人體脊柱胸腰段在跌倒沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)特性研究

徐仁峰　何劍穎

摘要：目的 研究人體脊柱胸腰段在跌到?jīng)_擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)特性。方法 選取中國(guó)力學(xué)虛擬人數(shù)據(jù)9000張集切片進(jìn)行研究。將研究對(duì)象分為觀察組與對(duì)照組，觀察組應(yīng)用脊柱護(hù)具，而對(duì)照組未使用脊柱護(hù)具。通過(guò)建立胸腰段與脊柱護(hù)具模型，觀察脊柱護(hù)具在減輕胸腰段有害應(yīng)力方面的作用。結(jié)果 觀察組胸腰椎體所受應(yīng)力明顯低于對(duì)照組，差異顯著（P<0.05）；同時(shí)，胸腰椎體所受應(yīng)力多集中于L2段。結(jié)論 脊柱護(hù)具可有效分散、減輕人體脊柱胸腰段在跌倒沖擊載荷下的應(yīng)力，起到顯著的保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：人體脊柱；跌到?jīng)_擊載荷；力學(xué)響應(yīng)特性

胸腰段是人體脊柱易發(fā)生骨折部位之一，約有79.5%的脊柱損傷為胸腰段骨折，且多由高處墜落所致。由于該處損傷機(jī)制十分復(fù)雜，治療費(fèi)用昂貴，嚴(yán)重增加了患者家庭及社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。人體胸腰段有限元研究的主要方向?yàn)樵u(píng)價(jià)手術(shù)內(nèi)固定與構(gòu)建脊柱骨折模型，而關(guān)于脊柱保護(hù)器的研究集中于矯形治療脊柱側(cè)彎的領(lǐng)域。目前，臨床對(duì)脊柱保護(hù)器的正確運(yùn)用仍缺乏相應(yīng)有的有限元研究[2]。本研究通過(guò)建立脊柱胸腰段模型，設(shè)計(jì)并建立脊柱保護(hù)器及三維模型，根據(jù)生物力學(xué)原理分析人體脊柱骨折機(jī)制，探討保護(hù)人體胸腰段的有效途徑?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1資料與方法

1.1一般資料 選取中國(guó)力學(xué)虛擬人數(shù)據(jù)集切片，共9000張圖片，格式為冷凍切片。給予三維有限元分析，觀察單一樣本。

1.2方法 ①建立胸腰段三維模型：經(jīng)中國(guó)力學(xué)虛擬人數(shù)據(jù)庫(kù)提取軟組織、骨等輪廓曲線，通過(guò)軟件構(gòu)建人體軀干模型，包括簡(jiǎn)化的軀干輪廓軟組織，骨盆、肋骨、骶骨、脊柱等輪廓曲線，軟組織應(yīng)用Mooney-Rivlin超彈性材料，應(yīng)用Hypermesh軟件將幾何面模型劃分成網(wǎng)格，建立人體軀干三維仿真模型，截取T11～L12節(jié)段模型為觀察對(duì)象。應(yīng)用四面體單元?jiǎng)澐帜Ｐ椭熊浗M織與松質(zhì)骨，三角形殼單元?jiǎng)澐制べ|(zhì)骨。②建立脊柱護(hù)具模型：運(yùn)用Hypermesh軟件構(gòu)建脊柱保護(hù)器模型，其形狀貼合腰背部、胸腹部與雙側(cè)肩部輪廓，下緣與骶尾部水平持平。選用1 cm厚海綿材料與厚度為3 mm的聚乙烯硬性材料，要求具有韌性。為固定脊柱保護(hù)器，模擬束縛帶，分別于腰部與肩關(guān)節(jié)前面兩側(cè)施以60N與80N的預(yù)緊力。③邊界條件與加載：對(duì)照組胸腰段模型未使用脊柱保護(hù)器，而觀察組應(yīng)用脊柱保護(hù)器。兩組模型均模仿真人體自高處墜落時(shí)坐骨著地情形，重力加速度設(shè)為9.8 m/s2，人體落地瞬間速度設(shè)為2 m/s，地面與模型之間摩擦系數(shù)為0.5。④采樣等效應(yīng)力單元：將胸腰椎橫斷面分為4個(gè)區(qū)，為中柱中心、前柱中心、后柱左右側(cè)中心。取4個(gè)區(qū)域等效應(yīng)力并計(jì)算平均值，予以分析。

