有限元分析法在脊柱生物力學中的研究進展*

陳 缽 秦大平,2 張曉剛 張宏偉 趙希云 王志鵬 曹盼舉 郭強強 馬 濤 權 禎

（1甘肅中醫(yī)藥大學 中醫(yī)臨床學院中醫(yī)骨傷科學，蘭州 730000；甘肅中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院2脊柱外科；3椎間盤中心，蘭州730000）

脊柱生物力學是一門以物理和機械原理研究脊柱及其附屬結構生物特性和力學規(guī)律的學科[1]。脊柱是人體的支柱，其具有復雜的結構和功能，尤其是其周圍有著重要的血管、神經(jīng)及脊髓等，人體日常活動中的某些動作如彎腰、蹲坐、搬運重物等均有可能造成其損傷而導致一些脊柱相關疾病的發(fā)生，正因脊柱復雜的結構和功能，為科研及臨床工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。而隨著人們生活方式和工作條件的轉變，這些脊柱相關疾病的發(fā)生率日趨上升。有限元分析法優(yōu)勢在于在降低風險和經(jīng)費投入的情況下，能夠模擬無法直接實施的人體力學試驗，對同一模型能夠進行可重復的研究，同時能夠通過直觀的圖形分析人體內(nèi)部結構和手術植入物的力學變化，正是因為有限元分析法的這些優(yōu)勢，研究其未來發(fā)展趨勢變得意義重大。本文總結近年來國內(nèi)外有限元分析法在脊柱生物力學中的新進展及研究現(xiàn)狀，旨在更好地了解脊柱損傷機理和未來有限元分析法的發(fā)展趨勢，為脊柱解剖結構的力學分析、脊柱相關疾病的預防及治療、臨床手術的評估和康復等提供理論參考。

一、有限元分析法簡介及原理

有限元法最先是由Courtat等1943年在航空工程中提出有限元的基本思想，1956年Turner等繼續(xù)發(fā)展了Courtat的研究，將其深入運用到了航空飛機領域[2]。1972年，Brekelmans等將有限元法應用至骨科領域[3]。自此，Belyschko等將有限元分析法應用到脊柱生物力學，并且建立了最早的脊柱有限元模型[4～6]。其原理是將復雜的彈性體分解成為有限個的單元集合體，分解后的單元集合體只通過有限個節(jié)點相互連接，這些節(jié)點只具有有限個自由度，再通過計算機控制這些單元、節(jié)點以及自由度等模擬所需的材料以探查人體情況[7]。隨著近幾十年來科技技術飛速的發(fā)展，計算機技術不斷成熟，有限元軟件的不斷改善更新，有限元模型從原來二維線性發(fā)展成為三維線性模型[8]，并且有限元模型不僅能夠模擬脊柱的骨性結構，對于脊柱周圍韌帶、肌肉等組織特性亦能有效地進行模擬[9～12]。

二、有限元分析法在頸椎結構分析中的應用

近年來，頸椎病在現(xiàn)代生活中呈現(xiàn)年輕化趨勢。要了解頸椎病的發(fā)展過程中的力學變化及臨床手術等方面情況，傳統(tǒng)的探查方式是以離體實驗及在體實驗進行，隨著科學技術的發(fā)展，各類借助計算機的生物力學模型不斷呈現(xiàn)，有限元分析法模型作為其中最常用的一種工具，從最初的二維模型發(fā)展到更為精細的網(wǎng)絡構建，再到現(xiàn)今的多節(jié)段頸椎模型，有限元的不斷發(fā)展，為研究不同情況下頸椎結構及不同臨床手術中的力學分析提供重要參考，近年來得到廣泛地推廣應用。

