微米木纤维医用颈椎夹板的力学性能及有限元分析
三维有限元分析在颈椎生物力学研究中的应用
结果 得到相互 验证 ，这个模 型就可 以提供用其它方法不能
得到 的真实 的内在生物力学反应 。在人类尸体 颈椎标本上 可以进行一系列颈椎准静态的和动力学的生物力学研究 。 准
模拟人类 颈椎 的临床生物力学行为 ，必须在 四个 方面精确
地 代表颈椎 ：（）解剖学形态 ；（ １ ２ ）颈椎各成分的材料 特
Ｄ Ｉ １． ６ ０ ｉ ｎ ０ ８８９ ． １ ． Ｏ ： ０３ ９ ． ｓ ．１０ —２ ６２ ０２ ９ ｓ ０ ４
有 限元 …（ｎｔｅｅ ｅ ｔ Ｅ ｉ ｅｌ ｆ ｉ ｍ ｎ ）基 本 原理 是 把 一 个 由无 限 Ｆ
为 近 似 的 材料 性 质 导 人 颈椎 的有 限元 模 型 。
荷情况下 的应力一应变分布和其它各种 变量，但所建立的 模型必须通过实验数据的验证才具有临床应用意义。 １ ４模 型验证 验证工作是有限元模型的建立并最终能够应
系列能够表述试验标本 的几何学和物理学特性的数学模
型。随着计算机技术 的飞速发展 ，有限元分析由二维线性 扩展为非线性模 型，又 由二维线性模 型扩展 至三 维线性模 型。在颈椎 的内在应变和应力变化的研 究中发挥着不 可替 代的作用 。本文总结 了近年来颈椎有限元的研究成果 ，阐 述 了有 限元 的建模条件 ，在颈椎生物力学 中的应用 ，并提
过结点传递。通过计算机输入指令 ，南既定数学模型计算 得 出相应参数改变来模拟标本 自身 的生物力学改变 ，建立
一
椎的顶部在活体中的边 界状 态是不 明确的 ，但可以采取施 加外力的方式 进行模拟 。对 于颈椎 的静力学研究 ，可用轴 向压缩载荷代表头部模块 ，配合各种生理载荷量 ， 如拉伸、 压缩 、剪切 、前屈 、后伸 、侧弯和旋转模拟各种颈椎可能 受 力状态 。虽然此时 的模型 已经可以计算 在单轴或组合载
有限元方法在颈椎生物力学中的应用
析了颈椎在静态及动态载荷下运动状况， 并与志愿者的数据 进行了对比。随后 Ｂ ＺＣ等［建立了Ｃ 椎体有限元模型， ＯＩ ７
并据此分析了椎体爆裂骨折的机制。同年 Ｔ Ｏ等［建立了 Ｅ ８ Ｃ 椎体有限元模型， 并分析了齿状突骨折的生物力学， 但早 期的颈椎有限元模型解剖结构与实际差别较大、 网格划分不
量的代数方程， 从而求解结点的位移分量， 然后利用插值函 数确定单元集合体上的场函数。随着单元尺寸的缩小， 求解 区域内单元数目的增加， 最终近似解将收敛于精确解， 从而 得到问题的解。 通常在一定误差范围内的近似解就可以满足 实际工作的需要。 有限元法求解问题的计算步骤比较繁多， 其中最主要的 计算步骤可分为： 第一， 模型的建立： 建立所要分析的模型的 几何外形。 对于简单的物体可以直接采用直接建立离散化单 元模型， 对于复杂几何学外形物体的分析多采用先建立连续 模型， 然后在对连续模型进行离散化。 第二， 连续体模型离散 化： 首先， 根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形 状的单元， 目前常用的有限元分析软件包括 Ａ ｓｓＡ ａｕ 、 ｎｙ 、 ｂｑｓ Ｍａｌ 等， ｔ ｂ 都可以提供上百种单元以满足各种几何外形的需 ａ 求。其次， 进行单元划分， 根据所要模拟的物体实际情况， 确 分析： 所谓单元分析， 就是建立各个单元的结点位移和结点 力之间的关系式。 整体分析是对各个单元组成的整体进行分 析。目的是要建立起一个线性方程组， 来揭示结点外荷载与 结点位移的关系， 从而用来求解结点位移。
模型的验证， 这几个方面缺一不可。
１９ Ｙ Ｇ Ｎ Ｎ Ａ ９６年 ０ Ａ Ａ Ｄ Ｎ等 及其研究小组依据 Ｃ Ｔ
数据和低温切片技术建立了比较完整的下颈椎 Ｃ～ 线性有
颈椎有限元分析模型的应用和进展
・
４ ０５月第 ２ ３卷 第 ５期 Ｃ ｉａＪＯ ｈｐ＆ ＴａｍａＭａ．０ ０ Ｖ １ ３ Ｎ ． ｈｎ ｎ ｏ ｒｕ ， ｙ２ １ ，ｏ． ． ｏ ２ ５
・
综 述 ・
颈椎有 限元分析模型 的应用和进展
魏 威 毕 大卫 ， ， 郑琦 ， 罡 祖
学、 电磁 学等 物 理 问题 。 基 本原 理 是 将 一 个 由无 数 个质 点 组 成 并且 由无 限 个 自由度 连 续体 近 似 为 有 限个 单 元 所组 成 其 的 集体 。 来逐 渐 将 有 限元 方 法 应 用 于骨 科 生 物 力 学的研 究 ， 立 了最 早 的 颈椎 有 限 元模 型 。 年 来 随 着计 算机 和 软 后 建 近
颈椎生物力学有限元法研究进展
椎 生 物 力学 响应 的主 导 因 素 。由此 颈 椎 软 组 织 的 建模 同样 重
有 限 元 法 又称 有 限元 素 法 （ ｎｔ ｅ ｍ ｎ ｍｅ ｏ，Ｅ ） ｉ ｅ ｅ ｆ ｉ ｌ ｅ ｔ ｔ ｄＦ Ｍ ， ｈ
要， 软组织的几何 量化 信息包括 ： 韧带 的起 点 、 附着处 、 度 长
（ 南省 长 沙 市 中 南 大学 湘雅 二 医 院 ， 南 长 沙 ４ ０ ８ ） 湖 湖 １０ ３
有 限 元方 法 于 ４ ０年代 创 立 ，随 后 广 泛 用 于 工 程 技 术 的
问 坐 标 后 输 入 计 算 机 建模 ，这 种 方 法 所 获 得 的 数 据 比较 精
各领域 ， １７ 自 ９ ２年 Ｂ ｅｅｌ ｎ 等ｆ 次将其 引入 生物力学 ｒｋ ｓ － ｍａ １ 首
度、 厚度 和截面面积等等 。获取软组织几何信息的手段 比较
多 样 ， 解 剖 （ 体 和 显 微 ［ 方 法 、 器 方 法 （ 电磁 数 字 仪 有 大 ８ １ ） 仪 如
据， 借助位移法 的解 题思路 ， 采用矩阵代数表 达方式的一种 数值方法 。 限单元分析的方法是将弹性体离散为有限个单 有
Ｇ Ｒ等 ， Ｏ 各个软件 的算法基本相 同， 但各有优缺点。 最初使用
有 限 元 分 析 的 目的是 为 了验 证 和 观 察 某 些实 验 的 结 果 ， 是 但 经 过 几 十 年 的逐 步 发 展 并 随 着 电 脑 技 术 的 不 断升 级 ， 在 有 现 限 元 分 析 已单 独作 为 骨 科 生 物 力 学 研 究 有 效 方 法 和 手 段 之
２颈 椎 有 限 元模 型 的构 建
并为外科手术人路和手术力 的选择提供重要参考１１ 拭 １２ １１ ，。国
颈椎融合器的力学测试及有限元验证
Finite element validate and mechanics test of the cervical spine fusion cageLIU Jun 1，2，CHEN Ling 1，2，TIAN Jie 1，2，NIAN Zhi -wen 1，2，BI Fu -yue 1，2（1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control ，School of Mechanical Engineering ，Tianjin University of Technology ，Tianjin 300384，China ；2.National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education ，Tianjin 300384，China ）Abstract ：Aim ：to design a fusion cage made of polylactic acid material and determine the design feasibility by biomechanical test.Method ：During compression ，flexion ，extension and lateral bending experiment on fit sheep cervical vertebra and segments C5-C6implanted fusion cage ，reached load -displacement curve ，compared the mechanical properties ；Inspected fatigue strength of the fusion cage by universal testing machine ；Observed pressure stress of fusion cage via finite element software.Result ：The cervical vertebra became more stable after implanted fusion cage ；the fatigue strength of the fusion cage came up to standard ，pressure stress of fusion cage distributed appropriately and didn't come into pressure stress concentration.Conclusion ：The fusion cage made of polylactic acid material has enough mechanic strength.Key words ：cervical vertebra ；fusion cage ；biomechanics ；finite element analysis颈椎融合器的力学测试及有限元验证刘俊1，2，陈玲1，2，田杰1，2，年智文1，2，毕富悦1，2（1.