腰椎峽部裂生物力學(xué)三維有限元分析

王星，張振宇，付兆君

摘要：目的 ?建立腰椎三維有限元模型，模擬分析不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰椎峽部的應(yīng)力分布，探討腰椎峽部裂滑脫產(chǎn)生的病理基礎(chǔ)及力學(xué)機(jī)制。方法 ?選取成年男性志愿者1名，采用64排螺旋CT行腰部斷層掃描，所得圖像通過MIMICS軟件處理優(yōu)化，導(dǎo)入有限元分析軟件，建立腰椎三維有限元模型（L1～L5），分析不同姿勢下腰段脊柱椎弓峽部的受力及變形情況。結(jié)果 ?腰椎峽部在前屈、后伸位均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，后伸位更為明顯，應(yīng)力值由L1～L5向下逐漸加大。結(jié)論 ?腰椎峽部在后伸運(yùn)動(dòng)間，峽部應(yīng)力異常集中，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是產(chǎn)生后天性腰椎峽部裂及進(jìn)一步滑脫病變的重要病理基礎(chǔ)，雙側(cè)L5峽部裂在后伸位受到應(yīng)力最大，活動(dòng)度異常加大，最易產(chǎn)生滑脫病變。

關(guān)鍵詞：腰椎峽部裂;屈伸運(yùn)動(dòng);三維有限元

中圖分類號：R687.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.22.058

文章編號：1006-1959（2019）22-0166-02

Three-dimensional Finite Element Analysis of Lumbar Spondylolysis Biomechanics

WANG Xing，ZHANG Zhen-yu，F(xiàn)U Zhao-jun

（Air Force Characteristic Medical Center，Beijing 100142，China）

Abstract：Objective ?To establish a three-dimensional finite element model of lumbar spine， simulate the stress distribution of lumbar isthmus under different motion states， and explore the pathological basis and mechanical mechanism of lumbar spondylolisthesis. Methods ?One adult male volunteer was selected and 64-slice spiral CT was used for lumbar tomography. The images were optimized by MIMICS software. The finite element analysis software was introduced to establish a three-dimensional finite element model of lumbar spine （L1～L5）. The force and deformation of the spinal canal isthmus. Results ?In the lumbar isthmus， there was obvious stress concentration in the flexion and extension， and the posterior extension was more obvious. The stress value gradually increased from L1～L5. Conclusion ?During the posterior extension of the lumbar isthmus， the isthmus stress is abnormally concentrated. This state of motion is an important pathological basis for the generation of acquired lumbar spondylolysis and further spondylolisthesis. The bilateral L5 isthmus is the most stressed and active in the posterior extension. Increase， the most likely to produce slippage lesions.

Key words：Lumbar spondylolysis;Flexion and extension movement;Three-dimensional finite element

滑脫前期腰椎峽部裂（slipping prophase lumbarspondylolysis，SPLS）是指腰椎一側(cè)或兩側(cè)椎弓上下關(guān)節(jié)突之間的峽部骨質(zhì)缺損不連續(xù)，但椎體無移位滑脫現(xiàn)象[1]。調(diào)查顯示，該病多發(fā)于L4、L5節(jié)段，且多見于青年人群，是青少年腰痛的常見原因[2]。臨床多數(shù)滑脫前期腰椎峽部裂未及時(shí)得到足夠的重視，造成不可逆損害。三維有限元將復(fù)雜的整體劃分為有限個(gè)單元所組成的集合體，并用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有較好的適應(yīng)性。本研究通過對腰椎模型的峽部進(jìn)行分析，建立腰椎三維有限元模型以期對腰椎峽部裂研究分析更加嚴(yán)謹(jǐn)與完整，以期為臨床工作中峽部裂患者的功能鍛煉及早期防治提供參考，現(xiàn)報(bào)告如下。

