有限元方法在胸腰椎損傷中的應(yīng)用

張敏，仇永貴，邵煜，顧曉峰，曾銘偉

（1.南通大學附屬醫(yī)院，江蘇南通 226001；2.司法部司法鑒定科學技術(shù)研究所上海市法醫(yī)學重點實驗室，上海 200063）

有限元方法在胸腰椎損傷中的應(yīng)用

張敏1，仇永貴1，邵煜2，顧曉峰1，曾銘偉1

（1.南通大學附屬醫(yī)院，江蘇南通 226001；2.司法部司法鑒定科學技術(shù)研究所上海市法醫(yī)學重點實驗室，上海 200063）

有限元方法是一種應(yīng)用現(xiàn)代計算機技術(shù)計算應(yīng)力分析的方法，已逐漸被應(yīng)用于生物力學領(lǐng)域仿真人體結(jié)構(gòu)力學功能的研究，尤其在胸腰椎損傷研究中較為廣泛和深入。本文綜述了胸腰椎有限元模型的建立、模型的驗證以及胸腰椎有限元模型在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討有限元建模在法醫(yī)學胸腰椎損傷中的應(yīng)用前景及價值。

法醫(yī)病理學；有限元分析；綜述[文獻類型]；創(chuàng)傷和損傷；胸椎；腰椎

有限元方法（finite element method，F(xiàn)EM）是50年代首先在連續(xù)體力學領(lǐng)域——飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法[1]，是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。其基本原理是將一個由無限個質(zhì)點構(gòu)成并且有無限個自由度的連續(xù)體劃分成有限個小單元體所組成的集合體。單元與單元之間通過節(jié)點互相連接，并通過單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等描述變形的形態(tài)。由于有限元能用不同形態(tài)、不同大小和不同類型的單元任意裁割，能模擬不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，目前已逐漸應(yīng)用于生物工程學、材料力學、臨床醫(yī)學、體育運動學以及航空動力學等領(lǐng)域的研究。FEM目前在法醫(yī)學領(lǐng)域報道較少，但其近幾年來在醫(yī)學領(lǐng)域胸腰椎損傷方面的應(yīng)用，將為胸腰椎損傷法醫(yī)學的研究及鑒定提供新思路。

1 胸腰椎有限元模型的建立及其驗證

1.1 胸腰椎有限元模型的建立

胸腰椎骨折是法醫(yī)學鑒定中的常見損傷，胸腰椎作為人體脊柱重要的組成部分，在維持正常的生理形態(tài)、人體姿勢變換及荷載力量等發(fā)面，發(fā)生不同生物力學變化。因此，對其損傷機制的研究成為法醫(yī)工作者迫切需要解決的問題。

脊柱有限元模型最早提出于航空醫(yī)學及結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，主要用于評價基座彈射沖擊力如前方或側(cè)方?jīng)_擊力對飛行員的影響、結(jié)構(gòu)分析的矩陣方法研究等[1]。自從1974年Belytschko等[2]在脊柱研究領(lǐng)域內(nèi)提出FEM的應(yīng)用后，有限元在脊柱生物力學的研究方面方興未艾。為了更好地模擬脊柱運動的生理情況，Liu 等[3]于1975年提出了三維有限元模型，但不足的是，他們將髓核與纖維環(huán)作為同一標準來考慮，未能區(qū)分出髓核和纖維環(huán)在脊柱解剖組成上的區(qū)別。隨著脊柱有限元研究的進一步深入，Lin等[4]在上述基礎(chǔ)上將纖維環(huán)和髓核賦予不同的材料常數(shù)，但對其附件未進行詳細分析。鑒于此，1976年，Hakim等[5]建立了腰椎有限元三維模型并計入了后部結(jié)構(gòu)，包括棘上韌帶和棘間韌帶等，研究關(guān)節(jié)突在軸向加載運動中的傳遞作用。Goel等[6]基于CT圖像構(gòu)建腰椎有限元模型，突破了傳統(tǒng)的脊柱組成結(jié)構(gòu)研究，從有限元分析中選取單元模式，賦予不同的材料常數(shù)建立模型，以便于分析當腰椎前屈、后伸和扭轉(zhuǎn)時的椎體應(yīng)力，使有限元的分析更為精細。2006年，Rohlmann等[7]在前人研究的基礎(chǔ)上加上肌肉有限元模型模擬人體運動的有效性，使得有限元模型更為詳細具體。