天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384）摘要：目的：设计一款聚乳酸材质融合器，完成力学测试并判定融合器的可行性.方法：分别对健康的和植入融合器的C5-C6节段羊颈椎进行压缩、前屈、后伸、侧弯实验，得出载荷-位移曲线，比较融合器植入前后颈椎的力学性能；再用万能电子试验机检验融合器的疲劳强度；最后对融合器进行有限元仿真观察应力分布.结果：加入融合器后颈椎的稳定性有所提高；融合器的疲劳强度合格，应力分布合理，未产生应力集中.结论：聚乳酸材质融合器有足够的力学强度，满足力学要求.关键词：颈椎；融合器；生物力学；有限元分析中图分类号：R653文献标识码：A doi ：10.3969/j.issn.1673-095X.2019.02.012文章编号：1673-095X （2019）02-0057-04天津理工大学学报JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第35卷第2期2019年4月Vol.35No.2Apr.2019收稿日期：2018-10-11.基金项目：天津市高等学校大学生创新创业训练计划项目（201710060076）.作者简介：刘俊（1995—），男，本科生，E-mail ：614999572@.通讯作者：陈玲（1964—），女，教授，硕士生导师，E-mail ：504947503@.现代生活中，随着电子产品的普及、生活节奏的加快，颈椎病的发病率急剧增加且趋于年轻化.针对颈椎病，医学上采用的治疗方法之一就是手术切除颈椎病变部分，再加入颈椎融合器重新连接，达到减压治疗目的.为此需要研究植入颈椎融合器前后颈椎的力学性能来判断融合器的适用性.尽管研究模型多样，但动物模型具有获得容易，便于进行大量样本观测，进而能够得到较为准确的实验数据的优势被广泛采用.考虑到羊颈椎C5-C6节段力学性能与人体相似，又可重复进行多次实验，本文采用动物模型进行离体实验获取健康组的实验数据[1-3]；再植入融合器，测试设计的融合器组的力学性能的方法完成健康组和融合器组的对比分析，再用有限元方法验证融合器的强度.1融合器材料选用和结构设计目前融合器按其植入人体后能否被自动降解分为非吸收型和能减少手术次数和病人痛苦的可吸收型融合器两类.固定方式有需要额外固定的外固定天津理工大学学报第35卷第2期型和利用自身结构特点直接连接固定上下两个节段的自稳型.本文在研究颈椎结构和受力的基础上，设计了一款外固定可吸收型环状融合器[4]，对羊颈椎进行椎间盘摘除替换手术后将其植入，然后与健康椎间盘进行受力对比实验.融合器采用聚乳酸材质，3D 打印进行加工制造，上表面设计有密集的小斜槽用于增大融合器与终板的摩擦力，后部上下各有两个螺钉孔用于旋入螺钉使融合器更加稳定.外型尺寸为16x12x6mm ，融合器中间设计了面积为50.24mm 2的通孔用于填充松质骨，满足融合器的受力面积要求，加快颈椎的愈合，请见图1.2材料、设备与方法2.1材料、设备动物模型标本取自屠宰场当天宰杀且体质健康的羊，共6条完整颈椎，用生理盐水浸泡，于1小时内使用.实验时取C5-C6节段颈椎，清除颈椎骨骼软组织，分离锥骨，从椎弓根部去除附件.用消毒手术刀剔除椎体肌肉和韧带，保留两节段间椎间盘，再用磨砂机和锉刀将椎体上下面磨平完成实验前的准备工作.实验设备有WDW-10电子万能试验机，EUT-1020型电子万能试验机，载荷位移传感器，手术刀一套.2.2方法脊柱稳定性是指脊柱在生理载荷作用下无异常应变及过度活动.脊柱运动功能单位由上下椎体及椎间盘构成，是能够反映脊柱力学行为的基本单位[5].实验采用羊颈椎同一节段新鲜的生物样本作为研究对象，完成了健康组的实验测量.为减少由于人为因素所造成的差异，在实验过程中不断给式样添加生理盐水并选择在午后温度较高与人体温度最接近的时间完成.随后模拟颈椎前路椎间盘摘除移植手术，摘除椎间盘，植入融合器，对融合器组进行实验.颈椎前路手术采用植骨块融合是目前临床上首选的手术方法，尽管植入方法很多，但由于骨块松动会导致椎间盘的塌陷，目前还未找到一种能够代替自体骨的材料.因此，针对不同体质的患者应采用不同材料和不同力学特性的融合器.鉴于此，本实验根据杨接来[6]的文献，采用可吸收的聚乳酸材质和3D 打印技术一次成型，用来测试融合器的性能，并将该融合器实验结果与健康组对比，分析是否满足实际力学需求.2.2.1羊颈椎轴向压缩实验将处理好的实验式样用纱布包裹并用生理盐水浸湿保持颈椎骨骼的活性，然后用压缩夹具装夹在WDW-10电子万能试验机上，按照压缩实验方案对式样进行预加载，设置初压力10N 保证式样与夹具完全接触.通过计算机驱动机器以2mm/min 的加载速度进行轴向压缩，请见图2.采用量程为1KN 的测力传感器用机器自带软件输出C5-C6节段颈椎椎间盘的载荷—位移曲线[7-9]重复实验4-6次取重复性好的数据得出颈椎失效的载荷临界值，再以临界值的80%进行重复实验得到健康组颈椎压缩的力学特性[10].在完成健康组压缩实验后，进一步做出融合器组的实验.首先确定颈椎节段式样的椎间盘位置，用外径为6mm 环锯沿前路椎间隙中部钻孔对称地切割上下终板，然后取出椎间盘并植入融合器（模拟颈椎前路椎间盘摘除移植手术如图3）[11].图1融合器实物图Fig.1Pictures of fusion cage图2轴向压缩实验Fig.2Compressionexperiment58··2019年4月图5羊颈椎力学测试结果Fig.5The results of biomechanical load testing forsheep cervical vertebra.图3融合器植入Fig.3Fusion cageimplanted2.2.2羊颈椎前屈、后伸、侧弯实验试样实验前处理方式同上述压缩实验，为防止试样在实验过程中发生横向滑动影响数据精度，将其置于纱布上，在距离颈椎中心径向10mm 处施加压力请见图4.机器以1mm/min 的速度进行加载，分别完成健康组和融合器组的实验，通过载荷位移传感器输出C5-C6节段颈椎椎间盘的载荷—位移曲线.2.2.3生物力学测试结果把融合器组和健康组的压缩、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯数据进行汇总整理得到各组最大位移曲线请见图5.可知：加入融合器后，压缩实验时，融合器组和健康组的位移差距很小，表明处于压缩姿态下加入融合器颈椎的强度几乎不变；前屈、左侧弯、右侧弯实验，融合器组比健康组的位移小，表明加入融合器后，前屈、左侧弯、右侧弯三种姿态下颈椎的强度有所提高.但是，对于后伸实验，融合器组的位移大于健康组，表明加入融合器后，对于后伸姿态影响较大.这一结果与颈椎前路手术有关，因为切除了前路的部分椎骨，导致后伸姿态下，颈椎前路上下椎体的连接力减小.为进一步对比健康组和融合器组的实验结果，表1给出了融合器植入前后各个实验的最大载荷对比.2.2.3融合器疲劳实验为进一步考量融合器的性能，将自主设计的颈椎融合器装夹在EUT-1020型电子万能试验机上参见图6.首先进行预加载，并以测量的颈椎破坏载荷的50%加载，载荷比为10，加载频率1Hz ，加载次数1×107次[12]，以正弦循环应力加载.经过疲劳测试后所设计的融合器未出现肉眼可见的裂纹和变形，说明设计的融合器的满足强度要求.2.2.4融合器的有限元仿真通过对植入融合器的颈椎有限元模型进行计算，分析观察融合器的应力分布，进一步判断融合器材料选择和形状设计的合理性.有限元法可对形状、结构、材料和载荷情况复杂的结构进行应力、应变分析，且具有实验时间短、费用少、可重复进行力学性能测试等优点[13].本文的颈椎融合器具有几何形状复杂的特点，故采用有限元法的静态分析完成融合器组的分析计算.所用的基础理论为解线性方程组：图4颈椎屈伸和侧弯实验Fig.4Flexion ，extension and lateral bending experiment左侧弯1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0位移/m m右侧弯后伸前屈压缩融合器组健康组表1融合器植入前后最大载荷比较Tab.1Comparison of maximum load before and afterfusion cage was implanted组别/受力方式压缩前屈后伸左侧弯右侧弯健康组340270240270280融合器组360290250300270刘俊，等：颈椎融合器的力学测试及有限元验证59··图9侧弯运动应力分布云图Fig.9Stress contour of lateral bending movement图8后伸运动应力分布云图Fig.8Stress contour of extensionmovement图7前屈运动应力分布云图Fig.7Stress contour of flexion movement图6融合器疲劳实验Fig.6Fusion cage fatigue strength experiment[K ]{δ}={F }（1）通过给定有限元模型的材料特性和边界条件后，由单元节点位移列阵{δ}e 得到{δ}=Σ{δ}e（2）根据公式（3）和（4）得到应变和应力{ε}=[B ]{δ}e （3）{σ}=[D ][B ]{δ}e（4）强度校核采用VonMises 应力，其等效应力为：σ=12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]姨（5）将设计的融合器装配到简化的颈椎模型中，设置参数：弹性模量为10000MPa 、泊松比为0.29、弯矩为1800N ·mm ，然后进行有限元分析，探究融合器在颈椎呈现不同运动方式下的应力分布，应力云图如图7，图8，图9.