不同负荷干预人体全脊柱模型脊柱稳定性的有限元实验研究

目的:通过建立全脊柱模型,观察在不同姿势和不同载荷作用于人体脊柱时脊柱稳定性的变化,向背包者建议较为合适背包姿势和负重。方法:针对人体脊柱骨骼和韧带系统开展了以人体脊柱CT扫描图像为基础的准确几何模型三维重建,并基于几何模型划分了有限元网格,采用有限元分析法对其开展了研究工作,观测了不同载荷作用于人体时全脊柱模型椎体间位移变化特点。结果:采用有限元分析法构建全脊柱模型并选取4种负荷(以体重的10%(10%BW)为单位增加)对全脊柱模型进行稳定性研究,结果显示:T7,T12,L3三组的位移在负荷为10%BW较小,均小于3mm;负荷加到20%BW时,T7、T12组大于3mm,但尚未达到3.5mm,而L3组为2.7mm;负荷高达30%BW后,T12位移稍大于3.5mm,T7组位移已达3.695mm,超出稳定位移界限0.195mm,仅L3处位移最大值2.767mm,低于稳定位移值。载荷达到40%BW后,T7和T12位移远远大于稳定位移临界值,分别达到4.113和3.898mm,但L3组位移仅为3.047mm,依然在稳定位移值范围内。结论:全脊柱模型验证表明,该研究构建人体全脊柱模型构建成功,并通过人体全脊柱有限元分析得出结论:背包负荷在10%BW-20%BW下,L3、T12、T7这3个位置的脊柱均处于平稳状态;当背包负荷达到30%BW时,只有L3的位置脊柱处于稳定状态;40%BW的负荷下也依然仅L3符合正常位移标准,这表明当载荷大于30%BW时,将L3处定为载荷放置的位置最为合理,这样可最大程度控制脊柱位移范围,以降低人体脊柱损伤。

脊柱模型联合手术视频在骨科住培生脊柱内镜教学中的应用

目的分析骨科住院医师规范化培训学员(简称“住培生”)临床教学中实施脊柱模型联合手术视频教学的应用效果。方法抽取2017年8月—2021年12月于滨州医学院附属医院80名骨科住培生作为研究对象。按照数字随机法,将其分为对照组(40名)、观察组(40名)。对照组骨科住培生接受传统骨科教学模式教学,观察组接受脊柱模型联合手术视频教学模式教学,采用脊柱仿真训练模型及试卷评价教学效果,并记录两组实践考核成绩及理论考核成绩。结果观察组骨科住培生理论考核成绩、实践考核成绩均高于对照组骨科住培生,两组考核成绩比较,差异有统计学意义(P<0.05);同时观察组住培生临床教学考核的总优良率高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论脊柱模型联合手术视频教学,可改善骨科住培生的学习效果,提高骨科住培生临床实践操作能力,增加骨科住培生对骨科临床学习的满意度。

快速成型脊柱模型在脊柱外科的初步应用

目的探讨快速成型脊柱模型在脊柱外科初步应用的意义。方法选择8例患者:严重先天性脊柱侧弯4例,退变性腰椎术后翻修3例,腰椎峡部裂1例。应用三维CT断层扫描脊柱,将DICOM数据输入计算机处理,然后进行脊柱病变区域的数字化三维重建和快速成型,并将其应用于临床。结果8例患者按计划完成手术过程顺利,无手术并发症,术后效果良好,术中所见与术前数字化三维重建模型的形状和测量结果完全一致,术后X线复查显示椎弓根螺钉位置正确。结论快速成型脊柱模型这种新技术能够使外科医生在手术前精确和直观地了解脊柱畸形情况,从而有助于指导制定手术计划和手术操作。

基于CT数据快速成型的脊柱模型制作研究

通过医学CT图像获得原始数据,然后运用医学图形处理软件Mimics对医学图片进行处理,从而将二维的CT医学图片转化成为三维图形,生成快速成型机可以识别的STL文件,最后用FDM 360MC快速成型机来完成病患组织模型。

3D打印脊柱畸形模型联合多媒体技术在住院医师规范化培训的临床教学应用

目的:明确3D打印脊柱畸形模型联合多媒体技术在住院医师规范化培训临床教学中的效果及应用价值。方法:将在本院骨科开展住院医师规范化培训的34名医师随机分成实验组(3D打印脊柱侧后凸畸形模型联合多媒体教学组)及对照组(传统教学组),每组各17名学员,均为男性;对两组住培医师分别进行入科成绩、理论知识测验、实践能力测验、临床综合能力及满意度评价等指标进行统计学分析,比较两种教学方法的效果。结果:实验组较对照组住培学员的脊柱侧后凸畸形知识在理论测验、实践能力测验及综合能力评价、满意度评价等指标上具有统计学差异(P<0.05),实验组优于对照组。结论:通过3D打印脊柱畸形模型联合多媒体技术教学可加深骨科住培医师对脊柱畸形相关理论及实践知识的理解与掌握,教学效率高,学员满意度好,教学质量优于传统教学方法。