1.2 胸腰椎有限元模型的驗證

胸腰椎有限元模型的驗證是指對該段有限元模型的檢驗及不同應(yīng)力作用于胸腰椎有限元的分析研究。研究初始對于胸腰椎有限元模型的驗證多集中在正常人脊柱活動時的受力分析[2]。隨后，Hakim等[5]通過建立椎體有限元對脊柱椎體應(yīng)力進行分析，研究表明，椎體承受壓縮載荷時，以椎體前方或前下方、終板、椎弓根等產(chǎn)生應(yīng)力。Goel等[6]通過動物脊柱腰段應(yīng)力分布實驗驗證動物脊柱模擬人類脊柱的可靠性，研究表明，動物脊柱模型能很好地模擬人類脊柱在應(yīng)力方面的改變，但由于無法完全模擬人體體內(nèi)環(huán)境，且鑒于不同屬性的材料賦值并不完全相同，其結(jié)果尚存在一定誤差。Robin等[8]在前人研究的基礎(chǔ)上通過椎間盤尺寸因素對受力變化的影響進行了椎間盤有限元分析，認為扭轉(zhuǎn)力在各種外來作用力中，對椎間盤的應(yīng)力影響相對較其他外來作用力小。Voo等[9]通過對椎小關(guān)節(jié)的切除進行無椎小關(guān)節(jié)受力情況下脊柱段有限元應(yīng)力分析，結(jié)果表明，切除部分椎小關(guān)節(jié)后，除了會增加椎間盤內(nèi)壓力以外，還容易引起椎體節(jié)段的不穩(wěn)定從而發(fā)生椎體移位。關(guān)海山等[10]通過肌肉生物力學運動方式及肌肉力的作用對腰椎周圍的肌肉進行有限元分析，結(jié)果表明，豎脊肌力、椎間盤壓力隨胸腰椎曲度角度增大而增大，節(jié)段間局部肌肉力可以相應(yīng)減小豎脊肌力，但會使椎間盤壓力增高，如果忽略所有肌肉力的作用，椎間盤壓力會發(fā)生顯著變化。2009年，聶文忠[11]首次提出“中國力學虛擬人”，利用該模型數(shù)據(jù)庫平臺對腰段人工椎間盤進行生物力學評價，對人工椎間盤的運動屬性和力學性能進行了驗證。通過一系列驗證，證明有限元模型不僅能模擬正常人、傷者、脊柱發(fā)育變異者胸腰椎外形，還能模擬胸腰椎的各種運動和應(yīng)力方式，從而計算出胸腰椎各個結(jié)構(gòu)受力情況，包括椎體、椎間盤、椎小關(guān)節(jié)、韌帶肌肉等諸多結(jié)構(gòu)。

2 胸腰椎有限元模型的分析應(yīng)用

2.1 胸腰椎椎體骨折的有限元分析

來自橫向或者縱向的暴力、間接作用力均有可能引起胸腰椎椎體的骨折[12-13]，胸腰椎椎體骨折后表現(xiàn)為局部劇烈的疼痛及損傷部位的壓痛，如伴有神經(jīng)損傷還往往表現(xiàn)為雙下肢感覺麻木、無力，甚至雙下肢感覺功能等完全喪失。Imai等[12]提出通過有限元分析可更加充分地了解椎體骨折的應(yīng)力機制，在不同的應(yīng)力機制下，椎體的不同部位容易發(fā)生骨折的概率有所不同。Zeng等[13]提出，通過建立椎體六面體網(wǎng)格模型及非線性有限元模型可以進一步促進分析胸腰椎爆裂性骨折的損傷機制，胸腰椎易發(fā)生爆裂性骨折是由于胸腰段椎體特殊的微結(jié)構(gòu)和特殊的應(yīng)力集中所致。Yan等[14]提出，當胸腰椎節(jié)段遭受機械性壓力時，椎體腹側(cè)比背側(cè)更容易發(fā)生骨折。Zysset等[15]提出有限元方法在預(yù)測骨骼強度方面表現(xiàn)出最低的錯誤和最高的相關(guān)性，尤其在椎體壓縮性骨折的受力機制及損傷機制方面得出的數(shù)據(jù)較為可靠。