有限元仿真结果显示融合器在颈椎向各个方向上运动时的应力都分布在融合器的四周，说明融合器的形状做成中空柱状环形是合理的，能够在有效的节约材料的基础上，通过填入植骨材料加快手术后的愈合，并不会产生应力集中现象.通过实验、对比，用聚乳酸材质设计的融合器在除去后伸运动，其他运动状态下的稳定性高于健康组，有限元的分析也证实了融合器形状和材料设计的合理性，在力学性能方面能够满足使用要求.采用3D 打印技术来制作这款融合器能够很好的降低制造成本，减轻患者经济负担，作为可吸收材质的融合器能够在术后的愈合中展现出它的优越性.3结论本文通过对各姿态的实验，研究了颈椎的力学特性，模拟了颈椎前路椎间盘摘除替换实验，所得结论能够让医生从颈椎受力特性上了解患者的生理状（下转第64页）况，并以此为基础不断改善治疗过程，对临床医学起一定参考作用，笔者认为聚乳酸材质可吸收型融合器具有很一定的使用前景.本实验并未进行融合器植入后的愈合情况的研究和观察，还需要对术后愈合情况进行大量样本观察[13].参考文献：［1］杨林，赵新建，曾志超，等.椎间融合器与自体髂骨在颈椎前路椎间植骨融合术中的疗效比较［J］.中国骨与关节损伤杂志，2016，31（7）：722-723.［2］马金梁.部分可吸收椎间融合器的研制及实验研究［D］.重庆：重庆大学，2012.［3］李奇志.颈椎植入物的生物力学分析及临床运用［J］.中国组织工程研究与临床康复，2007，11（38）：7662-7664.［4］王甲甲.人体颈椎有限元建模及仿生颈椎椎间融合器研究［D］.长春：吉林大学，2014.［5］吴学建，皮国富，王利民，等.高分子聚乙烯颈椎融合器的生物力学特性研究［J］.中华实验外科杂志，2004，21（7）：860-862.［6］杨接来，徐俊，谷辉杰，等.3D打印聚乳酸/纳米级β-磷酸钙可吸收山羊颈椎融合器的生物相容性及生物力学评价［J］.中国临床医学，2017，24（4）：525-530.［7］Andrew J，AlexanderJ.Biomechanicalcomparion of posterior lumbar interbody fusion cage［J］.Spine，1997，22：2375-9.［8］罗名，孟祥杰，马洪顺.T1～T6胸椎压缩实验研究［J］.试验技术与试验机，2001，41（1、2）：70-73.［9］王溪原，杨有康，马洪顺，等.氮化纯钛颈椎植骨融合器的研制及生物力学测试［J］.中国临床康复，2003，7（2）：211-213.［10］姜宏，施杞，王已进，等.颈椎失稳临界值和极限强度的测量［J］.医用生物力学，1997，12（4）：224-226.［11］王晨曦，赵改平，柏磊磊，等.动态稳定器植入术后颈椎生物力学的有限元分析［J］.生物医学工程学杂志，2016，33（4）：647-650.［12］张勇，朱悦，郝玉琳，等.一种新型人工颈椎间盘的生物力学研究［J］.中国医科大学学报，2014，43（4）：351-373.［13］王志勇，余化龙，何宁，等.颈椎人工间盘植入与融合固定后生物力学有限元比较分析［J］.骨科，2014，5（1）：17-18.［7］王艳，黄玉明.我国水环境中重金属污染行为和相关效应的研究进展［J］.2007，19（3）：198-202.［8］Roh Y S，Cho A，Islam M R，et al.3，3'-Diindolylmethane induces immunotoxicity via splenocyte apoptosis in neonatal mice［J］.Toxicol Lett，2006，206（2）：218-228.［9］Battaglia C L，Gogal Jr R M，Zimmerman K，et al.Malathion，lindane，and piperonyl butoxide，individually or in com-bined mixtures，induce immunotoxicity via apoptosis in Toxicology，2010，29：209-220.［10］王志，武二栓.水环境镉对鲤鱼免疫毒性状况的分析［J］.现代农业，2005（1）：4-5.［11］陈幕飞，黄承志，蒲德永，等.CdSe/ZnS量子点对斑马鱼胚胎发育的毒性效应［J］.环境科学，2015，36（2）：721-726［12］陈玉翠，陈锦云.重金属Cu2+，Cd2+，Hg2+对斑马鱼胚胎发育的毒性效应［J］.南方水产科学，2016，12（3）：35-41［13］Ono A，Hirose A，Hirata-Koizumi M，et al.Gender-related differences of the hepatic enzyme activities in relation to the toxicity of benzotriazole ultraviolet absorber in rats［J］.Toxicology Letters，2010，196S：212［14］方文迪.基于斑马鱼模型的全氟辛酸免疫毒效应及机理研究［D］.杭州：杭州师范大学，2015［15］王荣春，何秋霞，韩建，等.氯霉素对斑马鱼幼鱼发育及免疫毒性的研究［J］.山东科学药理与毒理，2017，12（6）：35-40［16］齐娜娜，潘国涛，郭建峰，等.维生素D对小鼠镉免疫毒性的影响［D］.北京：中华预防医学会卫生毒理专业委员会，2014［17］端正花，朱琳，张斌田.双酚A对斑马鱼胚胎不同发育阶段的毒性及生物蓄积研究［J］.中国环境科学，2008，28（3）：260-263.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第60页）。
有限元分析法研究颈椎内固定物的生物力学特点
Ａｓ ｏ ｉ ｔ ｓｃａｅ
ｎｕ ｓ ，Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆ ｒｅ ｐ ｒｍｅ ｔｏ Ｏｒｈ ｐ ｄｉｓ Ｓ ｃｏ ｄ ｔｏ ｅ ｃ ， ｅ ｎ Ｈｏ ｐ ｔｌ ｏ Ｈａ ｂｉ ｓｉ ｆ ａ ｒ ｎ
摘要 ：有 限元分析法是用于结构分析 的矩阵方法 ，将一个 由无限个质点构成并且有限个 自由度的连续体划分成有限个小单 元 体 所 组 成 的集 合 体 。应 用 有 限 元 分 析 法 对 颈 椎 在 生 理 及 病 理 情 况 下 的生 物 力学 特 性进 行 分 析 ， 及 不 同 术式 、 内 固 定 器械 对 颈 椎 生 物 力 学 的影 响 ， 展 望 了有 限 元 法 应 用 于 颈 椎 生 物 力 学 研 究 的 前景 ， 由 于所 建立 的 有 限 元 模 型 其 形态 结 构 与 人 体 实 际存在差异 ，计算结果范 围较为狭小和 固定 ，随着计算机及软件 的进 一步 发展，有 限元 分析法将 成为脊柱生物力学研 究的
．
。ｄ ｅ
Ｈａｂｎ ｒｉ
ｎ ｉ
ｌ０ ８ ５ ｏ
．
Ｗ ｉ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔｏ ｏ ｕ ｅ ｄ ｓ ｆｗａ ｅ ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓ ｓｗｉｌ ｅ ｏ ｏ ｕ ｆｓ ｉ ａ ｃ ａ ｉ ｓ ｈ ｔ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆ ｍｐ ｔ ｒ ｃ ｎ ａ ｏ ｔ ｒ ， ｉ ｅｅ ｎ ａ ｙ ｉ ｌ ｂ ｃ ｍｅ ａｆ ｃ ｓ ｐ ｎ ｌ ｉ ｅ ａ ｏ ｍｅ ｈ ｃ ． ｎ
有限元法在颈椎生物力学研究中的应用及进展
临 床 医 药 实 践 杂 志 ２ ０ ０ ８年 ８月 第 １ 卷 第 ８期 ７
・
６ ４１ ・
有 限元 法在 颈椎 生 物 力 学研 究 中的应 用 及进 展
关 哲 ， 马 迅
（ 西 医科 大 学 第 二 医 院 ， 西 原 山 山 ０００） ３ ０ １
法在颈椎生物力学研究中的应用综述如下。
１ 颈椎有限元模型
椎三维有限元模型的建立发展较快。０４ ２０ 年Ｋ ｒ 等［在前 ａｉ ６ ｎ
人的基础上， 通过Ｃ Ｔ片仔细测量 Ｃ～ 的解剖学数据， 。 而其
韧带用非线性弹性单元来模拟。在模型上， 加载三个方向的 不同载荷的模拟特性。 实验证明这个上颈椎三维有限元模型 克服以前此类模型构建上的不足， 能较好地模拟枕颈部全部
