振动载荷对损伤椎间盘处小关节的影响分析

利用非线性的三维脊椎有限元模型,研究了振动环境下损伤脊椎的力学特性.脊椎的损伤包括椎间盘的去髓核和小关节切除,仿真过程还考虑了不同频率和阻尼对脊椎动态特性的影响.研究表明在振动环境中,人体腰椎不仅存在垂直方向上的振动,还伴随着小幅度的前后仰俯运动.椎间盘的去核与退化将使小关节的接触力增加,在振动情况下对小关节非常不利.另外,振动对椎体后部小关节的影响比同一运动段的其他部位都大.     

关节损伤对脊椎频率特性的影响分析

为研究腰段脊柱的生物力学特性,建立了一个脊椎T12-S1段的三维有限元模型.模型中对椎骨的外形结构和内部组成以及各种韧带均进行了详细建模描述,以便使之更接近人体脊椎的真实情况.研究结果表明:在考虑人体上身质量的情况下,脊椎T12-S1段三维有限元模型在垂直方向上的第一阶响应频率为7.68 Hz.椎间盘去髓核与小关节及其关节囊韧带切除均会不同程度地降低脊椎的整体响应频率.椎间盘去核比小关节及其关节囊韧带切除对模态频率的影响要大得多.模型的动态特性是符合人体脊椎的实际情况,可以用于人体脊椎的相关研究.     

不良姿势诱发椎间盘突出

<正>椎间盘是脊椎椎骨间负责减震的装置,其最大特点是有弹性。椎间盘包括三种结构:上下软骨、纤维环和髓核。在这三种成分中,软骨最坚固,弹性效果最强的是髓核,最容易磨损的是纤维环。通常,人在20~30岁以后,椎间盘就开始老化了,就像使用时间长了的汽车轮胎,纤维环为"外胎",髓核为"内胎"。"外胎"老化变形,水分及营养成分减少,弹性降低而脆性增加,很容易因为弯腰、转身、反复的屈伸用力引起细微的损伤,     

猪腰椎间盘不同区域轴向应变分布的实验研究

应用数字图像相关(DIC)技术对猪腰椎间盘进行轴向压缩实验,研究正常椎间盘和去除髓核椎间盘不同区域轴向应变的分布及随载荷变化规律.结果表明随着应力的逐渐增加,椎间盘不同区域的轴向应变均随之增加,且变化具有不均匀性.纤维环(AF)在髓核(NP)区的轴向应变增量最大,背侧区次之,腹侧区最小;内侧的轴向应变增量均大于外侧.髓核摘除后,椎间盘腹侧区、NP区和背侧区的应变增加量均大于正常椎间盘,且纤维环内、外侧的应变增加量均大于正常椎间盘.     

腰椎间盘突出症的传统康复治疗

腰椎间盘突出症又称“腰椎间盘纤维环破裂症”或“腰椎髓核脱出症”，是椎间盘的纤维环破裂，髓核组织从破裂处突出，使相邻的神经根，脊髓等遭受到刺激或压迫，从而产生腰痛，一侧或双侧下肢疼痛、麻木等症状。     

路面随机振动下人体椎间盘关节力学特性分析

建立了L4-L5椎体关节的三维有限元模型,分别表示5种人体尺寸和不同的3种坐姿.研究当汽车在路面上行驶时,人体高度、体重和坐姿与脊椎关节压缩应力和剪切应力的关系.结果表明:弯曲坐姿时,脊椎承受的压缩应力和剪切应力最大.人体的高度和体重对于脊椎关节的静态剪切应力和压缩应力都会产生不同程度的影响.脊椎应力与座椅处振动的传递函数和驾乘人员的坐姿有着重要的关系,无论何种体型的人体,驾驶坐姿都比弯曲坐姿所承受的应力小,证明驾驶坐姿更舒适.     

