目的验证基于临床CT的数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法在测量股骨内部变形场时的准确性,并通过DVC进一步测量股骨在跌倒情况下的内部变形,验证基于临床CT的有限元分析方法(finite element analysis,FEA)在计算股骨内部...目的验证基于临床CT的数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法在测量股骨内部变形场时的准确性,并通过DVC进一步测量股骨在跌倒情况下的内部变形,验证基于临床CT的有限元分析方法(finite element analysis,FEA)在计算股骨内部变形场的准确性。方法使用猪股骨,模拟侧向跌倒姿态,进行分步力学加载实验,同步进行多次CT成像。通过重复扫描和虚拟位移验证DVC方法的准确性。DVC以子体积作为配准两组图像的研究对象,分别设置8、12、16和20 mm的子体积进行测试。量化误差指标包括位移系统误差-平均值(mean)、位移随机误差-标准差(standard deviation,SD)、应变准确度-平均绝对误差(mean absolute error,MAER)和应变精确度-标准差误差(standard deviation of the error,SDER)。基于CT图像建立股骨有限元模型,模拟实验条件,计算股骨内部位移,与DVC测量的内部变形场对比验证。结果基于临床CT的DVC方法重复扫描位移偏差小于0.013 mm,MAER和SDER均小于200με;虚拟位移偏差小于0.098 mm,MAER为1093~1687με,SDER为604~1267με,远小于骨组织屈服应变。FEA计算的位移和DVC测量的位移之间具有较强的相关性(R^(2)≥0.76,P<0.05)。结论基于临床CT的DVC方法可以准确测量股骨内部变形场,并且基于临床CT的有限元模型可以准确计算股骨内部变形场。展开更多
目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory,CBT)和传统轨迹(traditional trajectory,TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度(range of motion,ROM)和钉棒系统受力的影响。方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎L3~S1有限元模...目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory,CBT)和传统轨迹(traditional trajectory,TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度(range of motion,ROM)和钉棒系统受力的影响。方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎L3~S1有限元模型,使用两种轨迹的螺钉钉棒系统对L4~5节段进行内固定,分别模拟人体前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种生理载荷,对比两种内固定术式对正常和骨质疏松脊柱ROM和螺钉最大等效应力的影响。结果 对于两种骨质情况,相比于未置钉的节段模型,CBT和TT手术均显著降低了固定节段(L4~5)和下腰椎整个节段(L3~S1)ROM;但是,CBT组较TT组ROM下降的幅度略小,两者在屈伸时相近,而在侧弯和轴向旋转时差别明显;此外,在正常骨质模型和骨质疏松模型中,CBT组螺钉最大等效应力均较TT组有明显增加,正常骨质模型中CBT组螺钉最大等效应力在屈伸、侧弯、轴向旋转时比TT组分别提高27%、268%、58%。但在同时采用CBT技术时,骨质疏松模型较正常骨质模型有更小的螺钉应力分布。结论 骨质疏松条件下,相比于TT技术,CBT技术可以实现较高的螺钉应力,降低正常骨质条件下的螺钉应力集中;另外,CBT技术略微增加了各节段ROM,有利于术后脊柱生理功能的恢复。侧弯和轴向旋转会产生负面的力学效果,应避免这两种生理载荷。展开更多
目的探讨废用条件引起的骨陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)结构改变对力学刺激作用下骨细胞流体动力学微环境的影响。方法首先,以轴向加载的小鼠胫骨为对象,建立“整骨-单个骨细胞LCS”多尺度模型。然后,将整骨多孔弹性...目的探讨废用条件引起的骨陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)结构改变对力学刺激作用下骨细胞流体动力学微环境的影响。方法首先,以轴向加载的小鼠胫骨为对象,建立“整骨-单个骨细胞LCS”多尺度模型。然后,将整骨多孔弹性有限元模型计算得到的压力梯度等结果作为单个骨细胞LCS模型的边界条件,以计算骨细胞周围的流速和剪切应力。最后,采用实验设计(design of experiment,DOE)方法确定LCS结构参数(陷窝体积、陷窝形状与小管直径)对LCS内骨细胞流体动力学微环境的独立及交互影响。结果当陷窝体积、陷窝形状与小管直径分别从正常变为废用条件时,流速分别增加了5.3%、39.3%和37.0%。DOE结果显示,陷窝形状与小管直径对流速和剪切应力具有显著影响(P<0.05),且贡献比为0.38∶0.62,而陷窝体积以及各参数交互作用影响不显著。结论废用条件致陷窝形状和小管直径的改变是影响力学刺激作用下LCS内骨细胞流体动力学微环境的主要因素。通过合理的运动方式有望防治太空失重等带来的废用性骨丢失。展开更多