有限元模型ｌ 。 ＿ ２
陈伯华 等［ 于 ２０ ３ ０２年根据 Ｃ Ｔ和 Ｃ Ｔ重建 片， 采用
Ｃ Ｄ数据处理技术， Ａ 输入相关的材料特性， 构建 Ｃ ～三维有
由静态响应向动态响应过渡， 以实现对颈椎损伤等动态
过程问题的研究。 ２ 有限元分析在颈椎生物力学中的应用 ２ １ 椎体的有限元分析 ． 目前研究椎体骨折应力与应变量的变化主要有两种基 本方法： 尸体标本的机械测试和椎体的分析模型， 而有限元
６ ４２ ・
Ｐｒ ｃ ｅ ｉ ｇ ｏ ｉ ｉａ ｅ ｉ ｉｅ Ｊ Ａｕ ． ０ ８， ｌＩ ． ｏ ｅ ｄ ｎ ｆＣｌ ｃ ｌＭ ｄ ｃｎ ， ｇ ２ ０ Ｖｏ Ｎｏ ８ ｎ ７
柱。承受张应力的水平柱很薄， 呈极度各项异性。Ｓ ｔ ｍｉ等 ］ 通过有限元模型指出， 椎弓根附近及终板下是椎体多种应力 集中的部位， 骨密度（ＭＤ 较高， Ｂ ） 椎体骨小梁的排列与轴向 压缩负荷有关。当椎体承载压缩载荷时， 松质骨起主要承载 作用， 密质骨壳只承载 １ ， ｏ 而且密质骨壳的承载大小与松
微米木纤维颈椎夹板的制备及其弹性模量模型
ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｎ ｗｏ ｏ ｄ ｉ ｆ ｂ ｒ ｅ（ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ５ ２ ｍｍ） ａ ｎ ｄ ｉ ｔ Ｃ ｎ ａ ｂ ｅ ｕ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｐ ｌ ｉ ｎ ｔ ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｍｏ ｌ ｄ ｅ ｄ ． Ｂ ｙ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ
Ｐｒ ｅ ｐａ ｒ ａ ｉｏ ｔ ｎ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｎ ｗｏ ｏ ｄ ｉ ｆ ｂｒ ｅ ｃ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｐｌ ｉ ｎｔ ａ ｎｄ ｉ ｔ ｓ ｅ ｌ ａ ｓ ｉｃ ｔ ｍｏ ｄ ｕｌ ｕｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ
ＺＨＡＮＧ Ｙａ ｎ ｇ， ＭＡ Ｙａ ｈ
ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ａ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｈ ｏ ｎ ｅ ｙ ｃ ｏ ｍｂｅ ｄ ｕ ｎｉ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｓ ｐ ｏ ｎｇ ｙ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｗｏ ｏ ｄ ｉｂ ｆ ｒ ｅ ｈ ａ ｄ ｇ ｏ ｏ ｄ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈｎ ｅ ｓ ｓ ｎｄ ａ ｉ ｎｔ ｅ ｎｓ ｉ ｔ ｙ ｗｈ ｅ ｎ ｉ ｔ ｗａ ｓ ｃ ｕ ｔ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈｅ
ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｎ ｗｏ ｏ ｄ ｉ ｆ ｂ ｒ ｅ ｃ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｐ ｌ ｉ ｎ ｔ ｗａ ｓ ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｈｅ ｔ ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｔ ａ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ Ｐ ｏ ｐ ｕ ｌ ｕ ｓ ｔ ｏ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｓ ａ ｗｏ ｏ ｄ ｉ ｆ ｂ ｒ ｅ（ ｉ ｔ ｓ
有限元方法在上颈椎生物力学研究中的应用进展
【 要 １ 生物 力学 因素 在 上 颈椎 疾 患的 发 病 机 制 中具 有 十 分 重 要 的 意 义 。传 统 的 生 物 力 学 实验 方 法 ，如 动 物 实 摘 验、 物理 实验 、 外 （ 体 ） 体 尸 实验 存 在 不足 。 限 元 方 法作 为一 种 新 的 生 物 力 学研 究 方 法 ， 有 可在 持 续 性 研 究 中重 复及 改 变
力肄分 析
【 关键词 】 颈椎 ； 生物力学 ； 综述文献
Ｄ ：０３ ６ ／． ｓ ． ０ — ０ ４ ０ ２ ３ ２ ｏＩ １ ．９ ９ ｊ ｓ １ ３ ０ ３ ． １ ． ． ２ ｉｎ ０ ２ ０ ０
Ｂｉ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ｌｍ ｅ ｔｍｅ ｈ ｄ ｉ ｐ ｅ ｅ ｖ ｃ ｌ ｐ ｎ ＨＵ ｎ Ｚ ｎ — 。 ， ｎ — ｏ ｅ ａ ｉ ａ ａ ｐ ｉ ｔｏ ｆｆ ｉ ｅ ｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｕ ｐ ｒ ｃ ｒ ｉａ ｉ ｅ ｌ ｃ ｉ ｅ ｓ Ｙｏ ｇ， ＨＡ ０ Ｈｏ ｇ ｙ ＸＵ Ｒｏ ｇ
Ｚ ｏ ｇ ｕ ｕＳ ａ ｇ Ｃ ｉａＪＯ ｈ ｐＴ ａ ｍａ，０ ２，５（ ： ６ －６ ＷＷ ｚ ｇｚ．Ｏ ｈ ｎ ｇ ｏＧ ｈ ｎ ／ ｈｎ ｒ ｏ ｒｕ ｔ ２ １ ２ ３） ２ ２２ ６ Ｗ． ｓｚＣ Ｂ ｇ
有 限元 方 法 属 于 数 学 物 理方 法 范 畴 ，其 基 本原 理 是 将 一 个有 无 限个 质 点 构 成 并 且有 无 限个 自由度 的 连 续体 划 分 为 有
ｃ ａ ｉ ａ ｅ ｔ ｓ ｃ ｓ ａ ｉ ｌｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｐ ｙ ｉａ ｘ ｅ ｉ ｎ ｎ ｉ ｏ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｅ ｉ ｓ ｍａ ｙ ｐ ｏ ｌｍｓ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔ ｈ ｎ ｃ ｌｔ ｓ ，ｕ ｈ ａ ｎ ｍａ ｘ ｅ ｉ ｎ ， ｈ ｓｃ ｅ ｐ ｒ ｌ ｍｅ ｔａ ｄ ｖ ｔ ｘ ｅ ｉ ｎ ｘｓ ｎ ｒ ｂ ｅ ．Ｆ ｎｔ ｅｅ ｎ ｒ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ， ｅ ｂ ｏ ｃ ａ ｉ ａ ｍｅ ｈ ｄ， ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｓ ｓａｎ ｂ ｌ ｙ ｓ ｙ， ｈ ｎ ｅｑ ａ ｎ ｕ ｎ ｉ ， ｒｖ ｄ ｈ ｔ ｏ ａｎ ｗ ｉ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｔ ｏ ｃ ｎ ｒ ｐ ａ ｉ ｕ ｔｉｑ ａ ｔ ｙ ｐ ｏ ｉ ｅｔ ｅｍａ ｉ ｓ ｔ ｎ ｔ ｎｆ ｔ ｉ ｅａｏ
上颈椎(C0-C3)有限元模型建立及寰椎生物力学有限元分析的开题报告
上颈椎(C0-C3)有限元模型建立及寰椎生物力学有限元分析的开题报告一、研究背景及意义人的颈椎是支撑头部、转动和弯曲的主要结构之一，同时也是经常受到外力作用的部位。
上颈椎(C0-C3)是颈部最上方的4个椎体，也是颈部最稳定的部分，因其周围有大量筋膜和肌肉的支撑，同时又与颅底和下颈椎紧密相连，关系至关重要。
然而，上颈椎区域由于解剖结构的复杂性和大小的不同，导致很难对其生物力学行为进行全面准确的认识。
针对上颈椎生物力学的研究，有限元模型是较为常用的研究方法之一，可以帮助解决解剖和生物力学的问题。
利用有限元方法可以对上颈椎进行数字化建模，并通过数值仿真，对其运动、应力和位移等物理量进行分析，可以提高对上颈椎生物力学行为的认识，为医学领域的颈椎病理研究提供更加准确的理论基础。
二、研究内容及方法本研究计划建立上颈椎(C0-C3)的有限元模型，并进行生物力学仿真分析。
具体步骤如下：1. 图像获取采用CT（计算机断层扫描）技术获取人类上颈椎(C0-C3)的三维图像数据，获得骨骼结构的几何形态和内部组织信息。
2. 模型建立采用三维建模软件(例如HyperMesh、SolidWorks)对图像数据进行重建，建立上颈椎有限元模型。
考虑到上颈椎区域与头颈部的相互作用，需要建立头颈部及其周围肌肉、神经、韧带等组织的有限元模型，以反映上颈椎区域的真实生理状态。
3. 材料参数设置根据上颈椎(C0-C3)的生物力学特性，确定组织的材料特性参数，包括弹性模量、泊松比、屈服强度等。
