单侧椎弓根钉棒固定单节段腰椎及其邻近节段生物力学研究

目的分析单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎的生物力学稳定性及其对邻近节段活动度的影响。方法新鲜成人尸体腰椎标本6具,测定L4～5不稳固定节段及其上下邻近节段屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向ROM,按4组顺序依次测试:A组(完整组);B组(模拟L4～5不稳组);C组(单侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage);D组(双侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage)。结果L4～5节段除左侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P>0.05);L3～4、L5～S1节段除左、右侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P>0.05)。结论单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎在大部分运动方向上具有与双侧固定相似的即刻稳定性,邻近节段侧弯活动度较双侧固定后更少。

寰枢椎不稳Magerl固定与椎弓根螺钉固定的生物力学分析

目的比较寰枢椎不稳采用Magerl固定与后路椎弓根螺钉固定的术后即时稳定性和远期稳定性。方法8例寰枢椎不稳标本分别行Magerl固定和后路椎弓根螺钉系统固定,采用脊柱三维试验机Spine2000,分别给予屈伸、侧弯和旋转三种运动方向2.0N.m载荷,并用激光3D扫描仪记录,Geomagic Studio5图像软件处理得出寰枢椎的屈伸、侧弯和旋转的运动范围,分析寰枢椎不稳采用Magerl固定与后路椎弓根螺钉固定的即时稳定性和远期稳定性。结果寰枢椎不稳Magerl固定后的屈伸运动范围为(7.55±0.76)°,侧弯运动范围为(1.57±0.07)°,旋转运动范围为(5.74±0.20)°;疲劳试验后屈伸运动范围为(10.12±0.66)°,侧弯运动范围为(5.63±0.31)°,旋转运动范围为(16.71±0.89)°。寰枢椎不稳椎弓根螺钉固定后的屈伸运动范围为(1.68±0.37)°,侧弯运动范围为(0.33±0.09)°,旋转运动范围为(1.74±0.16)°;疲劳试验后屈伸运动范围为(1.98±0.40)°,侧弯运动范围为(0.59±0.36)°,旋转运动范围为(1.97±0.13)°。结论寰枢椎不稳采用Magerl固定与椎弓根螺钉系统固定均具有良好的术后即时稳定性和远期稳定性,椎弓根螺钉固定的稳定性优于Magerl固定。

不同长度锁钉固定桡骨远端不稳定骨折的生物力学比较

目的比较不同长度锁定螺钉固定桡骨远端骨折的术后稳定性及不同时期骨痂和远端螺钉的应力分布情况,为桡骨远端骨折螺钉长度的选择提供生物力学依据。方法分别建立含骨折断面和骨痂的桡骨远端不稳定骨折的三维有限元模型,并用掌侧锁定钢板和不同长度锁钉固定,通过赋予骨痂不同材料属性来模拟骨折术后不同时期。分析术后不同时期骨痂和远端螺钉的应力分布情况,同时根据骨折断面最大轴向位移计算整个固定系统的压缩刚度。结果对于相同轴向载荷,75%长度以上单皮质螺钉固定时压缩刚度与双皮质螺钉固定相比基本无差异;术后早期骨痂处最大应力随着螺钉长度增加逐渐变小;术后中后期远端螺钉最大应力随着螺钉长度增加逐渐变大,远端双皮质螺钉应力最大。结论采用75%长度以上单皮质锁钉固定桡骨远端不仅可以达到早期稳定性,同时也避免伸肌腱并发症的发生。

