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    临床医学论文-腰椎髓核摘除后小关节应力分析.doc

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    临床医学论文-腰椎髓核摘除后小关节应力分析.doc

    1、 临床论文髓核摘除后腰椎小关节的应力分析作者:迟增德、刘尚丽、李春海、张美超【摘要】【目的】研究L4、L5正常腰椎节段和髓核摘除后腰椎节段腰椎小关节的应力大小和分布。 方法利用有限元软件Ansys,建立L4和L5正常节段及髓核摘除后的三维有限元模型。 固定模型的L5椎体下终板,对L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷,对L4椎体上终板的模型施加屈曲、伸展和右旋的力,扭矩为6 Nm。 分析腰椎小关节在各种状态下的应力分布。 结果建立了正常L4和L5腰椎节段及髓核摘除后的三维有限元模型。 小关节被视为一个三维接触模型,一个线性的、面对面的接触单元,没有摩擦,由上下关节突的关节面和韧带结构组成。

    2、 在正常模型中,向右旋转时,两侧的关节产生较大的应力,而左侧的关节产生较大的应力。 在屈曲、伸展和旋转的髓核去除模型中,小关节的应力增加。 结论在腰椎不同的运动状态下,两侧小关节各部分的接触情况不同,应力的大小和分布也在变化。 髓核摘除后,腰椎前柱的承重功能减弱,小关节等后柱结构的负荷分担增加。 【关键词】腰椎;髓核切除术;有限元模型;生物力学摘要:目的研究正常L4,5节段模型和去核腰椎节段模型小关节的应力值和分布。方法通过Ansys软件建立完整L4、5节段的有限元模型。将髓核的性质改变到可以忽略不计,以模拟经前入路的腰椎间盘切除术。然后建立去核腰椎节段的有限元模型。L5的下终板被固定。模型承

    3、受6 Nm的屈曲、伸展或右旋转力矩以及400 N的轴向压缩预载荷。将力施加于L4上终板。分析不同载荷条件下腰椎小关节的应力值和分布。结果建立了完整L4、5节段和去核腰椎节段的有限元模型。小关节被视为三维接触,线性无摩擦问题。小关节由上下小关节面和韧带结构组成。两个小关节,尤其是完整模型的左侧,在右旋转时产生更大的应力。与完整模型相比,去核模型的小关节在屈曲、伸展和右旋转时应力增加。【结论】各小关节的接触区域根据不同的载荷条件而不同。应力值和分布也是如此。椎间盘切除术后,腰椎节段的小关节应力在屈曲、伸展和旋转时增加。关键词:腰椎;椎间盘切除术;有限元模型;生物力学腰椎小关节和前椎间盘构成三关节复

    4、合体,共同维持腰椎的稳定,参与腰椎运动功能。一个小平面关节和椎间盘的破坏将导致另一个的结构和机械性能。目前普遍认为小关节的退行性改变是继发于椎间盘疾病1,2 本实验在建立L4和L5腰椎节段三维有限元模型的基础上,采用有限元分析方法研究正常腰椎节段和腰椎小关节在髓核摘除后的应力大小和分布,分析髓核摘除后腰椎小关节的应力变化,以研究小关节和椎间盘在力学性能上的互补关系。 材料与方法1.1选取新鲜成人尸体腰椎标本(L1 S5),建立正常的L4和L5小关节三维有限元模型,实验前进行大体解剖检查和X线检查,排除腰椎退变、骨折、先天畸形等改变。 使用GH-Hispeed( NX/i Pro,GE Medi

    5、cal Systems,USA)螺旋CT扫描行厚1 mm的标本L4和5节段,将输出图像转换为无损BMP格式图像,然后将BMP格式图像文件导入PC系统,进行图像配准和边缘分割。 各层图像经初步处理后,输入三维重建软件Mimics系统,进行格式转换和腰椎节段三维图像重建。 然后将重建的模型导入到三维自由形式plus(Sens Able公司)中,对三维计算机模型进行平滑去噪,切割、填充、缩放、变形等图像处理。根据需要在模型上执行。 有限元分析软件ANSYS 5.4(德克萨斯州休斯顿的Swanson分析系统公司。,USA)对腰椎运动节段中不同材料特性的部件进行建模,建立L4和L5节段的三维有限元模型,

    6、并对模型进行网格划分3 模型的材料特性和单元划分见表1。 表1 L4、5腰椎节段有限元模型的单元划分及材料特性单元类型单元划分弹性模量1.2 L4、5节段髓核摘除三维有限元模型的建立。对正常L4,5节段髓核三维有限元模型中髓核的材料特性进行处理,将髓核内压设置为零,模拟前路腰椎间盘切除术,建立髓核摘除后的L4,5节段腰椎模型。 1.3加载方法和小关节应力分析方法在上述两个有限元模型中给出了相同的加载方法来分析每个模型中的小关节应力。 固定模型L5椎体下终板,对L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷,将外载荷均匀分布在L4椎体上终板表面,保持模型L5椎体下终板固定。 通过L4椎体上终板对模型