4. 负载设计针对上颈椎区域生物力学测试的需要，设计虚拟负载，如头颈部的螺旋和屈曲运动，以及所施加的各种力量（如自身质量、肌肉和骨骼间的张力、外界的力量）。
5. 仿真计算基于建立的有限元模型和负载设计，进行生物力学仿真计算，得到各个节点的位移、变形、应力和应变等生物力学指标，进而研究上颈椎的生物力学行为和特征。
三、预期成果及应用前景本研究通过建立上颈椎(C0-C3)的有限元模型，并进行生物力学仿真分析，可得到上颈椎区域的生物力学性能和特性，具体包括各个节点的位移、变形、应力和应变等指标，为颈椎的生物力学研究提供更加准确和全面的资料。
有限元方法在颈椎生物力学中的应用
ｎ ｔ ｌｍｅ ｔ ｄ ｐ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｏ ｉ ｅｅ ｎ ，ａ ｏ ｔ ｉ ｅｅ ｎ ｍｍｅ ｃ ａ ｓ ｆ ａ ｅ ｐ ｃ ａ ｅ ｗａ ｓ ｄ ｔ ｔ ｄ ｈ ｅ ｐ ｎ ｅ ｏ ｅ ｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｒ ｉｌ ｏｔ ｒ ａ ｋ ｇ ｓｕ ｅ ｏ ｓ ｙ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｓ ｆ ｗ ｕ ｈ ｔ
Ｆ Ｙｕ， ＲＵＡＮ Ｕ Ｄｉ—ｋ ｅ， ＬＩ Ｂｉ ｅ ． Ｕ ｎ， ｔａ １
（ ｅａｔｅｔｆＣｒｉ ｌ ｕ ｅ ，ｅｏｄＡ ｌ ｔ ｏ ｔ Ｉｎｒ ｎ ｏ ｄ ａ ｏｅｅ Ｈ ｈｏ ０ ０ ３ ｈ ａ Ｄ ｐ ｒ ｎ ｅ ｃ ｒ ｒ Ｓｃｎ ｆ ｉ ｅ Ｈ ￣ｉ ｎｅ ｇｌ Ｍｅｗ ｌ ｌｇ ， ｏｈｔ １０ ０Ｃ ｉ ） ｍ ｏ ｖａ Ｓ ｇ ｙ ｆ ａｄ ｉ ｄ， Ｍｏ ｉ ａ Ｃｌ ｎ
中图分 类号 ：６ １５ Ｒ ８ ． 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０４— １３ ２ ０ ）４— ２３— １０ ２ １ （０７ ０ ０４ ０ ４
ＦＩ ＴＥ ＮＩ ＥＬＥＭ ＥＮＴ ＡＰＰＬＩ ＣＡＴＩ Ｎ ｏ Ｉ Ｈ ＵＭ ＡＮ Ｎ ＣＥＲＶＩ ＣＡＬ ＰＩ Ｓ ＮＥ ｏＤＥＬＩ Ｍ ＮＧ
维普资讯
内蒙古 医学院学报
２０ 年 ８ 第 ２ ０７ 月 ９
第
・
２ ３・ ４
有 限元 方 法在颈 椎 生 物 力学 中的应用
付 裕 阮狄克 刘 斌 李志军。 张 沛 ， 李晨光 ， ， ， ，
（． １ 内蒙古医学院第二 附属 医院 颈椎外科 ， 内蒙古 呼和浩特 ０ ０３ ； ２ 中国人 民解放 军海军总 医院 骨科 ； １０ ０ ． ３ 内蒙古医学院基础 医学院； ４ 北京航 空航 天大学宇航 学院） ． ．
ｄｉｃ ｍｏ ｅ ． Ｒｅ ｕ ｔ ｓ ｄ １ ｓ ｌｓ：Ｔｈ ｄ ｌｏ ｔａ ｓｒ ｃ ｎ ｔｕ ｔ ｄ ａ ｄ ｖ ｒｆ ｄ ｂ ｅｆｎ ｔ ｌｍｅ ｔｍｏ ｅｓｏ ｅ ｍｏ ｅ ｆａｌ ｓｗａ ｅ ｏ ｓｒ ｃｅ ｎ ｅ ｉ ｅ ｙ ｈ ｉｅ ｅｅ ｎ ｄ ｌ ｆ ｉ ｉ ｃ ｒ ｉａ ｐ ｎ ｒ ｍ ／ ｅ ｖｃ ｌｓ ｉ ｅ ｆｏ Ｃ３ ４．Ｃｏ ｃ ｕ ｉ ｎ：Ｔｈ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔｍｏ ｌ ｆｃ ｒ ｉａ ｐｉｅ ｓ ｏ ｇ ｏｄ ｒ ｓ ｏ ｓ ｎ ｌ ｓｏ ｅｆ ｉｅｅ ｅ ｎ ｄｅｓｏ ｅ ｃ ｌｓ ｎ ｈ ｗ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｉ ｖ ａ ａｎｓ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｄ ｔ ． ｈ ｃ ｎ ｉａ ｅ ｈ ｔｏ ｒｍｏ ｅ ｏ ｄ ｂ ｓ ｄ ｔ ｍｉ ｔ ｈ ｉｍｅ ｈ ｎｃ ｇ ｉ ｔｔ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ａａ Ｗ ｉ ｈ ｉ ｄ ｃ ｔｓ ｔ ａ ｕ ｄ ｌｃ ｕｌ ｅ ｕ ｅ ｏ ｉ ｔ ｅ ｔ ｅ ｂｏ ｃ ａ ｉ ｈ ａ
微米木纤维医用颈椎夹板相容性构成分析
微米木纤维医用颈椎夹板相容性构成分析张杨;马岩【摘要】阐述了微米木纤维作为一种木材加工材料，具有一定生物医用材料的特性。
分析了微米木纤维颈椎夹板在医用上的相容性。
通过对小兴安岭红松制备木纤维试样的SEM照片观察，发现木纤维材料的多孔结构与人体皮肤有很好的相容性，可提高颈椎夹板的弹性和韧性。
在相容性控制上，根据不同密度的木纤维在一定气流作用下产生的压力，可计算出材料的透气率；而对木纤维材料标准重量的计算，可使颈椎夹板的重量满足医用的使用要求。
实验得出：根据试样的微观组织分析以及参数的计算，在微米木纤维颈椎夹板模压时控制其模压密度，以达到其与人体皮肤的相容性。
%The micron wood fiber, as a wood processing material, has certain characteristics of biomedical materials. The compatibility of micron wood fiber cervical splint on the medical was analyzed. Through the observation of SEM photographs of Xiaoxing’anling pine wood fiber sample, it was found that the porous structure of the wood fiber materials have a good compatibility to human skin, and can improve the flexibility and toughness of the cervical splint. On the compatibility control, air permeability of the material can be calculated depending on the pressure generated by the wood fibers of different density under the action of theair flow. By the calculation of the standard weight for wood fiber material, cervical splint can meet the medical use on weight requirements. The results of the experiments show that according to the analysis of sample microstructure and the calculation of the parameters, the compatibilitywith the human skin can be achieved by controlling the density when molding the micron wood fiber cervical splint.【期刊名称】《中南林业科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】4页(P151-154)【关键词】微米木纤维;颈椎夹板;相容性构成;计算【作者】张杨;马岩【作者单位】东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】S788.1生物材料是近代生物工程学、生物机械学、生物材料学的重点研究方向[1-4]。
木纤维纳米微观结构有限元建模机理研究
木纤维纳米微观结构有限元建模机理研究李明宝;曹军【摘要】木纤维是以森林为主体的可再生、可重复利用的生物质材料,利用木纤维开发的纤维增强材料具有与环境友好、和谐等诸多优点,受到人们的广泛重视,但由于对木纤维的纳米结构缺乏足够的了解,其独特的尺寸效应、局域场效应、量子效应以及表面效应没有完全发挥.研究了基于有限元理论的生物质材料木纤维的纳米结构建模机理.应用数值技术和有限分割的方法构建了木纤维可视化力学模型.【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2011(039)002【总页数】4页(P17-20)【关键词】生物质材料;木纤维;纳米;有限元【作者】李明宝;曹军【作者单位】东北林业大学,黑龙江,哈尔滨,150040;东北林业大学,黑龙江,哈尔滨,150040【正文语种】中文【中图分类】S781.29木纤维是自然界中资源最丰富、性能最稳定、品质最优良的高分子材料，具有可生物降解、可再生、密度小、弹性模量高等特性，将其与其它材料复合可以生成各种集高分子材料和植物纤维的优良性能于一身的木质复合材料，并且具有较高的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度、冲击强度以及良好的抗蠕变和抗老化能力，因此木质复合材料广泛应用在建筑、运输、园林、室内装饰及日常生活用品等领域。