1資料與方法

1.1一般資料 ?根據(jù)目前通用的國際標(biāo)準(zhǔn)體重及身高，選取健康青年男性志愿者1名，年齡23 歲，身高 170 cm，體重 60 kg。本研究經(jīng)過醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，研究對象知情同意，并簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1 CT斷層掃描及腰椎幾何模型的建立 ?采用西門子64排螺旋CT機(jī)，對受試者進(jìn)行腰椎CT檢查，存儲(chǔ)斷層掃描圖像數(shù)據(jù)。受試者腰椎位于掃描視野中心，保持縱軸方向不動(dòng)，CT斷層掃描范圍：L1上方 ?5 mm處至 L5下方5 mm處，掃描層距0.5 mm，作軸位、冠狀位、矢狀位掃描后，圖像數(shù)據(jù)儲(chǔ)存采用DICOM格式，導(dǎo)入三維重建軟件采用Materialise Mimics 15進(jìn)行影像三維重建，優(yōu)化并劃分三角網(wǎng)格后建立腰椎三維模型（L1～L5）。

1.2.2建立腰椎三維實(shí)體模型 ?通過CAD相關(guān)建模軟件對Mimics軟件建立的的三維幾何模型邊界數(shù)據(jù)行光滑面處理并生成三維實(shí)體模型（L1～L5椎體及相應(yīng)椎間盤的實(shí)體模型）。

1.2.3三維有限元分析模型的建立 ?建模實(shí)體導(dǎo)入HyperWorks-ANSYS，通過ANSYS劃分網(wǎng)格（節(jié)點(diǎn)、單元），建立腰椎（L1～L5）三維有限元模型（實(shí)體模型的建立、材料屬性定義、劃分節(jié)點(diǎn)和單元）。參考文獻(xiàn)中楊氏模量（Mpa）及泊松比為模型賦予相關(guān)結(jié)構(gòu)材料學(xué)參數(shù)，見表1。

1.2.4有限元模型有效性測試 ?根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選取L1～L5椎體模型，對腰椎模型加載條件及邊界條件，固定L5模型下表面不動(dòng)，在L3椎體模型表面加載預(yù)載荷45 N，加載2.0 N·M純力矩，模擬生理?xiàng)l件下對模型進(jìn)行屈曲、背伸、側(cè)屈相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，最終模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以往文獻(xiàn)中的經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比，得到相似結(jié)果，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。

1.2.5模型應(yīng)力分析應(yīng)用 ?體重壓力采用60 kg正常人體的30%，進(jìn)行5等分，以L3中心點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，加載至各腰椎椎體的相應(yīng)位置。加載方法運(yùn)用橫截面積肌力計(jì)算法，測量正常人體各肌群肌肉、韌帶的橫截面積的平均值及中心距，得出力矩結(jié)果后，換算為有限元模型上各加載節(jié)點(diǎn)的力。

1.3觀察指標(biāo) ?前屈、后伸、左右側(cè)彎工況下腰椎峽部（L1～L5）應(yīng)力值。

2結(jié)果

后伸側(cè)工況下腰椎峽部（L1～L5）應(yīng)力值均大于前屈、左右側(cè)彎工況，左側(cè)和右側(cè)彎工況下腰椎峽部（L1～L5）應(yīng)力值相接近，見表2。

3討論

腰椎小關(guān)節(jié)承擔(dān)后方的荷載，為前后伸活動(dòng)提供穩(wěn)定作用，有效保護(hù)椎間盤過度扭轉(zhuǎn)而造成的損傷，可對抗前向的剪切力，組織椎體向前滑移。腰椎峽部屬于上下關(guān)節(jié)突之間的骨性連接，是腰椎后柱的重要結(jié)構(gòu)之一，尤其在維持三關(guān)節(jié)復(fù)合體和整個(gè)腰椎的穩(wěn)定性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。腰椎承受剪切負(fù)荷時(shí)，峽部承受較大脫位應(yīng)力，如果發(fā)生峽部斷裂，椎體和椎板分離，腰椎具有向前滑移的傾 ? 向[3]。長期、反復(fù)屈伸活動(dòng)會(huì)引起峽部巨大壓力變化，椎間活動(dòng)疲勞受損，穩(wěn)定性下降，最終會(huì)可能導(dǎo)致滑脫[4]。由于進(jìn)展過程緩慢，滑脫前期不被人們 重視。