    7、施加前屈、后伸和右旋力,扭矩为6 Nm。分析两种模型在不同载荷条件下左右小关节的应力分布。 腰椎小关节的关节面是不规则的,L4下关节突的关节面是凸的,而L5上关节突的关节面是凹的。 在腰椎不同的运动状态下,两侧小关节各部分的接触情况是不同的,应力分布也是变化的。 在模型的各种加载条件下,分别分析每侧和两侧小关节的整体应力变化。 结果建立了正常L4、L5腰椎节段和髓核摘除后的三维有限元模型,计算分析了各种载荷条件下小关节的应力大小和分布。 L4和L5运动节段的正常模型分为51 248个单元和81 919个节点,在网格中相互连接。 髓核摘除后的模型分为50 892个单元和81 255个节点。 采用

    8、三维8节点实体单元模拟皮质骨壳、松质骨、终板、椎间盘基质和髓核。 椎间盘的模型包括外纤维环及其内髓核,纤维环包括纤维环基质和嵌入其中的纤维。 光纤环光纤定义为三维索单元,只能抵抗拉力。 髓核被定义为不可压缩的物体 第6组韧带全部采用三维索单元模拟,只能抗张力。 2.1小关节的有限元模型。小关节被视为三维接触模型,线和面接触单元,无摩擦,由上下关节突的关节面和韧带结构组成(图1)。 小平面关节模拟生理形状并被设计成具有不平坦表面的椭圆形界面。 小关节高16毫米,宽8毫米。 不同部位的接头间隙也不同,接头间隙在0.2-1mm之间。 关节表面覆盖有关节软骨,关节软骨被定义为平均厚度约为0.2毫米的8

    9、节实体单元 关节囊韧带被小关节的外层所包围。 2.2正常L4和L5腰椎节段模型关节应力分布:L4椎体上终板施加400 N轴向压缩载荷,模型分别施加6 Nm弯矩、拉伸力矩和右旋力矩。左右关节的杨氏应力见表2。 正常节段有限元模型中小关节在屈曲、伸展和右旋时的杨氏应力大小和分布分别如图2 4所示。 表2正常节段小关节的L4,5杨氏应力从小关节的应力分布来看,正常模型两侧小关节向右旋转时产生较大应力,左侧小关节产生较大应力。 2.3髓核摘除后模型小关节的应力分布。L4和L5节段髓核摘除后的模型在承受前屈、后伸、右旋载荷时,左右两侧小关节的杨氏应力如表3所示。 髓核摘除后有限元模型中两侧小关节杨氏应力

    10、的大小和分布分别如图5 7所示。 表3 L4、5节段髓核摘除术后小关节的杨氏应力大小L4、5节段髓核摘除术后,在各种载荷条件下,左小关节在右旋时仍产生较大的应力,从应力值的水平来看,右旋时大于正常节段。 髓核摘除后,右小关节向右旋转时也会产生应力,大于正常节段向右旋转时的应力。 右小关节在屈曲时也产生很大的应力,说明髓核摘除后,椎间盘的完整结构被破坏,由椎间盘和小关节组成的三关节复合体的力学性能受到影响和改变,特别是腰椎节段的抗旋转能力减弱,使左小关节的两个关节面在右旋转时相互碰撞,而右小关节抵抗关节囊韧带的牵引。 从小关节的应力分布来看,髓核摘除模型与正常模型相似,左侧小关节向右旋转产生的应

    11、力更大。 此外,小关节在屈曲时应力也较大,说明髓核摘除后椎间盘的抗屈曲能力减弱,小关节承受更多屈曲载荷。 与正常腰椎节段相比,髓核摘除后腰椎小关节在屈曲、伸展和旋转时应力均增加,其中屈曲时应力增加30%,伸展时应力增加105%,右旋时应力增加2%。 说明椎间盘结构破坏后,腰椎前柱的承重功能减弱,小关节等后柱结构的负荷分担增加。 图1L4,5小关节有限元模型图2L4,5正常模型前屈小关节3L4的应力分布,5正常模型后伸小关节4L4的应力分布,5正常模型右旋小关节5L4的应力分布,5髓核摘除模型前屈小关节的应力分布6髓核摘除模型后伸小关节的应力分布7髓核摘除模型右旋小关节的应力分布3讨论本实验小关

    12、节的应力分析采用Von Mises应力。 杨氏应力是一种常用的应力测量方法,可以表示一种材料的正应力和剪应力部分,如研究种植体接触面下的应力分布。 少数腰椎间盘突出症患者后路椎间盘切除术后远期效果不佳,甚至症状加重。 除医源性损伤外,髓核摘除后腰椎间盘的生物力学功能障碍是影响疗效的重要原因。 Loupasis等4随访7 20年,结果显示传统腰椎间盘切除术后,有效率仅为64%,相当一部分患者有严重的腰痛。 Yorimitsu等人5随访10年以上,结果显示74.6%的患者有腰痛。 原因是以破坏椎间盘结构为代价,腰椎间盘切除后,椎间隙变窄,导致神经根管狭窄,同时进一步降低腰椎前部结构应力,增加后部结