2.2 腰椎椎體滑脫的有限元分析

腰椎滑脫可以是先天性腰椎發(fā)育不良[16]，也可以是后天性獲得[17]。后天性腰椎滑脫主要是因各種機械性應(yīng)力引起，如外傷、劇烈運動等。50歲以后由于腰椎的退行性改變，也常容易誘發(fā)腰椎滑脫。Jebaseelan 等[18]提出腰椎三維有限元模型可以通過矢狀面和冠狀彎曲響應(yīng)分析應(yīng)用于青少年不良習慣引起的腰椎滑脫的研究，從應(yīng)力機制方面驗證青少年可以克服不良習慣避免腰椎滑脫。Terai等[16]通過生物力學原理對小兒椎體滑脫的應(yīng)力機制進行研究，表明當機械應(yīng)力增加在腰椎前角上時，小兒椎體滑脫更容易發(fā)生。Miao等[17]通過生物力學原理對成年人椎體退變引起的椎體滑脫應(yīng)力機制進行研究，表明成年人椎體退變引起的滑脫的機械應(yīng)力亦增加在腰椎前角上。

2.3 胸腰椎椎體骨質(zhì)疏松的有限元分析

在骨質(zhì)疏松癥方面，Imai等[19]提出通過有限元分析可以研究骨質(zhì)疏松對老年婦女腰椎應(yīng)力的影響，骨質(zhì)疏松后，由于骨折小梁比例的增加，椎體骨折部位易集中于小梁中心區(qū)域，而椎間盤退變后，椎體周圍成為高應(yīng)變區(qū)，尤以椎體前緣較為顯著。McDonald等[20]通過開發(fā)多尺度有限元模型，證實骨質(zhì)疏松性腰椎椎體壓縮骨折的力學機制集中于全椎體和內(nèi)部核心骨小梁。Kopperdahl等[21]通過不同年齡相關(guān)性骨質(zhì)疏松椎體的抗壓強度和剛度研究，表明骨質(zhì)疏松癥患者應(yīng)該謹慎骨折風險，在骨質(zhì)疏松癥患者的脊柱及髖部損傷中骨折發(fā)生率尤其較高，如骨質(zhì)疏松癥患者容易發(fā)生腰椎及股骨頸部位的骨折等。

2.4 胸腰椎有限元模型在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

Wagnac等[22]通過胸腰椎有限元模型研究航天員在特殊大氣環(huán)境下脊柱的運動、應(yīng)力情況等，提出有限元模型在航天員活動中的應(yīng)用價值。鮑春雨等[23]提出，通過建立腰椎節(jié)段三維有限元模型以預(yù)防運動員在劇烈運動過程中的腰椎損傷，且近年來，有限元胸腰椎模型研究已在體育運動領(lǐng)域逐漸開展。另外，如將有限元模型應(yīng)用于胸腰椎段材料力學的研究與應(yīng)用，并利用有限元模型結(jié)合材料力學，為生物力學、醫(yī)學等領(lǐng)域服務(wù)[11]，有限元分析逐漸成為諸多科學領(lǐng)域的研究熱點。

