提物后伸狀態(tài)下L3～L4椎間盤(pán)載荷的在體研究

提物后伸狀態(tài)下L3～L4椎間盤(pán)載荷的在體研究

掌握人體腰椎椎體在體負(fù)荷的相關(guān)知識(shí)，對(duì)于理解腰椎功能、改善腰椎手術(shù)治療效果非常重要。諸多研究采用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬方法來(lái)研究在體椎間盤(pán)的載荷狀態(tài)，但無(wú)創(chuàng)性測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)仍然是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)。本研究旨在通過(guò)有限元方法研究在體椎間盤(pán)在提物后伸狀態(tài)下的負(fù)荷情況。

首先構(gòu)建3名健康無(wú)癥狀男性受試者的腰椎MRI三維重建模型，建立包括前后、左右、遠(yuǎn)近軸在內(nèi)的空間坐標(biāo)系。每一名受試者雙臂水平伸展，手持重物，右手負(fù)重8 lbs、左手7 lbs，模擬功能性日?；顒?dòng)，上身活動(dòng)范圍由前傾45°到過(guò)伸20°，這一過(guò)程中臂和肩膀幾乎不運(yùn)動(dòng)（圖1）。采用脈沖為8 ms、幀頻為30幀/s的雙熒光透視圖像系統(tǒng)（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）捕獲沿運(yùn)動(dòng)軌跡的腰椎圖片，獲得動(dòng)態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)，MRI三維重建椎體模型亦被導(dǎo)入虛擬DFIS，匹配注冊(cè)后在虛擬攝影機(jī)下重現(xiàn)腰椎的三維運(yùn)動(dòng)。測(cè)量虛擬環(huán)境下三維重建模型6個(gè)自由度（圖2）的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，檢測(cè)椎間盤(pán)每個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段單元上終板與下終板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，選擇沿運(yùn)動(dòng)軌跡的3個(gè)位置（20°前傾位、直立位、20°過(guò)伸位）進(jìn)行L3～L4椎間盤(pán)有限元分析。

結(jié)果提示，3名受試對(duì)象屈曲位前剪切移位最大（0.5～2.2 cm），直立位L3～L4椎間盤(pán)受到最大的壓縮（1.4～1.7 mm）。直立位L3～L4椎間盤(pán)內(nèi)壓力最大，平均1.4 MPa（1.0～1.6 MPa）；前傾20°時(shí)壓力最小，平均0.6 MPa（0.4～0.8 MPa）。在脊柱節(jié)段受力與力矩方面，直立位椎間盤(pán)受到最大的壓縮力(1 544 N)，前傾位與過(guò)伸位分別為518、672 N；前傾位時(shí)獲得最大的前后剪切力（233 N），直立位與過(guò)伸位最大前后剪切力分別為70、119 N；前傾位力矩最小（—1.0 Nm），直立位與過(guò)伸位相似，分別為—4.2、—4.1 Nm。

研究結(jié)果表明，在提物后伸狀態(tài)下，身體前傾位時(shí)椎間盤(pán)承受更高的剪切力，而直立位時(shí)則受到更強(qiáng)的壓縮負(fù)荷。沿著從前傾到過(guò)伸的運(yùn)動(dòng)路徑，連續(xù)運(yùn)動(dòng)使椎間盤(pán)所承受的負(fù)荷加大。

（摘自Wang SB,Park WM,Kim YH,et al.In vivo loads in the lumbar L3-4 disc during a weight lifting extension.Clin Biomech,2014,29:155-160.http://dx.doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2013.11.018.黃文漢譯，夏虹審校）

圖1 受試者握持15英鎊狀態(tài)下3個(gè)位置的腰椎三維重建模型 1A前傾位 1B直立位 1C過(guò)伸位圖2腰椎及椎間盤(pán)6自由度