强直性脊柱炎腰椎-骶骨椎间盘有限元模型建立及应力分析

背景:强直性脊柱炎是一种风湿免疫类慢性炎症反应疾病,软组织骨化融合及脊柱强直可致生物力学改变。目的:利用有限元分析方法重建强直性脊柱炎腰椎后凸患者的腰椎-骶骨椎间盘,研究T_(11)-S_(1)节段各椎体活动度及纤维环、髓核的生物力学特征。方法:获取1例强直性脊柱炎腰椎后凸患者的影像资料,将连续扫描的脊柱CT原始影像数据以DICOM格式导入Mimics 21.0,分别重建T_(11)-S_(1)。随后将建立好的模型以“Stl”格式导入3-Matic软件进行椎间盘的重建,得到具有纤维性的椎间盘模型。将完善的模型继续导入Hypermesh软件,对椎体、髓核、纤维环、韧带进行网格划分,赋予材料属性后将模型导入ABAQUS软件中,观察T_(11)-S_(1)各椎体在不同工况下的活动度,并分析各节段纤维环及髓核的生物力学特征。结果与结论:(1)L_(1)节段在后伸、前屈、旋转(左、右)、侧屈(左、右)工况下的活动度均大于其他椎体,L_(1)椎体前屈时的活动度最大,为2.18°;L_(5)节段后伸工时的活动度最小,为0.12°;(2)L_(2)-L_(3)节段椎间盘前屈时的纤维环应力大于后伸时(P<0.05),L_(3)-L_(4)、L_(4)-L_(5)节段椎间盘前屈时的纤维环应力小于后伸时(P<0.05),L_(1)-L_(2)节段椎间盘左旋转时的纤维环应力大于右旋转时(P<0.05),L_(1)-L_(2)、L_(2)-L_(3)、L_(3)-L_(4)、L_(4)-L_(5)、L_(5)-S_(1)节段椎间盘左侧屈时的纤维环应力大于右侧屈时(P<0.05);(3)T_(11)-L_(12)、L_(1)-L_(2)、L_(2)-L_(3)、L_(3)-L_(4)、L_(4)-L_(5)节段前屈时的髓核应力大于后伸时(P<0.05),T_(12)-L_(1)、L_(3)-L_(4)节段椎间盘左旋转时的髓核应力小于右旋转时(P<0.05),T_(11)-T_(12)、L_(1)-L_(2)、L_(2)-L_(3)节段椎间盘左旋转时的髓核应力大于右旋转时(P<0.05),T_(11)-S_(1)节段椎间盘左侧屈时的髓核应力均大于右侧屈时;(4)结果显示,强直性脊柱炎腰椎后凸患者椎体活动度最小值位于后伸工况下的L_(5)椎体,为预防骨折建议避免后伸体位的运动;强直性脊柱炎腰椎后凸患者发病时,纤维环及髓核最大应力部位在L_(1)-L_(2)节段,部位固定且不会随体位的改变而变化,后期手术治疗、矫正畸形应着重松解该节段纤维环及髓核的压力,避免纤维环破裂、髓核损伤。

分段取样法研究改进Hummers法制备GO结构特性及其机理

氧化石墨烯(GO)制备过程调控及机理研究对其性能及其功能化改性具有重要意义。本文基于改进Hummers法制备GO,采用分段取样法提取主要阶段的中间产物;利用SEM、Raman光谱以及XRD、FTIR、XPS等检测手段表征分析各阶段产物的微观形貌、结构和成分,以探究GO制备机理,并采用TEM对最终制备的GO进行形貌表征观察,探究各阶段反应对GO制备的影响规律,以实现对GO氧化程度和结构的调控。研究结果表明:在浓H_(2)SO_(4)/KMnO_(4)混合体系中,使用单一的浓H_(2)SO_(4)无法对石墨进行插层与氧化,KMnO_(4)是石墨氧化的必要条件;氧化阶段会形成大量的含氧官能团,导致石墨层间距进一步扩大。GO-1到GO-5阶段,氧化石墨的C/O从7.23降到2.03,氧化石墨片层间距从原始石墨的0.344nm增加到0.815nm,研究成果为GO的进一步改性与应用提供数据及理论支持。