β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨生物相容性及在脊柱融合模型中的应用

背景:β磷酸三钙和α半水硫酸钙备的人工复合骨具有多孔颗粒形态,生物相容性较高,用于脊柱融合模型中有助于融合率的提高,但该结论尚未得到证实。目的:观察β磷酸三钙/α半水硫酸钙复合人工骨的制备方法、生物相容性及在脊柱融合模型中的应用效果。方法:(1)将二水硫酸钙在定点的条件、温度下脱水制备α半水硫酸钙;取健康牛松质骨经脱细胞、脱脂后在特点的条件、温度下煅烧制备β磷酸三钙多孔颗粒,溶于无水乙醇中,混悬,烘干后制备β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨。取购置的兔骨膜成骨细胞与复合材料共同培养,观察细胞形态、黏附能力及增殖活力;(2)取新西兰大白兔30只,建立双侧新西兰大白兔胸椎多节段后外侧脊柱融合模型,左侧植入β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨,右侧植入自体骨进行对照,比较2组融合率变化。结果与结论:(1)细胞形态:相差显微镜观察可见,L929系细胞株培养3 d后在β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨上贴壁数量相对较少;培养5 d后细胞在人工骨上贴壁相对密集;扫描电镜下β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨表面存在许多结晶颗粒,表面吸附细胞相对较多;(2)β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨植入后4周融合率,高于自体骨(P<0.05);(3)自体骨植入后4周组织切片中骨侧小梁稀疏杂乱,可见新生的骨组织,无核的自体骨移植骨块占据主导地位;融合后8周自体骨移植骨周围新生骨组织进一步增多;β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨植入后4周材料结构清晰可见,未见降解碎片,内部存在少许新生骨组织;植入后8周材料被新生骨组织包围,骨小梁增粗,人工骨开始降解;(4)结果证实:制备的β磷酸三钙和α半水硫酸钙复合人工骨用于脊柱融合模型中能获得较高的融合率。

Spine Decide软件在脊柱外科临床实习教学中的应用

背景:脊柱,因其复杂的结构和其特殊的功能,一直以来是临床教学的难点和重点,如何将现代化软件应用于脊柱外科临床教学是目前研究的热点。目的:探索Spine Decide软件在脊柱外科临床教学中的应用。方法:通过Spine Decide软件,带教教师可以主动引导实习生自己学习脊柱疾病的诊断,设计手术方案,通过实际手术的参与,充分理解脊柱外科疾病的诊疗过程和疾病发生发展过程。结果与结论:学员通过主动的学习以及与Spine Decide软件的积极互动,能够在短时间内系统化、条理化的理解脊柱疾病的发生机理、诊断、治疗以及预后。Spine Decide应用于教学后,实习生的临床思维能力、自学能力等明显提高,学生学习脊柱相关疾病的主动性和积极性显著优于传统教学方法,创新性和探索性也有了突破性的提高,切实提高了教学质量。

有限元法评估经皮椎体成形和后凸成形治疗脊柱三明治骨折的生物力学变化

背景:研究证明脊柱三明治骨折经皮椎体后凸成形和经皮椎体成形强化后椎体后骨折发生率相较于传统保守治疗有明显的效果,但经皮椎体后凸成形与经皮椎体成形治疗的生物学性能还需要进一步探索。目的:比较后凸成形和经皮椎体成形2种疗法治疗脊柱三明治骨折的生物力学特性。方法:基于脊柱三明治骨折有限元模型,构建治疗骨折的后凸成形及经皮椎体成形有限元模型。在两种模型加载荷的工况下,分析变形和应力分布特征。结果与结论:经皮椎体成形模型治疗L1、T11三明治骨折,治疗前与治疗后情况相比,脊柱处胸腰段刚度变化不明显,夹心椎处最大应力变化及变形量基本没有明显改善,夹心椎前柱处应力集中现象无明显改观(26.12 MPa减小到23.37 MPa,减小了10.53%)。而后凸成形模型脊柱处胸腰段刚度明显增加,夹心椎处的最大应力变化及变形量明显减少(27.15 MPa减小到17.52 MPa,减小了36.71%)。

3D打印技术在脊柱外科中的地位与作用

背景:人体脊柱的形态结构多样,解剖结构和位置毗邻也十分复杂,脊柱出现的复杂病变常是外科手术的难点,而3D打印技术可以将三维数字模型转化为实物模型,在医学领域已经得到广泛的应用,在脊柱外科的应用也逐渐深入。目的:归纳总结3D打印技术在脊柱外科中的应用及现状,并对其在脊柱外科的前景做出展望。方法:第一作者以"3D打印技术,脊柱外科,定位导向模板,脊柱实物模型,椎弓根置钉,个体化内置物,临床教学,3D printing technology,spine surgery,navigation template,spine physical model,pedicle screw fixation,individual implant"为检索词,在中国知网、百度学术、谷歌学术、万方数据库、PubM ed数据库中进行检索,检索时间范围为"2010至2016年",并按照制定的纳入及排除标准进行数据提取,选取29篇文献进行归纳总结。结果与结论:3D打印技术已深入脊柱外科,在术前诊断、术中导航、医患沟通、教学、支具制作、内置物定制、骨组织工程等方面发展迅速;随着社会的发展,医学影像的进步,3D打印技术在医学领域,特别是在脊柱外科方面的应用将更加广泛。