前路经寰枢关节螺钉内固定生物力学性能的有限元分析

目的:通过有限元分析的方法评估前路经寰枢关节螺钉内固定的生物力学性能。方法:选择一名21岁健康男性志愿者,采用螺旋CT对枕骨底到C3椎体进行层厚1mm的薄层扫描,利用MIMICS 13.0软件、Freeform Plus软件及ANSYS 9.0软件,建立正常上颈椎有限元模型。去除模型中横韧带的所有单元模拟寰枢关节不稳,以枢椎前弓下缘与枢椎椎体侧缘交界点上方4mm处为进钉点,经寰枢关节分别向两寰椎侧块外上角中部置钉,最终建立前路经寰枢关节螺钉内固定治疗寰枢关节不稳的有限元模型。给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,观察不同载荷下螺钉的三维运动范围与应力变化,分析前路经寰枢关节螺钉内固定的生物力学性能。结果:前路经寰枢关节螺钉内固定在不同载荷下三维运动范围均较小,但前屈、后伸状态下三维运动范围(0.72°,1.08°)明显大于侧屈、旋转状态(0.39°,0.32°)。不同状态下应力集中区域均为螺钉经寰枢关节部位,最大应力值为10.58×107Pa,出现在后伸状态。结论:前路经寰枢关节螺钉内固定具有可靠的生物力学性能,在侧屈、旋转状态下的力学性能优于前屈后伸状态,螺钉经寰枢关节部位易产生应力集中,为可能的断钉部位,临床应用时应采取有效预防措施。

不同骨密度下松质骨螺钉生物力学性能的三维有限元分析

目的研究不同骨密度下松质骨螺钉拔出过程中的应力分布和拔出强度,为临床骨外科螺钉植入提供生物力学依据。方法使用Solidworks建立松质骨螺钉植入模型,导入Abaqus有限元软件模拟螺钉拔出过程,计算分析低、中、高3种骨密度下模型的应力分布和拔出力变化过程。结果拔出过程中,骨的应力集中在外螺纹与骨接触处,螺钉应力主要集中于尾侧3个螺纹的尾侧螺纹面,整体应力分布沿螺钉长轴递减;螺钉在3种密度松质骨中的拔出力随拔出位移增加而增加,拔出强度分别为208.90、431.45、648.80N。结论在松质骨螺钉拔出过程中,应力集中在螺钉尾侧,拔出强度与骨密度呈正相关。

三维有限元法分析腰椎不同尺寸关节突成形后相关节段的生物力学特征

背景:腰椎经皮内镜在全国乃至全世界范围内开展的如火如荼,经椎间孔的侧入路是目前腰椎经皮内镜技术最常用的入路之一,但是对于其术后造成相关节段的生物力学影响鲜有报道。目的:通过三维有限元法模拟对比不同尺寸(7.5,10,15 mm)的关节突成形并探究其对腰椎相关节段生物力学的影响。方法:建立L_(3)-L_(5)三维有限元模型并验证其有效性。模拟L_(4/5)腰椎经皮内镜手术中的关节突成形术,以临床上穿刺针与水平面及冠状面的夹角,以L_(5)上关节突基底部作为穿刺靶点,根据穿刺路径分别做直径为7.5,10,15 mm的环锯环切成形,从而获得L_(5)上关节突基底部不同直径成形的三维有限元模型。通过对正常模型、7.5,10,15 mm直径成形有限元模型在6个方向上施加载荷,计算各模型在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种状态下操作节段(L_(4/5))及邻近节段(L_(3/4))椎间盘Von Mises应力极值和相关节段的活动度情况,并进行相关对比研究,以明确不同尺寸的关节突成形对腰椎生物力学稳定性的影响。结果与结论:①对操作节段(L_(4/5))的影响:L_(5)上关节突直径15 mm的成形在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个工况下的L_(4/5)椎间盘最大应力较直径7.5,10 mm的关节突成形明显增大,其中以前屈、左转、右旋状态下较为明显,分别较正常状态增加110%,95%,97%;L_(5)上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的L_(4/5)节段活动度均大于直径7.5,10 mm的关节突成形,分别较正常模型增加8.6%,21.8%,8.9%,17.6%,35.7%,21.4%;②对邻近节段(L_(3/4))的影响:L5上关节突直径15 mm的成形在6个工况下的邻近节段L_(3/4)椎间盘最大应力较直径7.5,10 mm的关节突成形均有所增大,其中以前屈活动最为明显,此状态下L_(3/4)椎间盘最大应力较正常模型增加29.3%;不同尺寸(7.5,10,15 mm)的关节突成形在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6个工况下邻近节段L_(3/4)的活动度与正常模型相比均增加不明显;③提示直径15 mm较直径7.5,10 mm的关节突成形而言,对操作节段的力学影响明显增大,甚至对邻近节段椎间盘应力产生相应的影响。