CT数据建立12岁儿童全颈椎有限元模型及有效性验证

背景:儿童颈椎有限元模型多为10岁及以下儿童的,所建立的节段也只是部分颈椎,而12岁儿童全颈椎有限元模型则相对较少。目的:建立有效的12岁儿童全颈椎有限元模型,为研究儿童颈椎活动性、应力及临床治疗儿童颈椎疾病提供理论依据。方法:随机选择1名健康的12岁儿童,使用64排螺旋CT对该儿童颈椎进行扫描,将CT数据导入Mimics 16.0中重建简单的三维模型,用Cero 5.0优化模型,再导入Hypermesh 14.0中划分网格及添加韧带,最后用ANSYS 6.14软件进行材料赋值,设定边界等操作,构建颈椎三维有限元模型,并对模型有效性进行验证,将模型在前屈后伸、左右屈曲、左右旋转6种工况下各椎体的活动度与文献数据进行对比。结果与结论:通过有限元软件成功建立了12岁儿童全颈椎三维有限元模型,该模型还原度高,与其模拟的颈椎相似性好。在1.5 N•m的载荷下,除C4-5、C6-7在旋转工况下的活动度较参考文献低外,其余节段在各种工况下的活动度均在既往文献的参考范围内,说明该模型有效,在后续的应力研究和临床治疗中可以运用。

基于CNKI和Web of Science核心合集数据库的人工智能脊柱领域可视化分析

目的:利用CiteSpace软件对国内外人工智能脊柱领域研究进行可视化分析并创建知识图谱,通过分析人工智能脊柱领域在国内外的发展,对比国内外人工智能脊柱领域的研究热点,为相关研究提供参考。方法:中文数据检索以最新版本中国知网(CNKI)数据库,使用“人工智能”和“脊柱”为主题词进行高级检索;英文文献数据检索以Web of Science核心合集为数据来源,检索式为“TI=(Artificial Intelligence*)And TI=(Spine*)”,从检索结果中排除会议、报纸、重复等不符合研究对象的文献,最终得到人工智能脊柱领域的57篇中文文献和124篇英文文献,导入CiteSpace信息可视化软件进行统计分析,对文献进行热点分析、国家机构分析、文献计量学可视化分析。结果:人工智能脊柱领域发文最多的国家是美国,中国位列第三名。我国人工智能脊柱领域出现频率最多的关键词是机器人、人工智能、深度学习。国际出现次数最多的关键词是classification、diagnosis、model。我国在人工智能脊柱领域发表中文文献最多的机构是海军军医大学第二附属医院,国外发表人工智能脊柱领域文献最多的机构是Harvard Med Sch。结论:对人工智能脊柱领域我国与国际进行研究时间基本同步,国内以独自研究为主,建议加大多机构协同研究,争取在相关领域与国际接轨。

颈椎前路微型记忆加压合金板的有限元分析

目的评估微型记忆加压合金板在前路颈椎椎间盘切除融合术中置入后的生物力学性能,为该内植物的临床应用、术后护理及后续实验研究与改进提供依据。方法随机选择一名健康成年女性志愿者,建立C_(5)、C_(6)颈椎-微型记忆加压合金板三维有限元模型,对各工况下内植物上应力集中区域的应力分布情况进行比较分析。结果中立位时,该内植物上分布的应力相对较为均匀且应力值较小;前屈状态时,各个区域的平均应力相对其余工况均为最大,最大平均应力位于区域6即下钩部分,为(45.89±5.32)MPa;后伸状态时,区域1、2、3、4即加压部件的应力分布较为均匀(P>0.05);侧屈工况下,该内植物整体应力分布不均,屈侧平均应力远大于伸侧(P<0.05);旋转工况下,应力在旋转对侧上部与同侧下部较为集中,左旋转时分别为(23.66±6.24)MPa和(23.62±7.07)MPa,右旋转时分别为(24.16±5.42)MPa和(24.58±5.30)MPa。除中立位外,在其余六种工况下,置入椎体内部的上下钩固定部分受到的应力均较大。结论颈前植入该微型记忆加压合金板后,应减少做前屈动作,避免过于频繁或过于激烈的侧屈、旋转动作,保持中立位最为稳妥。在后续研究及改良过程中,可考虑加强内植物上下钩的固定强度。