1.有限元分析法在頸椎牽引角度中的力學分析應用

通過有限元分析法對比正常模型在前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉6種工況下的活動度改變和各結構的應力變化，王晨曦等[13]指出在后伸、側彎和軸向旋轉狀態(tài)下，頸椎有著承受和傳導載荷的作用，人體各種正?；顒忧闆r下小關節(jié)應力集中于頸椎的中下段。正常情況下，應力水平變換于C4-C5和C5-C6之間，同時說明了頸椎C4-C6常發(fā)生小關節(jié)退變的原因。后伸牽引時，楊騰飛等[14]發(fā)現(xiàn)最大應力的位置隨牽引的角度增大而下移，特別是在C5-C7節(jié)段時的受力，這闡明了在對頸椎進行后伸牽引時，應多注意頸部肌肉對椎體與椎間盤以及鉤椎關節(jié)應力、位移增加的促進作用。在牽引角度方面，可將0°～20°的牽引角度作為頸椎牽引時相對安全的角度范圍，臨床工作中應盡量將角度在控制在此。另外，后伸牽引時，針對椎基底動脈供血不足及椎間隙后部過小致椎體不穩(wěn)病人，應注意角度不宜過大。對此結論，麻國堯等[15]認為當牽引角度為前屈 0°～15°時，有利于減輕神經(jīng)根的刺激和椎間盤的壓力。并且指出小于10°后伸位牽引，減輕了局部的應力集中情況，在一定程度上增加了椎間隙，單純椎間盤膨出的病人，可以適當應用 0°～10°的后伸位牽引，使C5-C7髓核前移之勢明顯，且對頸椎曲度有明顯改善，故適宜曲度變直且單純頸椎間盤膨出的早期病人。另外，楊常銳等[16]發(fā)現(xiàn)在后伸和側彎振型，正常C2-C7頸椎的模型中出現(xiàn)約為12 Hz的最低固有頻率。出現(xiàn)大位移的位置在寰椎齒凸。有約束模型的固有頻率要高于無約束模型的固有頻率，其摩擦系數(shù)的不同對于固有頻率無影響。在對頸椎護理和治療中，應遠離12 Hz環(huán)境，避免產(chǎn)生共振損傷脊椎。

2.有限元分析法在頸椎臨床手術中的應用

沈彥等[17]發(fā)現(xiàn)各個工況下，尤其是旋轉活動，骨折模型部分節(jié)段活動度對比正常模型增大，植入內(nèi)固定后其穩(wěn)定性增加，且內(nèi)固定鋼板承受最大應力值在安全范圍，故而在治療累及椎板的頸椎棘突骨折方面手術內(nèi)固定安全有效，值得推廣。陳樹金等[18]研究發(fā)現(xiàn)在不同的工況下，尤其是在旋轉運動時，螺釘根部和連接棒與螺釘?shù)倪B接部為內(nèi)固定系統(tǒng)主要的應力集中點，并指出在臨床行寰-樞椎椎弓根螺釘內(nèi)固定時，為防止局部應力集中，術中應盡量將螺釘完全擰入骨骼，且為防止螺釘松動或斷裂，術后康復鍛煉時應避免過多的旋轉運動。李忠海等[19]模擬4種頸椎前路修復方式，在各個工況下椎間盤應力均為C2-C3大于C6-C7，并指出頸椎前路間盤切除減壓單純Cage置入融合對相鄰節(jié)段影響最小，理論上可減低鄰近節(jié)段退變的發(fā)病率，但該方法有著增加融合器沉降的風險。此外，在頸椎前路椎體次全切除融合組中，鈦板-螺釘界面的應力值最大，頸椎前路椎間盤切除融合組的應力值最小，這也說明了臨床中實施頸椎前路椎體次全切除融合術后，發(fā)生鈦板及螺釘松動、移位和斷裂等的風險亦最高，這也為臨床醫(yī)師在實施多節(jié)段頸椎病手術過程中的提供生物力學依據(jù)及減少其并發(fā)癥的策略。吳文凱等[20]指出ATPECD手術建立的破壞和不破壞終板的兩種方式的骨隧道中，破壞終板骨隧道的方式應將隧道直徑控制在椎體前緣高度1/2以內(nèi)，且應盡量避免破壞終板的中心位置。而不破壞終板骨隧道的方式應將隧道直徑控制在椎體前緣高度的2/3以內(nèi)，這為今后的臨床工作中提供了重要的參考和指導意義。

總結研究可發(fā)現(xiàn)，有限元分析法能模擬不同工況條件下的內(nèi)部應力。 但受到復雜內(nèi)部結構和材料屬性的影響， 所研究的工況是否能代表人體現(xiàn)實情況下的載荷作用，在計算機上模擬得出的結論與數(shù)據(jù)是否與現(xiàn)實工況中人體所發(fā)生的力學變化相吻合，換句話說是否能與實際臨床相符合這是一個值得商榷的問題，這還需做離體實驗或者在體實驗與之對比和驗證，但這類實驗有其局限性，如無法估計人體骨內(nèi)部應變，另外這類實驗對某些特殊工況難于模擬，這將是臨床研究的難題。

三、有限元分析法在胸腰椎結構分析中的應用

隨著社會發(fā)展造就生活方式的轉變，胸腰椎相關疾病日益遞增[21]，如腰椎間盤突出癥、骨質(zhì)疏松和椎體壓縮性骨折等，對于胸腰椎的研究重點在于其解剖結構特征、病理狀態(tài)的生物力學特性及實施不同臨床手術后胸腰椎的力學變化，有限元分析法對于這類研究有著獨特的優(yōu)勢，從而受到學者的沿用。