但由于对木纤维的纳米结构缺乏足够了解，其独特的尺寸效应、局域场效应、量子效应以及表面效应没有完全发挥，限制了产品的使用范围。
因此，深入了解木纤维的纳米结构对分析其断裂机理以及实现木纤维和纤维复合材料的高效设计，充分利用木纤维这一可再生的天然资源具有重要的现实意义。
本文将研究木纤维的几何和纳米微观结构力学模型，只有建立接近真实的木纤维微观结构，才能最大程度地仿真出其力学性能，从微观结构模型获得木纤维的等效平均力学特性。
木纤维的微观结构可以通过电子显微镜观察获得，根据显微结构构造纤维力学模型，然后应用有限元计算和预测单根纤维的力学性能。
1 木纤维的微观结构研究木纤维平均长度3～4mm、直径30～40μm，其主要由初生壁、次生壁组成，次生壁由三层（S1、S2和S3层）组成，初生壁和次生壁可视为纤维增强复合物。
有限元法在颈椎病牵引治疗研究中的应用
有限元法在颈椎病牵引治疗研究中的应用高能;王维佳【摘要】背景:随着计算机模拟技术的发展,结合影像学技术的颈椎牵引三维有限元研究得到大家的重视,相关的模拟力学实验解决了体内实验的困难.目的:综述有限元法在颈椎病牵引治疗研究中的应用.方法:应用计算机检索中国知网数据库、PubMed数据库有限元方法在脊柱力学方面的研究进展及颈椎病牵引治疗的研究进展等相关文献.结果与结论:有限元分析方法能在一定程度上代替生物力学实验,并能对实验条件进行控制和模拟活体下的力学情况,对患者无任何伤害.虽然理论上有限元法适用于任何复杂结构,但在脊柱生物学研究中尚有许多问题难以解决.对于结构小而复杂的颈椎尚有一定的局限性.需要与其他的力学、试验研究互为补充.%BACKGROUND: With the development of computer simulation technology, the researches on three-dimensional finite element of cervical traction combined with imaging technique become a focus, since it enables external experiments.OBJECTIVE: To summarize the literatures of cervical traction by the finite element analysis method.METHODS: A computer-based online search of CNKI and PubMed databases was performed for articles related to the applications of finite element method in spinal mechanics and treatment of cervical spondylosis bytraction.RESULTS AND CONCLUSION: The finite element analysis method can probably replace the biological mechanical experiments to some degree, and the experimental conditions are controllable and the mechanics condition in vivo can be simulated without harm to the patients. Although the finite element analysis method is suitable to any complexconstruction theoretically, there remain difficulties and limitations in the spinal biology researches. Especially it exhibits some limitations in cervical vertebra due to small and complex structures. Therefore, related mechanical experiments and researches are required.【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2011(015)004【总页数】3页(P714-716)【关键词】有限元;颈椎病,牵引治疗;应用及进展;数字化医学【作者】高能;王维佳【作者单位】浙江中医药大学,浙江省杭州市,310053;浙江省中医院,浙江省杭州市,310006【正文语种】中文【中图分类】R3180 引言颈椎病在中国患病率为3.8%～17.6%，男女之比约为6∶1，而颈椎病又以神经根型为多见，占60%～70%，多见于30～50岁者[1]。
医用夹板标准
医用夹板标准材料标准医用夹板应使用高质量的材料，通常由无毒、无异味的环保型材料制成。
为确保患者的安全，材料应具有防过敏、抗菌、抗静电等特性。
同时，材料应具备足够的强度和稳定性，以确保在使用过程中不会变形或损坏。
尺寸标准医用夹板的尺寸应符合人体工程学原理，根据患者体型和损伤部位的不同，夹板的尺寸也会有所不同。
一般来说，夹板的长度、宽度和厚度应根据患者的体型和损伤部位的实际需求进行定制，以确保夹板能够稳定地固定在患处，同时不会对患者的皮肤造成压迫或摩擦。
承重能力标准医用夹板的承重能力必须足够强大，以确保能够承受患者的体重和日常活动的冲击。
夹板应能够承受患者的不定期运动和身体活动，如走路、弯腰、伸展等，同时不会发生变形或损坏。
因此，夹板的承重能力应根据患者的体重和活动水平进行定制。
稳定性标准医用夹板的稳定性对于患者的恢复至关重要。
夹板应能够稳定地固定在患处，同时不会对患者的皮肤造成压迫或摩擦。
夹板的稳定性应通过设计合理的结构和固定方式来实现，以确保在使用过程中不会发生移位或松动。
此外，夹板的稳定性还应考虑患者的活动能力，以避免对患者造成不必要的困扰或疼痛。
安全性标准医用夹板的安全性是最重要的标准之一。
夹板应无毒、无异味，不含有对患者皮肤有害的物质。
同时，夹板的结构和固定方式应避免对患者造成伤害，如夹板边缘的锋利程度、固定方式的松紧度等。
此外，夹板的制造过程也应符合相关法规和标准，以确保产品的安全性和可靠性。
耐久性标准医用夹板的耐久性对于患者的恢复和医疗资源的利用具有重要意义。
夹板应能够在多次使用后保持原有的性能和质量，同时不会出现明显的磨损或变形。
夹板的耐久性应通过高质量的材料和制造工艺来实现，以确保在使用过程中能够承受各种环境和活动的考验。
透气性标准医用夹板的透气性对于患者的舒适度和皮肤的健康至关重要。
夹板应具有良好的透气性，以保持患者皮肤的干燥和清洁。
如果夹板的透气性不佳，患者可能会出现皮肤瘙痒、过敏等不适症状。
有限元分析颈椎棘突骨折内固定有效性
有限元分析颈椎棘突骨折内固定有效性沈彦;王朝阳;吴荣;陈博【摘要】通过对颈椎棘突骨折(累及椎板)内固定治疗有限元模型的建立和分析,明确此种治疗方式对颈椎棘突骨折的有效性.先建立正常全颈椎(C0-T1)的有限元模型并与文献报告进行对比验证,模型验证后,在正常模型基础上建立颈椎棘突骨折(累及椎板)模型,并模拟直型接骨板行内固定治疗,测量并比较颈椎棘突骨折模型及手术内固定模型和原始正常模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种条件下活动度改变.以及颈椎各结构的应力变化.结果表明,在正常模型上结合临床病例建立的颈椎棘突骨折(累及椎板)外观逼真,生物力学相似度良好.骨折模型部分节段,主要为C7-T1的活动度(前屈+后伸9.20°,左右侧弯5.83°,左右旋转13.12°)较正常模型(前屈+后伸7.11°,左右侧弯4.92°,左右旋转9.59°)增大,尤其是旋转活动度,模拟植入内固定后稳定性增加(前屈+后伸4.07°,左右侧弯2.21°,左右旋转2.91°),且内固定钢板应力分析提示,承受最大应力值在安全范围.颈椎棘突骨折(累及椎板)及内固定模型可以较好地模拟临床实际病例,通过有限元分析预示,此型骨折存在潜在不稳的可能性,探讨微型棘突钢板在骨折手术治疗中的应用,具有一定的临床参考价值.