新型脊柱外固定器的生物力学有限元分析

目的:运用有限元方法对新型脊柱外固定器的力学性能进行分析,为其临床应用提供生物力学理论依据。方法:通过有限单元法(FEM)的结构分析功能,建立新型脊柱外固定器的计算机模型,并根据外固定器固定在椎体上的重力受压情况模拟加载,仿真分析模型各部分的应力、应变值及分布和压缩刚度。结果:在模拟受压的情况下,外固定器的应力集中在椎弓根钉与纵向固定螺钉、连接器的接触区,其它部分(包括钉椎体结合部位)的应力分布较均匀;外固定器的刚度较弱,单纯外固定架不足以提供椎体支持刚度。结论:外固定器的椎弓根钉与纵向固定螺钉、连接器的结合部容易产生应力疲劳;外固定器应结合其他的能有效地提供支撑刚度的手段才能更好地应用于临床。

镍钛记忆合金腕骨四角融合器的生物力学特性

目的:评价镍钛记忆合金腕骨四角融合器(NiTi shape memory alloy four-corner arthrodesis concentrator,NT-FCAC)的生物力学特性。方法:32侧头状骨、月骨、三角骨、钩骨标本分别采用NT-FCAC和克氏针固定,体外模拟四角融合术,858型双轴液压材料测试系统(858-MTS)测试固定强度;2件NT-FCAC施加20～200N循环拉伸载荷(1Hz),达到6%记录形变时的循环载荷次数;100N下压力和上提力加载NT-FCAC有限元模型,了解应力分布情况;分析试验结果,评价NT-FCAC生物力学特性。结果:NT-FCAC组固定强度大于克氏针组(P<0.05);2件NT-FCAC发生形变达到6%时,施加载荷次数分别为4239和4068次;应力分布集中在NT-FCAC体部与4个固定臂交界处。结论:NT-FCAC固定强度可满足四角融合术后不需外固定、早期功能锻炼的要求;疲劳度可满足四角融合后达到骨性愈合的需要;最易疲劳、断裂部位在NT-FCAC体部与4个固定臂交界处。

改良Elmslie-Trillat术治疗髌骨不稳定的生物力学与临床研究

目的：为改良Elmslie-Trillat术治疗髌骨不稳定提供生物力学依据并探讨临床疗效。方法：实验组新鲜冰冻膝关节完整标本制成髌骨不稳定模型，然后采用改良Elmslie-Trillat术矫正，在MTS试验机上，通过髌骨中心外侧施加相应的载荷，传感器记录髌骨移位距离。临床组关节镜下髌外侧支持带松解及改良Elmslie-Trillat术治疗复发性髌骨脱位20例21膝临床分析。结果：实验组改良Elmslie-Trillat术后标本与膝关节完整标本生物力学差异无统计学意义（P〉0．05）。临床组术后随访平均31个月（14～52个月），未见髌骨脱位复发。Lysholm膝关节功能评分手术前后分别为（62．3±5．1）分和（90．1±．3）分（P〈0．01），CT检查显示股骨髁滑车凹中心与胫骨结节水平距离（TA—GT）从术前（17．80±1．4）mm改善为（10．60±1．6）mm（P〈0．01）。结论：根据生物力学原则，改良Elmslie-Trillat术能有效治疗髌骨不稳定，恢复膝关节功能。