1.有限元分析法在胸腰段不同術式穩(wěn)定性中的力學分析

研究發(fā)現(xiàn)，大部分病人椎間盤髓核摘除術后能緩解下肢疼痛[22]。但阮朝陽等[23]得出病變的椎間盤在摘除之后會導致的應力增大，這也間接說明在正常形態(tài)結構下的髓核能更好的維持脊柱的穩(wěn)定性，其數(shù)據(jù)研究表明，環(huán)鋸直徑為5 mm、6.5 mm、7 mm的椎間孔成形后髓核摘除對椎間盤應力的變化幾乎不受影響。Kim等[24]對比完整模型，常規(guī)椎板切除術(CL)模型和脊柱后路減壓術(SPiO)模型在彎曲和扭轉作用下，L3-L4和相鄰節(jié)段的運動范圍和應力均增大，兩種減壓方法均導致術后節(jié)段性不穩(wěn)定，但SPiO模型較CL模型顯示更小的運動范圍和應力，具有更好的節(jié)段穩(wěn)定性。姜偉等[25]對比了關節(jié)突關節(jié)融合與非融合后的L4-L5椎間盤的應力位置的變化，發(fā)現(xiàn)其受力的部位由原來的后外側轉為前外側，各種運動狀態(tài)的椎間盤后方應力均有明顯減小。在臨床上，腰椎關節(jié)突關節(jié)融合術可以降低融合節(jié)段椎間盤后方應力，對防止后方纖維環(huán)的撕裂、維持椎間盤的穩(wěn)定性及保護椎間盤有著重要作用。吳曉宇等[26]通過有限元方法對比模擬傳統(tǒng)軌跡椎弓根螺釘固定(TT)與椎弓根皮質(zhì)骨軌跡螺釘固定(CBT)兩種固定方式，在靜載、前屈、后伸、側屈、旋轉狀態(tài)下分析比較釘?shù)乐車墓琴|(zhì)CT值的差異、各部件最大應力值及內(nèi)固定裝置穩(wěn)定性，結果發(fā)現(xiàn)，CBT組的穩(wěn)定性在屈伸和旋轉狀態(tài)下大于TT組，側屈時其穩(wěn)定性稍小于TT組。對比CBT和TT螺釘兩種內(nèi)固定應力分布、釘?shù)乐車琴|(zhì)分布及穩(wěn)定性，在骨質(zhì)疏松病人選取腰椎固定手術時CBT螺釘技術值得推廣。余偉波等[27]通過建立3種后路短節(jié)段內(nèi)固定的有限元模型中，在屈伸和側屈應力下，經(jīng)傷椎內(nèi)固定穩(wěn)定性較常規(guī)短節(jié)段內(nèi)固定更優(yōu)，其研究數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)傷椎雙側內(nèi)固定的上位螺釘最大應力較經(jīng)傷椎單側內(nèi)固定和常規(guī)短節(jié)段內(nèi)固定低，在前屈應力下，經(jīng)傷椎單側內(nèi)固定上位螺釘?shù)淖畲髴ν瑯拥陀诙坦?jié)段內(nèi)固定，這就說明了傷椎額外置釘能增加內(nèi)固定物穩(wěn)定性且降低螺釘最大應力繼而減少斷釘?shù)陌l(fā)生率。在添加橫連前后，有橫連組在扭轉應力下的ROM和椎弓根螺釘和棒的最大扭轉Von Mises應力較未加橫連組明顯降低，闡明橫連可改善內(nèi)固定模型扭轉穩(wěn)定性，既能提高模型的扭轉剛度，亦能降低在扭轉應力下作用下螺釘和棒斷釘?shù)陌l(fā)生率。對此，朱海明等[28]基于正常脊柱和爆裂性骨折的有限元模型，來比較不同手術方式的生物力學特點，并指出后路常規(guī)短節(jié)段固定和經(jīng)傷椎短節(jié)段固定能更好的保護傷椎，而胸腰椎爆裂性骨折椎體在傷椎短節(jié)段固定下則更穩(wěn)定，在減少病人并發(fā)癥的同時，還能繼續(xù)保留更多正常的脊柱運動單元。