基于Biot理论的腰椎间盘力学响应分析

为考虑腰椎间盘流固耦合作用,基于Biot理论建立了正常人体腰椎间盘L3~L4节段的有限元模型,分析了椎间盘在不同轴向压缩载荷及复合载荷作用下的力学响应,得到了椎间盘不同部分的压力、应力分布规律和比较曲线。结果表明:轴向正压时,外层纤维环压力约为内层的15%,外层最大应力约为髓核应力的4.3倍;椎间盘各部分所受压力随载荷增大近似线性增加,且增加的速率基本相同;应力随载荷增加而增大的速率不同,外层纤维环应力增加最为明显。轴向压缩与扭转载荷组合作用时,纤维环整体应力水平最大,最容易被破坏。     

压缩条件下腰椎间盘松弛特性的有限元仿真

为研究腰椎间盘的松弛特性,考虑非线性多孔弹性性质,采用ABAQUS软件,建立了人体腰椎间盘L3/L4节段的孔隙单元有限元模型,对不同渗透率和不同应变条件下的松弛特性进行仿真。研究结果表明:非线性的渗透率增大了节段的刚度,进而增大了节段的应力;在压缩应变作用下,椎间盘的应力松弛曲线呈指数规律变化,应力随应变增大而增大;纤维环的孔隙压力和有效应力都高于髓核,纤维环背侧的孔隙压力和有效应力均大于腹侧,因此腰椎间盘突出多发生在纤维环背侧。     

纤维环穿刺髓核抽吸法建立兔椎间盘退变模型

为探讨纤维环穿刺髓核抽吸法建立兔椎间盘退变模型的可行性。采用选取10月龄健康新西兰大白兔8只,雌雄不限,随机平均分为正常组和手术组。正常组不做处理,手术组术前于麻醉下行X线片,术中暴露椎间盘(L3-4、L4-5、L5-6),16G针纤维环穿刺抽吸髓核,术后4、8周X线片检查后收集椎间盘标本,大体观察、HE染色、甲苯胺蓝染色、番红"O"染色观察椎间盘退变。结果显示,X线片显示正常组椎间隙无明显改变,手术组4周、8周椎间隙狭窄,椎体前缘终板处变尖、毛糙,终板钙化,骨赘形成。手术组与正常组%DHI相比,差异具有明显统计学意义(P0.05)。组织病理学染色:正常组椎间盘结构完整,髓核与纤维环界限明显,排列整齐;术后4周髓核细胞明显减少,髓核与纤维环组织界限欠清晰,纤维环层状排列不整齐,术后8周髓核被纤维软骨组织替代,蛋白多糖含量明显减少。由此可知,纤维环穿刺髓核抽吸法成功的建立了兔椎间盘退变模型。     

振动载荷下腰椎间盘力学响应的仿真分析

为研究振动载荷对腰椎间盘力学性能的影响,采用有限元方法,对人体腰椎间盘L3/L4节段在不同振动频率和振动幅值作用下的力学响应进行仿真分析,并与静载荷下的响应进行比较.发现:振动幅值相同时,振动都不同程度地增大了腰椎间盘的蠕变,振动频率越高,蠕变越大;振动幅值越大,振动频率对蠕变的影响越明显.椎间盘组织的Mises应力受振动频率的影响较小;孔隙压力随着振动频率的增加下降速度有所降低.应变增大时,应力松弛随频率的增加略有减小.因此长期处于振动载荷下,特别是频率较高时,更容易造成纤维环损伤.     

人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学仿真

利用有限元法评估人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学效果.基于CT图像数据建立腰椎L2~L5节段有限元模型,并在此基础上建立人工腰椎间盘置换和椎间融合2种手术模型.对有限元模型施加模拟生理载荷,计算两种手术模型各节段椎间活动度和小关节接触应力.仿真结果表明:相比椎间融合术,人工腰椎间盘置换术在手术节段产生了明显的运动保留功能,但置换节段在后伸和侧弯工况下活动度比正常腰椎增大40.9%和43.1%,易引起手术节段的轻度失稳;人工间盘置换术改善了上下邻近节段小关节的受力状态,但置换节段在扭转工况下会引发较高的小关节接触应力.     

