生物腰椎間盤(pán)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)分析

徐 承， 朱啟榮， 李志煒， 魏春曉

(1. 同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092;2. 復(fù)旦大學(xué) 附屬上海市第五人民醫(yī)院，上海200240)

0 引 言

人類(lèi)的祖先依靠勤勞的勞動(dòng)，逐漸從四肢爬行進(jìn)化成雙腳行走。然而在這幾千萬(wàn)年的進(jìn)化中支撐人體骨架的主要部件脊椎仍是如此，當(dāng)腦力勞動(dòng)成為社會(huì)主要?jiǎng)趧?dòng)方式，越來(lái)越多的人花更多的時(shí)間坐在電腦前工作或娛樂(lè)，使得腰椎間盤(pán)部位承受的負(fù)擔(dān)更重，該進(jìn)化脫節(jié)的部分變得更加的不協(xié)調(diào)。越來(lái)越多的人因脊椎中最弱部件腰椎間盤(pán)突出承受著巨大的痛苦，患者占門(mén)診腰腿痛患者的15%［1-2］。

椎間盤(pán)病變有多種形式(見(jiàn)圖1):椎間盤(pán)退化、椎間盤(pán)突出、椎間盤(pán)脫出、椎間盤(pán)高度減少、椎間盤(pán)退化伴鈣化。本文研究的癥狀是椎間盤(pán)突出。

圖1 椎間盤(pán)病變形式

在對(duì)腰椎間盤(pán)突出癥的治療中，有手術(shù)治療，也有非手術(shù)治療［3-5］。手術(shù)包括微創(chuàng)手術(shù)和常規(guī)開(kāi)放手術(shù)［6-7］。原始的治療方法是通過(guò)骨科手術(shù)直接將突出的腰椎間盤(pán)抽取，加上一個(gè)人工的關(guān)節(jié)支撐，但該治療方法的成功率不高?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)腰椎間盤(pán)突出癥的治療方法有了新的突破。使用微創(chuàng)技術(shù)，可減小手術(shù)刀的尺寸，只切去壓迫到神經(jīng)元的部分。但對(duì)于手術(shù)中具體切除多少，具體切除哪些部分才不會(huì)破壞腰椎間盤(pán)整體的載重能力的問(wèn)題，完全憑借醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)理論計(jì)算量化依據(jù)。因此，腰椎間盤(pán)突出癥的微創(chuàng)治療技術(shù)［8-9］相關(guān)的力學(xué)分析就顯得極為重要。

本文研究的是運(yùn)用電阻應(yīng)變測(cè)量方法，對(duì)腰椎間盤(pán)在壓縮和扭轉(zhuǎn)作用下的受力性能實(shí)驗(yàn)，同時(shí)運(yùn)用CT片建立三維腰椎間盤(pán)有限元計(jì)算模型，通過(guò)有限元軟件分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較，為微創(chuàng)手術(shù)治療腰椎間盤(pán)突出癥提供力學(xué)分析支持，并為今后微創(chuàng)手術(shù)中的合理切除提供定量分析的理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)了腰椎間盤(pán)多屈服現(xiàn)象，為醫(yī)學(xué)用仿生材料的研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 腰椎間盤(pán)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

因人體試樣取樣的局限性，本實(shí)驗(yàn)以小牛脊柱標(biāo)本作為體外生物力學(xué)模型(見(jiàn)圖2)，小牛脊柱標(biāo)本具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)［10-12］:小牛骨頭的力學(xué)性能(包括骨頭的組織結(jié)構(gòu)，骨密度等)和人骨的力學(xué)性能相似;牛骨的兼容性好;小牛脊柱標(biāo)本的安全性好，除瘋牛病外，幾乎無(wú)其他感染等潛在的危險(xiǎn)性;不同小牛脊柱標(biāo)本之間的尺寸及相關(guān)參數(shù)的差異性不大，有較好的重復(fù)性;牛脊柱標(biāo)本的成本不高(相對(duì)于人的脊柱而言)且較易獲得。本試驗(yàn)中的小牛腰椎椎體及椎間盤(pán)大小略大于成年人。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 小牛脊柱樣本