3 在胸腰椎損傷應(yīng)用中的優(yōu)勢與缺陷

3.1 胸腰椎有限元方法的優(yōu)勢

脊柱的生物力學研究方法包括電測、全息照相、光彈等，但以上幾種方法難以獲得胸腰椎的整體信息[24]。有限元模型基于腰椎結(jié)構(gòu)形狀、材料特性以及承載荷力等方面的復(fù)雜特征，最明顯的優(yōu)勢在于其可以從各方面反映椎體及其附屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，這使得有限元從一開始投入于醫(yī)學生物力學的研究便取得巨大的進步和發(fā)展。除此以外，其模擬性能很好地代替原始生物力學實驗，仿真模擬與動物、人體實驗相比，更方便控制實驗條件，且避免了醫(yī)學倫理學問題及對電磁輻射、機械外力等對人體的傷害性[10，24]。

3.2 胸腰椎有限元方法存在的缺陷

隨著對胸腰椎有限元分析方法的研究，其存在的一些缺陷也逐漸暴露。如模型的構(gòu)建方面，不同模型間模型外形和材質(zhì)的定義不同和負荷加載均有所不同等。在仿真方面，由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)與人體實際仍存在一定差異，在模擬椎間盤、韌帶、軟骨終板等生物組織結(jié)構(gòu)時其生理特征與真實人體胸腰椎仍然會表現(xiàn)出一定區(qū)別。從應(yīng)力方面來說，大多數(shù)應(yīng)力分布估計在骨表面的研究水平，對骨內(nèi)部的應(yīng)力水平無法得到優(yōu)于表面的精確估算。在實驗的誤差方面，計算機的計時、人工劃分單元及節(jié)點的選擇等因素對有限元分析結(jié)果也存在一定的影響[7，22]。

4 在法醫(yī)學胸腰椎損傷中的應(yīng)用展望

現(xiàn)階段將有限元分析應(yīng)用于法醫(yī)損傷學研究及鑒定實踐的報道相對較少。李正東等[25]于2010年提出人體骨盆有限元模型的建立及其在法醫(yī)學鑒定中的應(yīng)用價值，邵煜等[26]隨后提出有限元分析可以應(yīng)用于法醫(yī)學顱腦損傷分析?；贔EM研究的相對成熟性，有限元分析具有虛擬性、非傷害性、可重復(fù)試驗性及其在生物醫(yī)學領(lǐng)域日趨發(fā)展的重要性，可以嘗試運用CT、MRI等掃描及分析軟件在法醫(yī)學胸腰椎損傷中對致傷方式、骨折形態(tài)及傷病關(guān)系等問題進行研究，盡量克服上文所提到的缺陷，以解決法醫(yī)學胸腰椎損傷鑒定中的一些難題。

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（本文編輯：王亞輝）

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（收稿日期：2014-11-25）

（本文編輯：劉寧國）

Application of Finite Element Method in Thoracolumbar Spine Traumatology

ZHANG Min1,QIU Yong-gui1,SHAO Yu2,GU Xiao-feng1,ZENG Ming-wei1
（1.Affliated Hospital of Nantong University,Nantong 226001,China;2.Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine,Institute of Forensic Science,Ministry of Justice,P.R.China,Shanghai 200063,China）

The finite element method（FEM）is a mathematical technique using modern computer technology for stress analysis,and has been gradually used in simulating human body structures in the biomechanical field,especially more widely used in the research of thoracolumbar spine traumatology. This paper reviews the establishment of the thoracolumbar spine FEM,the verification of the FEM,and the thoracolumbar spine FEM research status in different fields,and discusses its prospects and values in forensic thoracolumbar traumatology.

forensic pathology;finite element analysis;review[publication type];wounds and injuries; thoracic vertebrae;lumbar vertebrae

DF795.1

A

10.3969/j.issn.1004-5619.2015.02.014

1004-5619（2015）02-0132-03

2013-05-28）

南通市科技計劃項目（HS2013045）

張敏（1987—），女，江蘇南通人，碩士，主要從事法醫(yī)臨床學研究及鑒定；E-mail：zhangmin-happy＠163.com

仇永貴，男，研究員，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事法醫(yī)臨床學研究及衛(wèi)生法學研究；E-mail：nantongqiuyg＠126.com