时变化不大,之后逐渐增大,屈膝90°时达到最大值。髌股关节受力分析发现,髌股关节的压力是随着角度逐渐增大的。提示膝关节动态三维有限元模型能够逼真模拟膝关节活动,研究正常人膝关节各部位的受力,是骨科生物力学分析的有效工具。     

腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

背景：经椎间孔腰椎间融合非对称固定的生物力学稳定性研究,发现固定效果与双侧椎弓根螺钉接近,可满足临床应用所需生物力学要求。经关节突椎弓根螺钉参与经椎间孔腰椎间融合非对称固定的螺钉力学安全性又会怎样呢？目的：建立L4＋s功能节段左侧经椎间孔腰椎间融合后,分别予以同侧椎弓根螺钉＋对侧经关节突椎弓根螺钉、同侧椎弓根螺钉＋对侧经椎板关节突螺钉及双侧椎弓根螺钉固定的三维有限元模型,施加相同的载荷,分析不同运动状态下螺钉应力分布特点,比较3种螺钉应力状况。方法：对一成人正常L4—5椎节段标本、椎间融合器、椎弓根螺钉和皮质骨螺钉进行64排螺旋CT扫描,通过Mimicsll．1建立左侧经椎间孔腰椎间融合后3种内固定组合（同侧椎弓根螺钉＋对侧经椎板关节突螺钉、同侧椎弓根螺钉＋对侧经关节突椎弓根螺钉及双侧椎弓根螺钉固定）的几何模型,利用Simpleware3．1软件分别建立三维有限元模型,模拟500N惦Nm载荷下前屈、后伸、左＼右侧弯、左＼右侧旋等6种运动状态,用Abaqus6．8软件进行螺钉应力变化和分布特点分析。结果与结论：由于经椎间孔腰椎间融合入路切除了左侧关节突,造成内植物应力分布不对称,对弹性模量大的内固定器械一椎弓根螺钉应力影响最大,尤其是在左旋运动时。在不对称组合内固定中,由于关节突关节螺钉的使用,使对侧椎弓根螺钉应力相应增加,以左旋运动时尤为明显,但关节突关节螺钉断裂的危险性增高不明显。提示为降低螺钉断裂的风险,经椎间孔腰椎间融合后路3种组合内固定均应严格限制旋转运动,尤其是关节突切除侧的旋转运动。