目的本研究利用高分辨率显微磁共振成像(micro-magnetic resonance imaging,μMRI)在呈现骨微结构方面的优势和对人体无辐射的优点,结合有限元分析(finite element analysis,FEA),无创探究人体在自然站立状态下股骨近端微观力学行为,明...目的本研究利用高分辨率显微磁共振成像(micro-magnetic resonance imaging,μMRI)在呈现骨微结构方面的优势和对人体无辐射的优点,结合有限元分析(finite element analysis,FEA),无创探究人体在自然站立状态下股骨近端微观力学行为,明确股骨易骨折危险区域,为μMRI-FEA未来临床应用提供理论基础。方法采集5例年龄55~63岁女性志愿者(58.4岁±3.4岁)的股骨近端μMRI图像。将图像中骨骼和软组织分割,三维重建得到包含股骨近端皮质骨和松质骨微结构的大尺度三维有限元模型(约一千万六面体单元),赋予非均匀材料属性。模拟人体自然站立时股骨的受力,将其远端固定,在股骨头部位施加压缩载荷,进行线弹性有限元分析,得到股骨近端的应力和应变分布,并选取股骨颈和大转子部位10 mm 3松质骨感兴趣区域进行比较。结果人体自然站立姿态下,股骨颈上、下侧皮质骨分别出现拉、压应力集中现象。股骨颈松质骨感兴趣区域在上下(superior-inferior,SI)、内外(medial-lateral,ML)和前后(anterior-posterior,AP)三个方向上的正应力(σSI、σML、σAP)分别为大转子部位的13.4倍、2.2倍和1.9倍;正应变(εSI、εML、εAP)分别为大转子部位的7.4倍、5.0倍和4.0倍。结论自然站立时股骨颈皮质骨和松质骨所受应力和应变较大,提示股骨颈是易发生骨折的高危区域,与临床观察一致。本研究为μMRI-FEA未来应用于临床无创评估股骨骨折风险进而鉴别骨折高风险人群提供了一定的前期理论支撑。展开更多
目的:通过Meta分析系统评价皮质骨轨迹(cortical bone trajectory,CBT)螺钉与传统椎弓根螺钉(pedicle screw,PS)固定对短节段腰椎融合术患者临床疗效的影响,为脊柱外科医生选择相应的内固定方式提供理论参考。方法:检索PubMed、Scopus、...目的:通过Meta分析系统评价皮质骨轨迹(cortical bone trajectory,CBT)螺钉与传统椎弓根螺钉(pedicle screw,PS)固定对短节段腰椎融合术患者临床疗效的影响,为脊柱外科医生选择相应的内固定方式提供理论参考。方法:检索PubMed、Scopus、Web of Science、EI和知网数据库自建库至2022年7月1日发表的对比CBT螺钉(CBT组)和PS(PS组)固定对腰椎椎间融合术疗效影响的文献,提取椎间融合率、手术并发症发生率、术后邻近节段退变(adjacent segment degeneration,ASD)发生率、术中失血量、手术时间、平均住院时间、背部疼痛视觉模拟评分(visual analog scale,VAS)、Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability index,ODI)和日本骨科协会(Japanese Orthopaedic Association,JOA)评分等指标,采用RevMan 5.3进行Meta分析。随机对照试验采用Cochrane风险偏倚评估标准,队列分析采用Newcastle-Ottawa Scale(NOS)风险偏倚评估标准对纳入文献质量进行评估。结果:共纳入15篇文献,其中3篇为随机对照试验,12篇为队列研究,文献质量评估结果显示纳入文献质量较高。通过Meta分析得出,与PS固定相比,CBT组手术并发症发生率[RR=0.49,95%CI(0.34,0.70),P<0.05]、术后ASD发生率[RR=0.33,95%CI(0.16,0.65),P<0.05]更低;术中出血量[SMD=-0.81,95%CI(-0.98,-0.63),P<0.05]更少;手术时间[SMD=-0.49,95%CI(-0.67,-0.30),P<0.05]及平均住院时间[SMD=-0.60,95%CI(-0.81,-0.38),P<0.05]更短;JOA评分[SMD=0.23,95%CI(0.02,0.43),P<0.05]更高;而两者在椎间融合率、背部疼痛VAS评分和ODI方面无统计学差异。结论:与应用PS固定相比,在短节段腰椎固定融合术中应用CBT螺钉固定的手术并发症发生率、术后ASD发生率较低,手术时间、住院时间较短,术中出血量较少,JOA评分较高。展开更多