2.有限元分析法在中醫(yī)手法治療中的應用

EL Ouaaid等[29]證實了脊柱的負荷、肌肉的響應及腰椎的穩(wěn)定性在L5-S1水平上的拉力高度、方向和幅度變化時的差異。所有高度的腰椎水平在基于向上拉力作用下計算出所得的脊柱載荷最小，軀干的穩(wěn)定性最大，這對于指導脊柱疾病的中醫(yī)手法治療及日常生活活動中脊柱的安全活動范圍具有參考價值。Chen等[30]建立的L4椎間盤左后方突出的有限元模型在坐位腰椎定點旋轉手法作用下， 發(fā)生向前的應力與位移，其應力與位移值退變模型小于正常模型，說明腰椎的退行性變會影響腰椎間盤突出癥的療效，秦大平[31]等在推拿手法作用下，通過有限元分析法分析退變的腰椎節(jié)段的應力特征和外力遞增過程時退變的腰椎應力的變化，對比在不同運動情況下正常的腰椎節(jié)段的應力及應變的改變趨勢。發(fā)現(xiàn)推拿手法能改善退變腰椎節(jié)段的力學環(huán)境，達到治療腰椎間盤病變的目的。

3.有限元分析法在胸腰段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折中的力學分析

Zhao等[32]建立胸腰段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折和T11-L1相鄰節(jié)段椎體的三維有限元模型，闡述經(jīng)過T12骨水泥增強前后的椎體高度生物力學效應，說明椎體不同高度的等效應力能通過椎體增強充分降低。因此，進行椎體強化手術過程中盡可能做到恢復骨折椎體的椎體高度來減少相鄰椎體的應力。針對骨質(zhì)疏松病人，李家瓊等[33]選取胸腰椎T11-L3構建有限元模型研究椎體成形術中不同骨水泥劑量對不同程度的骨質(zhì)疏松病人生物力學的影響，結果發(fā)現(xiàn)隨著骨水泥注入量的增加會導致椎體應力的增加，繼而導致骨質(zhì)疏松的程度加重，這種情況尤其是在扭轉載荷的情況下椎體應力更為明顯，這在術前骨水泥注入量的選取上提供參考，骨質(zhì)疏松嚴重病人應避免注入大劑量的骨水泥，并且在日常生活中應囑咐病人減少扭轉動作。對此，劉祥飛等[34]對比單、雙側椎弓根入路PVP術后椎體有限元模型的應變及應力變化。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在設定正常負重的情況下，骨水泥的注入量及注入位置數(shù)，和單側注入骨水泥較雙側有輕度的應變及應力的增加呈正相關，但沒有成比例增加，單側椎弓根入路生物力學效果同雙側接近。在疼痛緩解方面，單側椎弓根入路還是雙側椎弓根入路無明顯差異，但較手術時間和透視次數(shù)而言，單側椎弓根入路更優(yōu)。

總結前面研究可發(fā)現(xiàn)，有限元分析法能真實有效地反應推拿手法、臨床手術后胸腰椎和人工置入物的應力變化，這對臨床手術的預測和評估、人工置入物的優(yōu)化設計及康復鍛煉等提供參考。隨著圖像處理技術的迅速發(fā)展及人工植入物的日新月異，有限元分析法對多節(jié)段融合和置換等新型術式的術前、術中及術后圖像監(jiān)測以及人工植入物的設計和評估存在不足，這也是未來發(fā)展的重點。

四、結論與展望

目前，計算機技術的不斷成熟以及有限元軟件的不斷更新，有限元模型變得更加精細化、有效化、準確化，而且有限元分析法投入成本少承擔的風險小，能有效地模擬所需工況下脊柱的應力分布，探究其病理機制，針對臨床手術能在術前預測、術中探查并指導術后康復，模擬無法直接進行的人體是力學實驗，而且具有可重復性。但有限元法在建模過程中的個性化即針對不同個體的差異還未能做到快速設計。并且，隨著醫(yī)學的發(fā)展，新的手術方式不斷出現(xiàn)，有限元法如何在術前仿真、術中觀測、術后康復中更好地發(fā)揮參考和指導作用，這是有限元法在未來發(fā)展的一個重要方向。另外，脊柱處于一個動靜切換的狀態(tài)，有限元法分析椎體應力、強度及高度等方面的力學分析在分析運動時存在不足，這是在未來發(fā)展中另一目標。近幾十年來，在脊柱生物力學的研究發(fā)展中，有限元分析法一直作為一種重要的分析工具，得到了眾多學者的肯定并廣泛應用。但是，作為一種臨床分析工具，有限元分析法還需理論結合臨床實際，為臨床中預防和治療脊柱關節(jié)病提供更加精準的參考和指導。