電阻應(yīng)變測(cè)量法是將應(yīng)變片固定在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，并通過(guò)電阻應(yīng)變測(cè)量裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變儀)將電阻應(yīng)變片中的電阻值的變化測(cè)定出來(lái)，換算成應(yīng)變或輸出與應(yīng)變呈正比的模擬電信號(hào)(電壓或電流)，用記錄儀記錄下來(lái)，也可用計(jì)算機(jī)按預(yù)定的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到所需要的應(yīng)力或應(yīng)變值。

1.3 加載方式

腰椎間盤(pán)突出癥患者在受到扭轉(zhuǎn)和壓縮時(shí)，纖維環(huán)后外側(cè)最容易發(fā)生斷裂，髓核突出［13］。因此根據(jù)病理，選取“壓縮”和“扭轉(zhuǎn)”兩種工況作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)后的腰椎間盤(pán)受力性能實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括:應(yīng)變片布置、橋路連接、壓縮實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

應(yīng)變片有單片和應(yīng)變花接法(即每一點(diǎn)都貼有3片應(yīng)變片，分別為0°、45°、90°)兩種貼法。本實(shí)驗(yàn)中壓縮工況采用單片接法，扭轉(zhuǎn)工況使用應(yīng)變花接法(見(jiàn)圖3)。腰椎間盤(pán)位于脊柱內(nèi)部，后縱韌帶比前縱韌帶窄，而且腰椎段窄，所以先將脊髓后縱韌帶、黃韌帶掏空，再將應(yīng)變片和細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)相焊，將黏有應(yīng)變片的玻璃膠用工具傳送到脊柱內(nèi)部，達(dá)到指定位置后黏在腰椎間盤(pán)上。由于腰椎間盤(pán)的外部是由蛋白質(zhì)纖維構(gòu)成的環(huán)形軟組織——纖維環(huán)，表面還有薄膜和油脂，所以在腰椎間盤(pán)上貼應(yīng)變片長(zhǎng)久以來(lái)一直是脊柱生物力學(xué)的一大難點(diǎn)［14］。本文從剔除表層油脂、打磨椎間盤(pán)表面薄膜，到清洗并吹干，確保了應(yīng)變片貼片成功。

圖3 腰椎間盤(pán)應(yīng)變片

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用1/4 橋路將各應(yīng)變片連入應(yīng)變箱，并加入溫度補(bǔ)償片(見(jiàn)圖4、5 中溫度補(bǔ)償片)。壓縮試驗(yàn)在2 t 的拉伸壓縮機(jī)上以2mm/min 速度壓縮試件(見(jiàn)圖4)，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上加載扭轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖5)，分別觀察記錄試件上力和貼應(yīng)變片各點(diǎn)的形變。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

壓縮過(guò)程中，整個(gè)椎間盤(pán)的力與試驗(yàn)機(jī)壓頭下降高度、應(yīng)變與試驗(yàn)機(jī)壓頭下降高度均成階段性線(xiàn)性，會(huì)出現(xiàn)多次類(lèi)似于屈服的現(xiàn)象，即隨著高度的下降，應(yīng)力不增反減。此時(shí)會(huì)發(fā)出聲響，即椎間盤(pán)內(nèi)部在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)，從而能夠繼續(xù)受力，所以過(guò)了幾s 后，隨著高度的下降，應(yīng)力再次上升。但下一次出現(xiàn)屈服時(shí)的極限應(yīng)力會(huì)逐次下降。在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，扭矩和轉(zhuǎn)角成線(xiàn)性變化。

圖4 腰椎間盤(pán)壓縮實(shí)驗(yàn)