新型颈前路高贴附性弹性内固定合金板的设计与有限元分析

背景:颈椎前路椎间盘切除减压内固定通常于颈前辅助接骨板进行内固定,由于传统接骨板体积较大、突出于椎体前缘及接骨板材质导致弹性模量较高等原因,术后患者常存在吞咽不适、相邻节段退行性变等并发症。目的:运用三维有限元研究方法比较并分析3种自主研发的新型颈前路高贴附性弹性内固定合金板在术后的应力分布特点,为内植物的改进及临床应用提供参考。方法:利用镍钛合金设计3种内植物:合金板A为阶梯型,合金板B为弧面阶梯型,合金板C为弧面型。随机采集1名21岁健康成年女性志愿者C5、C6节段的CT薄层扫描图像,应用Mimics 21.0、Geomagic Studio 2013、Abaqus 2020等软件处理,构建3种新型颈前路合金板装配完成的颈椎有限元模型,在C5上加载50 N垂直力及1.5 N·m纯扭矩载荷,模拟颈椎中立、前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转7种运动状态,采集3种合金板6个应力集中区域的应力值。结果与结论:①中立位时,3种合金板上各个应力集中区域处分布的应力相对其余工况为最小;前屈及后伸工况下,合金板A加压件上部的平均应力大于合金板B(P<0.05),合金板C下部的平均应力大于合金板B(P<0.05);侧屈工况下,屈侧的平均应力大于伸侧(P<0.05);旋转工况下,旋转对侧上部及同侧下部的平均应力相对较大(P<0.05);侧屈及旋转动作时,合金板A大多区域的平均应力远小于合金板B、C(P<0.05);②3种合金板的平均应力均在中立位时较小、在做旋转动作时较大,应力最大部位几乎均集中于螺纹孔周围;③合金板A较适合于术后需做各种类似侧屈旋转动作的患者;合金板B对椎体影响较小,适合于椎体存在基础疾病等的患者;合金板C可在考虑相关并发症的前提下适当增加下部厚度。该新型合金板仍需进一步实验及临床研究。

颈椎前路微型记忆加压合金板的有限元分析

评估微型记忆加压合金板在前路颈椎椎间盘切除融合术中置入后的生物力学性能,为该内植物的临床应用、术后护理及后续实验研究与改进提供依据。随机选择1名健康成年女性志愿者,收集通过CT薄层扫描获得的C_(5)、C_(6)节段的图像,利用Mimics 21.0、Abaqus 2020等软件进行三维重建,得到内植物装配完成后的颈椎有限元模型。分别在中立位、前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转7种工况下施加1.5N穖的扭矩,比较分析该内固定器6个应力集中点上的应力分布情况。

蒙药蓝刺头对兔骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化的影响

目的:探讨蒙药蓝刺头对兔骨髓间充质干细胞的体外增殖和成骨分化的影响。方法:制备蓝刺头冻干粉。传代培养符合实验要求的兔骨髓间充质干细胞BMSCs。设置含1,0.1,0.01,0.001,0.0001 mg·mL^(-1)蓝刺头的兔BMSCs完全培养基,采用CCK-8法检测不同浓度蓝刺头对兔BMSCs增殖及活力的影响。设置对照组为完全培养基培养、模型组为成骨诱导分化培养基培养、给药组为含0.01 mg·mL^(-1)蓝刺头冻干粉的成骨诱导分化培养基培养。不同处理组连续干预兔BMSCs 7,14 d后,检测其碱性磷酸酶ALP活性并观察ALP染色情况;连续干预14,21 d后,采用茜素红染色法观察基质矿化情况并进行定量检测,RT-qPCR法检测成骨分化相关指标RUNX-2、OPN、BGLAP、COL-I及ALP mRNA的表达水平。结果:CCK-8实验结果显示,与其余各组相比,0.01 mg·mL^(-1)蓝刺头组OD值明显升高(P<0.05)。与对照组比较,模型组及给药组均能够提高ALP表达及活性水平(P<0.05),促进细胞外基质矿化(P<0.05),上调成骨分化相关基因RUNX2、OPN、BGLAP、COL-I及ALP的表达(P<0.05),且存在一定时间依赖性(P<0.05),给药组与模型组相比效果更为明显(P<0.05)。结论:蒙药蓝刺头具有能够促进体外培养条件下兔BMSCs增殖及成骨分化的效应。