凝胶型E基质在大鼠脊柱后外侧融合中的应用

背景:重组人骨形态发生蛋白(recombinant human bone morphogenetic protein,rhBMP)的骨诱导能力已在各种动物模型和临床试验中得到验证。目的:利用大鼠脊柱后外侧融合模型,分析凝胶型E基质作为rhBMP-2的新型载体在脊柱后外侧融合中的作用。方法:建立大鼠后外侧融合模型,105只Lewis雄性大鼠在相同条件下分别在L4-5横突间植入可吸收明胶海绵复合不同质量的rhBMP-2,对加或不加凝胶型E基质进行分组观察。结果及结论:10μg和3μgrhBMP-2两组融合率100%,1,0.5,0.1μgrhBMP-2组的融合率分别是40%,10%,0%。加E基质的0.5μg以上的rhBMP-2组全部融合,而0.1,0.05μgrhBMP-2组未发现融合迹象。Micro-CT扫描提示3μgrhBMP-2复合明胶海绵加E基质与10μgrhBMP-2复合明胶海绵组融合节段形成的新生骨骨量相似,而0.1,0.05μgrhBMP-2不管有无E基质,都无新骨形成。说明应用E基质作为载体能明显提高rhBMP-2在脊柱后外侧的融合成功率,但当rhBMP-2的剂量过小时,使用E基质做载体也不能达到预期的脊柱融合。

抗骨质疏松药物对双足鼠脊柱侧弯模型的影响

[目的]探讨阿仑膦酸钠(alendronate, AL)和特立帕肽(teriparatide, TPTD)对双足鼠脊柱侧弯进展的作用。[方法]将45只C57BL/6J雌性4周龄小鼠行双前肢和尾离断,建立双足鼠脊柱侧弯模型,随机分为3组,每组15只。对照组、AL组和TPTD组,分别给予生理盐水、AL和TPTD,连续12周。行影像和骨密度(bone mineral density, BMD)检测。[结果]随时间推移,三组动物Cobb角均显著增加(P<0.05)。术后8周和12周,脊柱侧弯Cobb角由大至小依次为:对照组>AL组>TPTD组,总体差异有统计学意义(P<0.05);两两比较,对照组的Cobb角显著大于AL组和TPTD组(P<0.05),而AL组与TPTD组间差异无统计学意义(P>0.05)。随时间推移,三组动物BMD均显著增加(P<0.05)。术后4、8和12周BMD值由低至高均为:对照组<AL组<TPTD组,总体差异有统计学意义(P<0.05)。两两比较方面,对照组的BMD与AL组和TPTD组的差异均有统计学意义(P<0.05),而AL组与TPTD组间的BMD差异均无统计学(P>0.05)。[结论]在双足鼠脊柱侧弯模型早期给予AL和TPTD可有效减小鼠脊柱侧弯Cobb角,同时增加生长期小鼠脊柱BMD值。

身高、质量及腰靠凸起对驾驶员腰部载荷的影响

在现有Christophy脊柱肌骨模型的基础上创建了可求解腰部关节力、肌肉载荷的驾驶员生物力学模型,通过Matlab-OpenSim联合仿真求解了驾驶员人椅接触界面接触反力及摩擦力,从关节反力及腰部肌肉负载的角度尝试解释了身高、体质量、腰靠凸起厚度对舒适度影响的内在机理。结果表明:驾驶员腰部载荷随体质量的增加近线性增加,但与身高的相关度较低;4cm凸起腰靠支撑下的驾驶员较2cm凸起腰靠支撑下的腰部肌肉群等效载荷平均降低了7.4%,腰部椎间关节力平均降低了18.6%。所提出的仿真方法可以实现不同腰靠支撑下腰部载荷的定量评估,适用于指导人机工程中座椅腰靠的舒适性设计。

基于PVP和PKP的脊柱骨折的有限元生物力学研究

骨质疏松造成脊柱骨折的病发率逐渐升高造成劳动力严重丧失,因而早期的治疗有十分重要的临床研究意义。目前,后凸成形术（percutaneous kyphoplasty,PKP）及经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty,PVP）成为治疗脊椎骨折的有效方法。研究PKP和PVP两种疗法治疗脊椎三明治骨折生物力学特性影响因素。基于脊柱骨折三明治骨折有限元模型,构建治疗骨折的PKP及PVP有限元模型。在两种模型加载荷的工况下,分析变形和应力分布特征。通过对PKP及PVP有限元模型进行分析,实验表明,PVP模型治疗L1、T11三明治骨折,治疗前与治疗后情况相比,脊柱处胸腰段刚度变化不明显,夹心椎处最大应力变化及变形量基本没有明显改善,夹心椎前柱处应力集中现象无明显改观。而PKP模型脊柱处胸腰段刚度明显增加,夹心椎处的最大应力变化及变形量明显减少（最大应力减少36.71%）。因此PKP模型相较于PVP模型具有更好的力学特性。