    13、构应力,导致腰椎承重后活动异常、不对称,损害腰椎稳定性。 此外,相邻椎间盘承受的负荷明显增加,加重了腰椎不稳,引起严重的腰痛症状。 椎间盘切除的微创技术,虽然症状明显缓解,但部分患者术后仍出现椎间盘退变和重新突出,需要再次手术6 腰椎小关节的主要生理功能是引导脊柱的运动,在各个方向都有一定的承重作用。 椎间盘、小关节结构和生理状态的变化对维持腰椎的生理功能有重要作用。 Panjabi等7对新鲜尸体腰椎间盘损伤进行了研究,认为纤维环损伤和髓核摘除明显改变了脊柱功能单位的力学性质,导致脊柱主运动和力耦合活动受到影响,腰椎节段矢状面对称性被破坏,导致小关节运动不对称。 o等8通过三维有限元方法分析发

    14、现,椎间盘退变(椎间盘内压为零)后,腰椎后部结构承载能力增加,小关节杨氏应力是正常模型的2.5倍。 髓核摘除后,纤维环的完整性被破坏,椎间盘内压突然降低,椎体间纤维环的交叉纤维松弛,导致纤维环张力降低,椎间盘塌陷,高度降低,前后左右剪切刚度降低。髓核摘除后,椎间隙变窄,失去对垂直压力的缓冲作用,导致上下压缩刚度降低,从而导致脊柱内源性稳定因子被破坏,在负荷下无法维持正常体位而导致活动异常,腰椎节段稳定性被破坏。 髓核摘除前后、左右剪切刚度的降低,说明该节段更容易发生水平滑移,对于腰椎滑脱具有重要的临床意义,腰椎滑脱多发生在腰骶段。 本研究结果表明,髓核摘除后腰椎小关节在屈、伸、旋转时应力增加,

    15、表明椎间盘结构破坏后,腰椎前柱的承重功能减弱,小关节等后柱结构的负荷分担增加。 椎间盘切除术后,当腰椎在屈、伸、旋转时负荷增加,小关节应力增加,后柱承受更大负荷,引起或加速小关节退变、黄韧带肥厚等。,而椎管和椎间孔狭窄会造成马尾和神经根受压,这可能是髓核摘除后部分症状长期得不到缓解甚至加重的重要原因。 由于椎间盘对腰椎的生物力学功能有重要影响,在进行髓核摘除手术时,在摘除退变突出的髓核组织的基础上,应尽可能减少对椎间盘组织的损伤,以减少对椎间盘的损伤,减少对腰椎节段正常生物力学功能的干扰,或采用人工髓核重建椎间盘功能9, 人工椎间盘10等结构,从而维持腰椎生物力学功能的完整性,保持腰椎节段的运

    16、动功能和稳定功能。 1 Rohlmann A,Zander T,Schmidt H,等.用有限元法分析椎间盘退变对腰椎运动节段力学行为的影响J.生物技术杂志,2006,39:2484-2490。2纳赫姆森阿尔,舒尔茨AB,伯克松MH。人体腰椎运动节段的力学特性。年龄、性别、椎间盘水平和退变的影响J。脊柱,1979年,4.1-8。3迟增德,刘尚礼,张美超,等.腰椎间盘置换术有限元模型的建立J.中国医学,2002 .中国临床解剖学杂志,2005,23: 351-354。4 Loupasiga,Stamos K,Katonispg,等.腰椎间盘切除术7-20年疗效J.脊柱,1999,24:2313-

    17、2317。5 Yorimitsu E,Chiba K,Toyama Y,等.标准椎间盘切除术治疗腰椎间盘突出症的长期结果:一项超过10年的随访研究J.脊柱,2001年,26:652-657。6 Hoogland T,van den Brekel-Dijkstra K,Schubert M,等.内窥镜下经椎间孔椎间盘切除术治疗复发性腰椎间盘突出症:一项对262例连续病例的前瞻性队列评价J.脊柱,2008,33:973-978。7 Panjabi MM,Krag MH,Chung TQ。椎间盘损伤对人类脊柱力学行为的影响J.脊柱,1984年,9:707-713。8 Goto K,Tajima N,Chosa E,等.在三维有限元方法模型中对腰椎进行力学分析,其中使用髓核中的盘内压力来建立模型J.矫形外科科学杂志,2002,7: 243-246。9陈奇,吴晓涛,毛祖斌,等.人工髓核置换术治疗腰椎间盘突出症J.中国骨科杂志,2006,14:1445-1447。10David T .单节段腰椎关节成形术的长期结果:对106例患者的CHARITE人工椎间盘的至少10年随访J.脊柱,2007,32:661-666。


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