文摘目的验证基于临床CT的数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法在测量股骨内部变形场时的准确性,并通过DVC进一步测量股骨在跌倒情况下的内部变形,验证基于临床CT的有限元分析方法(finite element analysis,FEA)在计算股骨内部变形场的准确性。方法使用猪股骨,模拟侧向跌倒姿态,进行分步力学加载实验,同步进行多次CT成像。通过重复扫描和虚拟位移验证DVC方法的准确性。DVC以子体积作为配准两组图像的研究对象,分别设置8、12、16和20 mm的子体积进行测试。量化误差指标包括位移系统误差-平均值(mean)、位移随机误差-标准差(standard deviation,SD)、应变准确度-平均绝对误差(mean absolute error,MAER)和应变精确度-标准差误差(standard deviation of the error,SDER)。基于CT图像建立股骨有限元模型,模拟实验条件,计算股骨内部位移,与DVC测量的内部变形场对比验证。结果基于临床CT的DVC方法重复扫描位移偏差小于0.013 mm,MAER和SDER均小于200με;虚拟位移偏差小于0.098 mm,MAER为1093~1687με,SDER为604~1267με,远小于骨组织屈服应变。FEA计算的位移和DVC测量的位移之间具有较强的相关性(R^(2)≥0.76,P<0.05)。结论基于临床CT的DVC方法可以准确测量股骨内部变形场,并且基于临床CT的有限元模型可以准确计算股骨内部变形场。
文摘目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory,CBT)和传统轨迹(traditional trajectory,TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度(range of motion,ROM)和钉棒系统受力的影响。方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎L3~S1有限元模型,使用两种轨迹的螺钉钉棒系统对L4~5节段进行内固定,分别模拟人体前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种生理载荷,对比两种内固定术式对正常和骨质疏松脊柱ROM和螺钉最大等效应力的影响。结果 对于两种骨质情况,相比于未置钉的节段模型,CBT和TT手术均显著降低了固定节段(L4~5)和下腰椎整个节段(L3~S1)ROM;但是,CBT组较TT组ROM下降的幅度略小,两者在屈伸时相近,而在侧弯和轴向旋转时差别明显;此外,在正常骨质模型和骨质疏松模型中,CBT组螺钉最大等效应力均较TT组有明显增加,正常骨质模型中CBT组螺钉最大等效应力在屈伸、侧弯、轴向旋转时比TT组分别提高27%、268%、58%。但在同时采用CBT技术时,骨质疏松模型较正常骨质模型有更小的螺钉应力分布。结论 骨质疏松条件下,相比于TT技术,CBT技术可以实现较高的螺钉应力,降低正常骨质条件下的螺钉应力集中;另外,CBT技术略微增加了各节段ROM,有利于术后脊柱生理功能的恢复。侧弯和轴向旋转会产生负面的力学效果,应避免这两种生理载荷。
文摘目的探讨废用条件引起的骨陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)结构改变对力学刺激作用下骨细胞流体动力学微环境的影响。方法首先,以轴向加载的小鼠胫骨为对象,建立“整骨-单个骨细胞LCS”多尺度模型。然后,将整骨多孔弹性有限元模型计算得到的压力梯度等结果作为单个骨细胞LCS模型的边界条件,以计算骨细胞周围的流速和剪切应力。最后,采用实验设计(design of experiment,DOE)方法确定LCS结构参数(陷窝体积、陷窝形状与小管直径)对LCS内骨细胞流体动力学微环境的独立及交互影响。结果当陷窝体积、陷窝形状与小管直径分别从正常变为废用条件时,流速分别增加了5.3%、39.3%和37.0%。DOE结果显示,陷窝形状与小管直径对流速和剪切应力具有显著影响(P<0.05),且贡献比为0.38∶0.62,而陷窝体积以及各参数交互作用影响不显著。结论废用条件致陷窝形状和小管直径的改变是影响力学刺激作用下LCS内骨细胞流体动力学微环境的主要因素。通过合理的运动方式有望防治太空失重等带来的废用性骨丢失。
文摘目的本研究利用高分辨率显微磁共振成像(micro-magnetic resonance imaging,μMRI)在呈现骨微结构方面的优势和对人体无辐射的优点,结合有限元分析(finite element analysis,FEA),无创探究人体在自然站立状态下股骨近端微观力学行为,明确股骨易骨折危险区域,为μMRI-FEA未来临床应用提供理论基础。方法采集5例年龄55~63岁女性志愿者(58.4岁±3.4岁)的股骨近端μMRI图像。将图像中骨骼和软组织分割,三维重建得到包含股骨近端皮质骨和松质骨微结构的大尺度三维有限元模型(约一千万六面体单元),赋予非均匀材料属性。模拟人体自然站立时股骨的受力,将其远端固定,在股骨头部位施加压缩载荷,进行线弹性有限元分析,得到股骨近端的应力和应变分布,并选取股骨颈和大转子部位10 mm 3松质骨感兴趣区域进行比较。结果人体自然站立姿态下,股骨颈上、下侧皮质骨分别出现拉、压应力集中现象。股骨颈松质骨感兴趣区域在上下(superior-inferior,SI)、内外(medial-lateral,ML)和前后(anterior-posterior,AP)三个方向上的正应力(σSI、σML、σAP)分别为大转子部位的13.4倍、2.2倍和1.9倍;正应变(εSI、εML、εAP)分别为大转子部位的7.4倍、5.0倍和4.0倍。结论自然站立时股骨颈皮质骨和松质骨所受应力和应变较大,提示股骨颈是易发生骨折的高危区域,与临床观察一致。本研究为μMRI-FEA未来应用于临床无创评估股骨骨折风险进而鉴别骨折高风险人群提供了一定的前期理论支撑。