圖5 腰椎間盤(pán)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

圖6 壓縮試驗(yàn)力與位移

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比

由人體結(jié)構(gòu)特征可知，腰椎間盤(pán)是人體運(yùn)動(dòng)的主軸，由多個(gè)椎體、眾多肌肉和韌帶緊緊圍繞。其活動(dòng)有三維方向(前后、左右、旋轉(zhuǎn))和6 個(gè)自由度(3 個(gè)平動(dòng)、3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))。因此根據(jù)模型結(jié)構(gòu)以及椎間盤(pán)的材料特性，本文選擇了具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力的Solid45 單元為計(jì)算單元，因?yàn)槟Ｐ蜑橐?guī)則模型，采用自由網(wǎng)格劃分，綜合考慮運(yùn)算精度和運(yùn)算量，網(wǎng)格長(zhǎng)度選擇1 mm。

腰椎間盤(pán)纖維環(huán)的膠原纖維各層以45°附著于椎體邊緣，互相成90°交叉，是主要的受力部分，它的材料特性參數(shù)［12-16］見(jiàn)表1。

表1 腰椎間盤(pán)材料特性參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，椎間盤(pán)試驗(yàn)時(shí)的邊界狀態(tài)為:在椎間盤(pán)下表面施加X(jué)、Y、Z 三個(gè)方向的固定約束，即其下表面沿X、Y、Z 軸方向的位移均為零。

2.1 壓縮工況

有限元分析結(jié)果腰椎間盤(pán)在40 N 相同載荷作用下，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變值均為607 ×10－6;試驗(yàn)結(jié)果腰椎間盤(pán)在40 N 相同載荷作用下，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變讀數(shù)為2 695 ×10－6。誤差分析:腰椎間盤(pán)是一種黏彈性物質(zhì)，在椎間盤(pán)出現(xiàn)響聲之后，椎間盤(pán)內(nèi)部構(gòu)造已發(fā)生改變，彈性模量等相關(guān)數(shù)據(jù)都已發(fā)生變化。故有限元ANSYS 計(jì)算結(jié)果與椎間盤(pán)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較大。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況

有限元分析結(jié)果手術(shù)后的椎間盤(pán)在36 N·m 相同載荷作用下，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變值3 320 ×10－6;試驗(yàn)結(jié)果手術(shù)后的椎間盤(pán)在36 N·m 相同載荷作用下，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變讀數(shù)為3 559 ×10－6。誤差分析:實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與ANSYS 計(jì)算結(jié)果誤差為7%，可見(jiàn)ANSYS 的模型和網(wǎng)格劃分方式可信可行。

通過(guò)試驗(yàn)與有限元數(shù)據(jù)的對(duì)比，有限元數(shù)據(jù)在一定程度上與實(shí)驗(yàn)相互吻合的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)方法可以驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，以便在確定手術(shù)方案時(shí)進(jìn)行有限元模擬，以確定合適的手術(shù)方案，達(dá)到降低損傷和風(fēng)險(xiǎn)的目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從腰椎間盤(pán)突出癥的產(chǎn)生原因、治療手段研究的歷史和人體脊柱結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，確定了實(shí)驗(yàn)方案、加載方式、測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集分析方法，并依據(jù)試驗(yàn)，與腰椎間盤(pán)的有限元計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。

本文應(yīng)用有限元分析和實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的電測(cè)法相結(jié)合研究腰椎間盤(pán)受力情況的研究方法在牛骨中試驗(yàn)獲得成功。

此外，本文實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的壓縮過(guò)程中整個(gè)椎間盤(pán)出現(xiàn)多次類(lèi)似于屈服的現(xiàn)象，為椎間盤(pán)內(nèi)部在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)，從而能夠繼續(xù)受力，應(yīng)力將再次上升。但下一次出現(xiàn)屈服時(shí)的極限應(yīng)力會(huì)逐次下降，即“腰椎間盤(pán)多次屈服現(xiàn)象”。

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