人工椎间盘的研制及其有限元模型的应力分析

自行研制“框架”人工椎间盘（ALDFS）,并建立腰椎运动节段ALDFS置换的有限元模型,研究ALDFS的应力分布.方法：1.从骨组织工程学、脊柱生物力学、材料学和临床循证医学角度设计,采用无磁性的医用钛合金加工制成ALDFS.2.选取一名健康男性志愿者行薄层CT扫描图像,应用逆向工程技术重建腰椎模型.结合ALDFS的三维模型,建立腰椎运动节段ALDFS置换的腰椎模型,然后通过ANSYS12.0转换成有限元模型,最后模拟腰椎节段的运动,研究ALDFS的应力分布.结果：1.ALDFS由三枚自攻自锁螺钉、两端托板和立柱组成ALDFS两端的藕根形仿生学托板由主板和侧板组成.主板是撑起上下椎体的两端带翼的马蹄印形藕根状结构的截面.侧板是在椎体侧面,安装两枚平行自锁固定螺钉,与主板的一枚纵行螺钉在椎体内相互交锁固定假体.2.成功建立腰椎运动节段ALDFS置换的有限元模型,包括77268个单元.ALDFS的分布特点为：1）所有运动状态下,杵臼关节正中部周围区域应力最大;2）立柱和上托板承受的应力为下托板的6～7倍;3）所有运动状态中,正压状态下立柱和上托板正中部周围区域承受的应力最大;4）所有运动状态中,立柱均承受三个方向的力,其中侧弯时Z轴方向承受的力最大.结论：1.AL-DFS的上托板与立柱之间永久性±5～10°的微动,可一定程度上保留椎间盘的功能.2.建立ALDFS三维有限元模型并进行其应力分析是可行的,结果是可信的.     

后冲击下人体胸部动力学响应分析

为研究后碰撞过程中人体胸部的损伤情况,基于人体解剖学构建了人体胸部有限元模型,模型包括胸椎、椎间盘、肋骨、肋骨软骨、胸骨、锁骨、肩胛骨、肌肉和韧带等人体组织.通过后碰撞仿真模拟,研究了胸部组织的应力及应变变化情况.结果表明:在后碰撞过程中,胸椎T1、胸椎T2和胸椎T3的应力和应变较大,可能发生椎体骨折;第一肋骨到第三肋骨的损伤可能较大,容易发生骨折;T1–T2、T2–T3和T3–T4之间的椎间盘应力较大,可能产生椎间盘突出等损伤.     

非持续载荷下椎间盘的多孔弹性特性

建立了人体L4/L5段腰椎关节椎间盘多孔弹性有限元模型,并在持续压缩和间歇性压缩载荷作用情况下进行仿真分析,并且将其与相同工况下退化的椎间盘模型进行对比.结果表明,同样状态的椎间盘由于间歇时间的存在,盘的变形和有效应力都相对减小,而孔压值增大.退化的椎间盘由于盘的刚度增加,盘高度和初始孔隙率减小等原因,导致其孔压值和有效应力的变化速度都要比健康的椎间盘快.     

高速冲击下人体颈椎与椎间盘接触应力分析

建立了人体头颈部有限元生物力学模型,并在颈椎与椎间盘间设置接触.以15,g 加速度载荷施加于头颈部有限元模型的头部,进行高速冲击有限元分析,得出颈椎与椎间盘的接触应力分布情况.结果表明:高速冲击下 C6、C7间易发生椎间盘突出;在头颈部有限元模型中设置接触条件,可以更好地模拟头颈部的生理特性和动力学响应情况     

内镜下经椎板间联合椎间孔入路减压治疗腰椎管狭窄症生物力学评价

为了解决单纯应用椎板间或椎间孔入路，对于多部位、多因素、多层面致压的腰椎管狭窄症病例，往往存在减压不彻底的情况，通过建立人体腰椎L4-L5节段有限元模型M0，构建精确的腰椎仿真模型，模拟经椎板间联合椎间孔入路减压，即Endo-LOVE联合PTED形成的关节突周围减压M3模型，研究了经椎板间联合椎间孔入路治疗腰椎管狭窄症术后生物力学变化及对责任节段稳定性影响。结果表明：M3处于前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转六种工况下时，其L4-L5责任节段活动度相对M0分别增加7.28%、11.29%、0.51%、0.27%、1.17%、0.51%，未发生节段失稳；M3处于前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转六种不同条件下时，其椎间盘Von Mises 应力极值相对M0分别增加3.20%、9.51%、0.55%、0.10%、0.39%、-0.44%，未发生应力突变。可见在脊柱内镜下经椎板间联合椎间孔入路减压治疗腰椎管狭窄症时，其责任节段活动度ROM值和椎间盘Von Mises 应力极值与正常的L4-L5节段相比，未见明显增加，生物力学稳定性较好，其可在保留关节突关节的情况下扩大椎管容积、充分减压，有效维持责任节段的稳定性。