1.3觀察指標(biāo) 對(duì)兩組模型目標(biāo)單元等效應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行賦值、加載、運(yùn)算。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件處理數(shù)據(jù)，采用Bartlett方差齊性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蠺11～L12椎體所受應(yīng)力，P>0.1為滿足方差齊性；采用樣本t檢驗(yàn)，P<0.05為差異顯著。

2結(jié)果

2.1胸腰椎體所受應(yīng)力變化情況 觀察組各椎體受力較對(duì)照組均勻平緩，且各椎體所受應(yīng)力較對(duì)照組均呈不同程度的下降，其中T11椎體降幅最小，T12椎體降幅最大。應(yīng)用脊柱保護(hù)器后總體上減輕了胸腰段椎體所受應(yīng)力。兩組模型應(yīng)力峰值最大的椎體均為L(zhǎng)2，見(jiàn)表1。

2.2成對(duì)樣本分析 配對(duì)t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，T12段與L2段P分別為0.21、0.13，均P<0.05，故應(yīng)用脊柱保護(hù)器差異顯著；而T11段與L1段P值分別為0.928、0.312，均P>0.05，故此處應(yīng)用脊柱保護(hù)器無(wú)顯著差異，見(jiàn)表2。

3 討論

胸腰段位于活動(dòng)的腰椎與固定的胸椎之間，包括T11、T12、L1、L2四個(gè)節(jié)段。胸椎與腰椎之間關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)排列在解剖結(jié)構(gòu)上由冠狀位轉(zhuǎn)化為矢狀位，椎體受外力作用時(shí)其剛度迅速增加[3-4]。脊柱承受軀干與上肢垂直載荷后即刻傳至胸腰段生理彎曲，再經(jīng)骨盆傳至雙側(cè)下肢，從而形成X形分布的應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)力高度集中的X形中點(diǎn)正是胸腰段部位。由于自上肢傳導(dǎo)的有害應(yīng)力過(guò)度集中于胸腰段，無(wú)法迅速分散至骨盆及雙下肢，故易造成胸腰段骨折[5]。

臨床研究表明[6]，正常情況下，人體重心部位是脊柱椎體前緣，依靠后部韌帶與肌肉的收縮力及椎體前方重力，形成一個(gè)力學(xué)天平，且支點(diǎn)為椎體。兩端正常條件下處于平衡狀態(tài)，但軀體受外力作用而導(dǎo)致重心前傾時(shí)，必然增加支點(diǎn)與重心之間的力臂，若需維持平衡狀態(tài)，后部韌帶與肌肉需產(chǎn)生強(qiáng)大的力量進(jìn)行對(duì)抗[7]。脊柱保護(hù)器可盡量阻止重心前移，同時(shí)可增加后部肌肉后伸力量，以最大限度的平衡脊柱力學(xué)。本研究中脊柱保護(hù)器的主要作用原理如下[8]：①脊柱保護(hù)器可通過(guò)與腰圍良好的貼合，將腰腹區(qū)覆蓋，并均勻加壓周圍組織。腹部可作為密閉水囊，起到一定的緩沖作用，從而自椎旁肌分散并吸收由脊柱傳導(dǎo)的應(yīng)力，最終減輕脊柱的應(yīng)力。②脊柱保護(hù)器通過(guò)對(duì)軀干前傾的有效抑制，促使重心后移，可起到良好的平衡作用。③脊柱保護(hù)器可跨過(guò)包圍腹部的腰圍與雙肩的肩帶，通過(guò)預(yù)緊力對(duì)軀干起到束縛的作用，進(jìn)而較好的分流應(yīng)力。本研究發(fā)現(xiàn)，兩組椎體應(yīng)力均分布于L2椎體后緣、椎板周緣、雙側(cè)上下關(guān)節(jié)突處及雙側(cè)椎弓根處，這與大多數(shù)學(xué)者關(guān)于胸腰段應(yīng)力集中部位的研究結(jié)果相似。另外，觀察組各椎體所承受的應(yīng)力較對(duì)照組明顯降低，其中T12與L2段降幅最為明顯，P均<0.05，差異顯著。而經(jīng)計(jì)算研究顯示，兩組模型最大峰值均發(fā)生于L2椎體上，此后隨著時(shí)間的推移而逐漸減小。

綜上所述，基于有限元的分析結(jié)果，對(duì)比研究?jī)山M模型沖擊下載荷力學(xué)的響應(yīng)特性，運(yùn)用脊柱保護(hù)器可有效分散、減小脊柱胸腰段不良應(yīng)力，能夠較好的保護(hù)脊柱胸腰段，值得應(yīng)用。

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編輯/申磊