%The aim of this work is to establish a three-dimensional finite element model of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) after internal fixation and assure its availability to surgical treatment.Based on a finite element model of a normal cervical spine,a finite element model of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) was developed according to the clinical case,with which an internal fixation therapy on fracture model was simulated.The range of motion (ROM) under flexion,extension,lateral-bending and axial rotation were measured andanalyzed in the normal and fracture model and fixation model.The force loading was applied on both vertebra and internal fixation to elucidate the safety of this surgical therapy.It was shown that the finite element model of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) had a high similarity and profile to the clinical case.The range of motion (ROM) on C7-T1 segment under each movement in fracture model (flexion + extension 9.20°,lateral-bending 5.83°,axial rotation 13.12°) was larger than that in the normal model(flexion + extension 7.11 °,lateral-bending 4.92°,axial rotation 9.59°),especially in the rotation movement.The whole cervical vertebra was more stable under internal fixation (flexion + extension4.07°,lateral-bending 2.21°,axial rotation 2.91°) with the safety of internal fixation system.In conclusion,the finite element model could be used to simulate the biomechanics of cervical spinous process fracture (extension into the lamina) to indicate the potential for delayed instability.【期刊名称】《中国生物医学工程学报》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】8页(P456-463)【关键词】颈椎棘突骨折;内固定;有限元分析【作者】沈彦;王朝阳;吴荣;陈博【作者单位】中国人民解放军第98医院骨科,浙江湖州313000;中国人民解放军第98医院骨科,浙江湖州313000;中国人民解放军第98医院骨科,浙江湖州313000;上海交通大学医学院附属瑞金医院伤骨科研究所,上海200025【正文语种】中文【中图分类】R318颈椎棘突骨折是一类附件骨折,通常也称为Clay shoveler骨折,即“铲土者骨折”,此类骨折对颈椎稳定性的影响较小,所以常常被临床工作者所忽视。
有限元法分析多节段颈椎病4种颈前路修复方式的生物力学特点
有限元法分析多节段颈椎病4种颈前路修复方式的生物力学特点李忠海;林斌;唐家广;任东风;李利;吴闻文;侯树勋【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2016(020)044【摘要】背景：多节段颈椎病因脊髓多严重受压，故多需手术去除压迫，但是对于选择何种前路修复方法最好，目前仍未达成共识。
目的：利用三维有限元模型对4种颈椎前路修复方式进行对比分析，分析其生物力学特点。
方法：基于健康成年男性C2-C7节段CT图像建立颈椎有限元模型。
模拟4种颈椎前路修复方式分别建模，包括颈椎前路椎间盘切除融合、颈椎前路椎体次全切除融合、颈椎前路混合减压融合、颈椎前路间盘切除减压单纯Cage置入融合，计算C2/3、C6/7椎间盘以及钛板-螺钉界面应力变化情况。
结果与结论：①4种颈椎前路修复方式在前屈、后伸、侧屈、旋转工况下相邻节段的椎间盘应力均为C2/3节段大于C6/7节段，而且均是颈椎前路间盘切除减压单纯Cage置入融合组椎间盘应力最小，颈椎前路椎体次全切除融合组椎间盘应力最大；②钛板-螺钉界面应力颈椎前路椎体次全切除融合组最大，颈椎前路椎间盘切除融合组最小；③结果说明，在修复多节段颈椎病的4种颈前路融合内固定方式中，颈椎前路间盘切除减压单纯Cage置入融合对于相邻节段的生物力学影响最小，理论上可以降低邻近节段退变的发病率，但该方法存在增加融合器沉降的风险。
%BACKGROUND:Surgical treatment is commonly used for decompressing the spinal cord in multilevel cervical spondylotic myelopathy, but the optimum anterior cervical reconstructive method has not been determined. OBJECTIVE:To compare and analyze thebiomechanical characteristics of four anterior cervical reconstructive techniques in the surgical management of multilevel cervical spondylotic myelopathy utilizing the three-dimensional finite element model. METHODS:A three-dimensional finite element model of an intact C2–7 segment was developed and validated based on healthy adult male CT images. Four additional models were developed from the fusion model, including anterior cervical discectomy and fusion, anterior cervical corpectomy and fusion, anterior cervical hybrid decompression and fusion and anterior cervical discectomy and fusion with Cage alone. Von Mises stresses on the plate and the disc of adjacent levels (C2/3, C6/7) were comparatively analyzed. RESULTS AND CONCLUSION:(1) The C2/3 disc stress in flexion, extension, lateral bending and rotation condition was significantly higher than the C6/7 disc in 4 anterior cervical reconstructive techniques, and the adjacent disc stress (C2/3, C6/7) was lowest in the anterior cervical discectomy and fusion with Cage alone, and highest in the anterior cervical corpectomy and fusion. (2) The stress at the plate-screw interface was highest in the anterior cervical corpectomy and fusion, and lowest in the anterior cervical discectomy and fusion. (3) In conclusion, among the four anterior cervical reconstructive techniques for multilevel cervical spondylotic myelopathy, the anterior cervical discectomy and fusion with Cage alone makes little effect on the adjacent disc stress, which might reduce the incidence of adjacent segment disease after fusion. However, the accompanying risk of the increased incidence of cage subsidence should never be neglected.