雙側(cè)腰椎峽部裂后，腰椎前屈、后伸時(shí)峽部均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，剪力增大，腰椎峽部喪失抵抗向前剪力的作用，故在前屈、過伸過屈時(shí)通過峽部的矢狀位活動(dòng)度增加，正常生物力學(xué)傳導(dǎo)失衡，完整脊柱功能單位穩(wěn)定性下降，最終造成椎間不穩(wěn)。常規(guī)骨骼模型的表面應(yīng)該是粗糙的，這樣更接近于實(shí)際情況，但是立體模型表面粗糙不連續(xù)會(huì)影響后期的有限元網(wǎng)格劃分。本研究通過CAD相關(guān)建模軟件對Mimics軟件建立的的三維幾何模型 邊界數(shù)據(jù)行光滑面處理，并生成三維實(shí)體模型進(jìn)行三維有限元分析。結(jié)果顯示，腰椎過伸時(shí)，主要受力情況發(fā)生在后部，椎弓峽部所受的剪力最大，各截段受力情況為L1～L5向下逐漸增加，且相應(yīng)的椎間 ?隙位移改變導(dǎo)致椎間盤體積相對增大，受力呈現(xiàn)不均勻分布。腰椎椎弓峽部裂是在解剖結(jié)構(gòu)薄 弱的基礎(chǔ)上，受到后伸負(fù)荷過多，導(dǎo)致峽部骨質(zhì)損傷，從而發(fā)生骨折。在腰椎峽部裂患者中，雙側(cè)L5峽部裂在滑脫前期后伸位時(shí)，活動(dòng)度異常加大，最易產(chǎn)生滑脫病變，與張文志等[5]研究結(jié)果基本相符。目前，臨床對于雙側(cè)滑脫前期腰椎峽部裂大多采 用保守治療，但癥狀反復(fù)發(fā)作，遷延不愈，不穩(wěn)定性因素長期存在，導(dǎo)致峽部裂難以骨性愈合，最終出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象，并呈進(jìn)行性加重。因此，滑脫發(fā)生后，臨床需要廣泛減壓復(fù)位融合和內(nèi)固定治療，以免造成較大創(chuàng)傷，且節(jié)段間活動(dòng)度喪失，可造成不可逆損害。

綜上所述，在生物力學(xué)三維有限元的研究中，腰椎后伸時(shí)椎弓峽部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是產(chǎn)生后天性腰椎峽部裂及峽部裂滑脫的重要病理基礎(chǔ)?；撉捌谘祶{部裂患者應(yīng)避免過多腰部后伸活動(dòng)，而L5雙側(cè)峽部裂患者，腰椎滑脫風(fēng)險(xiǎn)最高，需定期復(fù)查，預(yù)防腰椎滑脫的產(chǎn)生及加重，以免造成不可逆損傷。目前對腰椎峽部裂三維有限元模型的分析逐漸受業(yè)內(nèi)重視，但目前僅是對主要承載力部分進(jìn)行分析，未來仍需要建立更加精細(xì)、準(zhǔn)確的模型，對相關(guān)加載條件準(zhǔn)確錄入，更好的跟臨床相結(jié)合并指導(dǎo)臨床。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張海龍，顧昕，賀石生，等.微創(chuàng)經(jīng)椎間孔椎體間融合術(shù)與開放手術(shù)治療腰椎滑脫癥的療效比較[J].中華骨科雜志，2011，31（10）：1088-1092.

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[5]張文志，丁英勝，段麗群，等.退變性腰椎滑脫的關(guān)巧突關(guān)巧形態(tài)學(xué)分析[J].中華骨科雜志，2015，35（8）：865-870.

收稿日期：2019-10-12;修回日期：2019-10-21

編輯/宋偉