腰椎间盘退变对软骨终板生物力学特性影响的有限元分析

目的研究腰椎终板不同位点的压应力分布规律,分析腰椎间盘退变对软骨终板压应力的影响。方法选取一青壮年男性新鲜尸体的腰椎运动节段标本,螺旋CT机对腰椎运动节段进行连续CT扫描,利用有限元分析方法,建立L4/5运动节段有限元分析模型,在此基础上建立椎间盘退变模型。模拟椎间盘正常状态和椎间盘退变状态,在L4、L5椎体终板上选择具有代表性的结点,分别代表椎体终板正中部、左右侧边缘、后中部和前中部,对上下软骨终板压应力分布进行有限元分析。结果椎间盘退变组较正常组的终板压应力均显著增大,上下终板在轴向加载、前屈、后伸、左旋和右旋加载时椎间盘退变组较正常状态时应力分布均显著增大,具有统计学意义(P<0.05)。结论腰椎椎间盘退变因素对终板的应力分布有明显影响,随着椎间盘退变,椎间盘软骨终板应力显著增大。

有限元分析法在口腔生物力学领域的应用

在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体的力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。本文综述了有限元法在解决口腔生物力学问题中的研究进展,包括口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域的力学性能评价。有限元法为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。指出了有限元法在口腔生物力学中应用的不足以及三维模型重建和分析中需进一步改进和研究的问题。

浮肩损伤内固定方式选择的生物力学研究

目的对浮肩损伤临床常用的3种内固定术式进行生物力学评价,为手术选择内固定方式提供生物力学依据。方法 7例包含锁骨及肩胛骨的左侧上肢防腐尸体标本,解剖出肩胛上悬吊复合体(SSSC),人为制造浮肩损伤模型,对4种状态进行试验:正常标本、单纯锁骨固定、锁骨加肩胛颈单钢板固定、锁骨加肩胛颈双钢板固定。利用脊柱三维运动分析系统测定不同状态下肩胛颈的运动范围(ROM),比较不同内固定方式对失稳SSSC的稳定作用。结果生物力学测试表明,单纯锁骨固定的ROM值分别是:前屈(12.60±0.95)°、后伸(8.53±0.60)°、左侧弯(12.47±0.73)°、右侧弯(12.32±0.69)°、左旋(10.17±0.59)°、右旋(11.42±0.62)°,与其他各组相比明显增大(P<0.05);锁骨加肩胛颈双钢板固定的ROM值分别是:前屈(5.50±0.96)°、后伸(2.77±0.67)°、左侧弯(3.61±0.70)°、右侧弯(5.06±0.71)°、左旋(3.28±0.58)°、右旋(3.58±0.92)°,与其他固定组相比明显减小(P<0.05)。结论治疗浮肩损伤的最佳内固定方式为同时固定锁骨及肩胛颈骨折,肩胛颈骨折采取双钢板坚强内固定,以避免肩胛骨畸形愈合而造成肩关节不稳定。

颈椎前路不同方式减压固定对颈椎稳定性影响的生物力学研究

目的:研究颈椎前路多节段病变不同减压、融合固定方式对生物力学稳定性的影响。方法:18具新鲜人尸体颈椎标本,分别行前路椎间盘切除植骨融合(ACDF)、分节段混合减压植骨融合(ACHDF)及椎体次全切除植骨融合(ACCF)术,依次测定正常状态、减压植骨后、钢板固定后、疲劳2000次后的三维活动度,计算稳定潜能指数(SPI),测定疲劳2000次后尾端螺钉和椎体间的活动度。结果:3种方式减压、植骨、钢板固定后,稳定性均明显提高;屈伸疲劳1200次后,ACDF、ACHDF组标准化的螺钉—椎体间活动度曲线无变化,而ACCF组曲线升高;疲劳2000次后,ACDF组三维运动SPIROM及SPINZ无变化,ACHDF组轴向旋转SPINZ降低,而ACCF组三维运动SPIROM及SPINZ均降低,统计学处理差异具有显著性(P<0.05)。结论:颈椎3节段病变3种手术方式均可恢复即刻稳定性,ACDF和ACHDF疲劳后仍保持较好稳定性,而ACCF组耐受疲劳性较差,节段间活动度增大,远端螺钉松动,稳定性降低。