【总页数】8页(P6612-6619)【作者】李忠海;林斌;唐家广;任东风;李利;吴闻文;侯树勋【作者单位】解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市 100048;解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市 100048;解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市 100048;解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市 100048;解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市 100048;解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市 100048;解放军总医院第一附属医院骨科，全军骨科研究所，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心，北京市100048【正文语种】中文【中图分类】R318【相关文献】1.颈前路融合术与人工椎间盘置换治疗多节段颈椎病的疗效分析 [J], 张广兴2.有限元法分析多节段颈椎病4种颈前路修复方式的生物力学特点 [J], 李忠海;林斌;唐家广;任东风;李利;吴闻文;侯树勋;3.有限元法分析非连续两节段颈椎病前路混合术式的生物力学特点 [J], 彭嘉杰; 吴江林; 周霖; 黄永铨; 范智荣; 钟的桂; 苏海涛4.有限元法分析非连续两节段颈椎病前路混合术式的生物力学特点 [J], 彭嘉杰; 吴江林; 周霖; 黄永铨; 范智荣; 钟的桂; 苏海涛5.不同方式颈前路椎间盘切除植骨融合治疗多节段颈椎病近期疗效观察 [J], 陈炽森因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｐｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ａ ｎｄ Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｍｅ ｄｉ ｃ ａ ｌ Ｎｅ ｃ ｋ Ｃｏ ｌ ｌ ａ ｒ Ｍａ ｄ ｅ Ｏ ｆ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｎ Ｗ ｏ ｏ ｄ Ｆｉ ｂ ｅ ｒ
力 。通 过 选 用 不 同 的 冲击 能量 研 究 微米 木 纤 维 颈 锥 夹 板 在 低 速 冲击 作 用 下 的 损 伤 程 度 ， 冲 击 损 伤 随 着 冲击 能 量 的
增大而增大 。【 结 论】颈锥夹板 的有 限元力学 性能数 值模拟 与实 际三点 弯曲力学 试验数 值接 近 ， 说 明试验 的合理
ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｎ ｗｏ ｏ ｄ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｂ ｏ ａ ｒ ｄ，ｉ ｔ ｓ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗａ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ
可 以满足人体使用强度要求 。【 内容 】 选择直径为 ｌ ６ ｍ 的红松木纤维 制备试 验试样 ， 对木纤维板进行 三点弯曲力
学 性 能测 试 ， 并 运 用 扫 描 电镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 对 其 微 观 结 构 进 行 表 征 。利 用 ＡＢ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ程 序 对 微 米 木 纤 维 颈锥 夹板 进 行 压 缩
ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｉ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｃ ｋ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｒ ｃ ａ ｎ ｍ ｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｗ ｈ ｅ ｎ ｉ ｔ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈ ｕ ｍ ａ ｎ ｂ ｏ ｄ ｙ ．【 Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ 】Ｔ ｈ ｅ Ｐ ｉ ｎ ｕ ｓ
性 。夹 板 最 大 可 承受 ３ ０ ＭＰ ａ的应 力 ， 可满足人体使用强度 要求。
关键词 ： 微 米木纤维 ； 颈 托 ；有 限 元 ； 力 学性 能 中 图 分 类 号 ：￥ ７ ８ １ ． ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ １— ７ ４ ８ ８ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ４— ０ １ ２ ９—１ ０
第５ ３卷 第 ４期
２ ０ １ ７年 ４ 月 ｄ ｏ ｉ ： １ ０． １ １ ７ ０ ７ ／ ｊ ． １ ０ ０ １ — ７ ４ ８ ８ ． ２ ０１ ７ ０ ４ １ ５
林
业
科
学
Ｖ０ １ ． ５３． Ｎｏ ． ４ Ａｐ ｒ ．， ２ ０ １ ７
Ｓ ＣＩ ＥＮＴＩ Ａ
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： 【 Ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ 】Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｎ ｅ ｃ ｋ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｒ ｍ ａ ｄ ｅ ｏ ｆ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｎ ｗ ｏ ｏ ｄ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ
ＳＩ ＬＶＡＥ
Ｓ Ｉ ＮＩ 夹 板 的力 学 性 能 及 有 限元 分 析
张 杨 马 岩
（ 东 北 林 业 大学 林 业 与 木 工 机 械 工 程 技 术 中心 哈 尔 滨 １ ５ ０ ０ ４ ０ ）
摘
要： 【 目的 】研究微米木纤维 医用 颈椎 夹板的力学性能 ， 模 拟颈椎 夹板受到外 力时 的力 学数值 ， 分析其 是否
Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｙａ ｎ ｇ Ｍａ Ｙａ ｎ
（ Ｆ ｏ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｗ ｏ ｏ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ，Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ４ ０ ）
和冲击 性能的模 拟 ， 并对其模拟结果 进行 分析。【 结果 】微 米木纤维颈锥夹板沿上颈 长度对应 曲面 由内向外压缩 ，
后 片 的 承载 能力 略 高 于 前 片 ； 沿 侧 曲 面 由外 向 内 压 缩 的 抗 压 能 力 高 于 沿 上 颈 长 度 对 应 曲面 由 内 向 外 压 缩 的 抗 压 能
ｓ ｔ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｃ ｋ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｒ ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｂ ｙ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ，ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ｔ ｏ