下胫腓联合韧带损伤与体位关系的生物力学研究

目的对下胫腓联合韧带损伤与体位的关系进行生物力学研究,探讨下胫腓联合各韧带在踝关节何种体位上更容易损伤。方法 8只(左、右各4只)新鲜成人小腿,完全暴露下胫腓联合各韧带后自踝关节上方20 cm横断,上端用牙托粉包埋模拟上胫腓关节。足底自跟骨前方横断,保留距下、距舟、跟骰关节,同样用牙托粉平行足底板包埋置于生物材料实验系统上。固定踝关节于中立、背伸(15°)、跖屈(20°)、内翻(15°)、外翻(20°)、内旋(10°)、外旋(5°)7个体位,逐步缓慢轴向加载500N和外旋方向5N.m扭矩后测出各韧带相对于中立位未受力时的长度变化,计算出各韧带的应变。结果下胫腓前韧带在踝关节处于内翻、跖屈位时应变最大和次最大,分别为(0.1294±0.0030)、(0.1150±0.0018);下胫腓骨间韧带也在踝关节处于内翻、跖屈位时应变最大和次最大,分别为(0.1331±0.0030)、(0.1138±0.0053);下胫腓后韧带(包括深层的下胫腓横韧带)亦在踝关节处于内翻、跖屈位时应变最大和次最大,分别为(0.0427±0.0016),(0.0285±0.0015),统计分析具有显著性差异(P<0.05)。结论下胫腓前韧带在内翻位或内翻、跖屈复合体位(即旋后位)时应变最大因此受力最大更易损伤,同理下胫腓骨间韧带、后韧带也均在内翻位或旋后位时更易损伤。

骨骺生长滑动钢板的设计及生物力学研究

目的:通过生物力学试验对骨骺部生长滑动钢板生物力学性能进行评估,检测其避免产生骨骼纵向生长抑制的特殊结构是否影响其力学性能。方法:根据青少年股骨髁部的解剖特点设计出适用于青少年儿童股骨髁部骨折的内固定滑动钢板,并选用7具新鲜人体尸体股骨标本并制作骨折模型,行左右侧对比,左侧行滑动钢板固定,右侧行普通钢板固定,用MTS实验机进行三点弯曲、轴向压缩、扭转试验测试比较两种钢板力学性能。结果:力学试验显示轴向刚度(N/mm):滑动钢板数值为1766.88±106.30,普通钢板数值为1831.74±62.80,P=0.877>0.05;三点弯曲(跨距:8cmN/mm):滑动钢板数值为752.17±31.44,普通钢板数值为793.84±24.52,P=0.838>0.05;抗扭转(Nm/度):滑动钢板数值为3.29±0.26,普通钢板数值为3.62±0.15,t=-0.544,P=0.606>0.05。三项指标滑动钢板和普通钢板之间差异均无显著性。结论:可滑动钢板具有一定的力学强度,能够为骨折愈合提供可靠的固定强度。

肘后正中尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨入路的可显露范围及其生物力学评价

目的研究肘后正中心的手术入路,即尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨入路的可显露范围以及缝线固定后的效果,探讨其用于肱骨髁间骨折手术的可行性。方法在18具新鲜成人尸体上肢标本上,行肘后正中尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨,观察测量此入路对肱骨远端的可显露范围,用PDS-Ⅱ缝线原位间断缝合所截两侧肌骨瓣,以MTS试验机模拟持续被动运动进行屈伸疲劳试验,检测固定效果。结果①所有标本均能完全显露向内至肱骨内髁及髁上的内侧面,向外至肱骨外髁及髁上外侧面,屈曲肘关节至100°以上则可将髁间窝、滑车及肱骨小头的后、下关节面完全显露。②疲劳试验前后横向距离差值、纵向距离差值分别为:(0.025±0.009)mm、(0.030±0.009)mm,均不超过0.05mm(P<0.001)。结论肘后正中尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨的新入路显露肱骨髁间满意,缝线固定两侧肌骨瓣后完全能满足术后早期功能锻炼要求,此新的手术入路是治疗肱骨髁间骨折的理想入路。

变牙厚椎弓根螺钉的生物力学测试

目的评价不同变牙厚椎弓根螺钉（transitional thread pedicle screw,TTPS）对螺钉拔出力的影响。方法取新鲜小牛胸腰椎标本（T11~L4）5具,共30个椎体（60侧椎弓根）,剔除周围肌肉、筋膜,注意保持骨结构完整,解离成单个椎骨。平均骨密度为（1.186±0.182）g/cm2。TTPS规格有6种：A0（牙厚保持不变）、A1（逐牙加厚0.01mm）、A2（逐牙加厚0.02 mm）、A3（逐牙加厚0.03 mm）、A4（逐牙加厚0.04mm）、A5（逐牙加厚0.05 mm）。每种螺钉随机置入10侧椎弓根,将标本包埋好并用夹具固定在材料试验机上,设置椎弓根螺钉长轴与拔出力轴线方向重合。设置材料试验机加载速率为0.08 mm/s进行拔出实验,结果输出拔出力-位移曲线、最大轴向拔出力（Fmax）。计算拔出刚度。结果 A0至A5 6种螺钉的最大轴向拔出力分别为（983.99±324.19）、（1119.84±362.47）、（1067.67±398.00）、（900.04±255.89）、（799.07±406.79）、（850.71±408.11）N。6种不同规格TTPS轴向拔出力间无显著差异（组间差异P=0.216）。6种不同规格的TTPS的拔出刚度间无显著差异（组间差异P=0.07）。结论小范围增加螺纹牙厚,对椎弓根螺钉抗拔出力没有显著影响。

肩锁关节脱位并肩胛颈骨折内固定治疗的生物力学研究

目的从生物力学方面评价肩锁关节脱位并肩胛颈骨折采取手术内固定治疗后的稳定性。方法取7例包含锁骨及肩胛骨的右侧上肢防腐标本,解剖出肩胛上悬吊复合体(superior shoulder suspensory complex,SSSC),制作损伤模型,并对正常组、损伤组、固定组3种状态标本的活动度进行检测并前后比较。结果浮肩损伤固定状态在不同方向上的中性区(neutral zone,NZ)及活动范围(range of motion,ROM)均值都明显小于损伤状态(P<0.05),但仍大于正常状态(P<0.05)。结论对肩锁关节脱位并肩胛颈骨折的患者,需要进行切开复位坚强内固定,以避免造成肩关节不稳定。

新型双向锁定骨外固定器的生物力学评价

目的对新设计的新型双向锁定骨外固定器进行生物力学评价。方法取7具成人尸体正常胫骨标本(对照组),制作中段骨折模型,根据骨断端间距(g=0、10 mm)、骨-外固定器杆间距(b-r=10、25、40和55 mm)的不同组合分成8个试验组(A～H组),使用新型双向锁定骨外固定器固定。应用BOSE机进行轴向压缩、扭转、前/后和内/外侧弯曲的力学测试,分别计算刚度值。并进行统计学分析。结果对照组的轴向压缩、前/后、内/外侧弯曲和扭转4种刚度与试验组比较均有显著性差异(P<0.05)。骨断端间距的差异对压缩、前/后弯曲、内/外侧弯曲3种刚度均有显著性意义(P<0.00);骨与连接杆间距的差异对上述3种刚度也均有显著性意义(P<0.05);但两者对扭转刚度均无显著性意义(P>0.05);两处理因素间均无交互效应(P值分别为0.054、0.527、0.819、0.065)。结论该新型双向锁定骨外固定器具有良好的稳定性。