生物腰椎間盤力學特性的實驗分析

徐 承， 朱啟榮， 李志煒， 魏春曉

(1. 同濟大學 航空航天與力學學院，上海200092;2. 復旦大學 附屬上海市第五人民醫院，上海200240)

0 引 言

人類的祖先依靠勤勞的勞動，逐漸從四肢爬行進化成雙腳行走。然而在這幾千萬年的進化中支撐人體骨架的主要部件脊椎仍是如此，當腦力勞動成為社會主要勞動方式，越來越多的人花更多的時間坐在電腦前工作或娛樂，使得腰椎間盤部位承受的負擔更重，該進化脫節的部分變得更加的不協調。越來越多的人因脊椎中最弱部件腰椎間盤突出承受著巨大的痛苦，患者占門診腰腿痛患者的15%［1-2］。

椎間盤病變有多種形式(見圖1):椎間盤退化、椎間盤突出、椎間盤脫出、椎間盤高度減少、椎間盤退化伴鈣化。本文研究的癥狀是椎間盤突出。

圖1 椎間盤病變形式

在對腰椎間盤突出癥的治療中，有手術治療，也有非手術治療［3-5］。手術包括微創手術和常規開放手術［6-7］。原始的治療方法是通過骨科手術直接將突出的腰椎間盤抽取，加上一個人工的關節支撐，但該治療方法的成功率不高?，F代醫學對腰椎間盤突出癥的治療方法有了新的突破。使用微創技術，可減小手術刀的尺寸，只切去壓迫到神經元的部分。但對于手術中具體切除多少，具體切除哪些部分才不會破壞腰椎間盤整體的載重能力的問題，完全憑借醫生的經驗，無理論計算量化依據。因此，腰椎間盤突出癥的微創治療技術［8-9］相關的力學分析就顯得極為重要。

本文研究的是運用電阻應變測量方法，對腰椎間盤在壓縮和扭轉作用下的受力性能實驗，同時運用CT片建立三維腰椎間盤有限元計算模型，通過有限元軟件分析與實驗數據分析比較，為微創手術治療腰椎間盤突出癥提供力學分析支持，并為今后微創手術中的合理切除提供定量分析的理論依據。實驗中同時發現了腰椎間盤多屈服現象，為醫學用仿生材料的研究奠定了實驗基礎。

1 腰椎間盤力學實驗

1.1 實驗對象

因人體試樣取樣的局限性，本實驗以小牛脊柱標本作為體外生物力學模型(見圖2)，小牛脊柱標本具有多項優勢［10-12］:小牛骨頭的力學性能(包括骨頭的組織結構，骨密度等)和人骨的力學性能相似;牛骨的兼容性好;小牛脊柱標本的安全性好，除瘋牛病外，幾乎無其他感染等潛在的危險性;不同小牛脊柱標本之間的尺寸及相關參數的差異性不大，有較好的重復性;牛脊柱標本的成本不高(相對于人的脊柱而言)且較易獲得。本試驗中的小牛腰椎椎體及椎間盤大小略大于成年人。

1.2 實驗方法

圖2 小牛脊柱樣本

電阻應變測量法是將應變片固定在被測構件上，當構件變形時，電阻應變片的電阻值發生相應的變化，并通過電阻應變測量裝置(簡稱應變儀)將電阻應變片中的電阻值的變化測定出來，換算成應變或輸出與應變呈正比的模擬電信號(電壓或電流)，用記錄儀記錄下來，也可用計算機按預定的要求進行數據處理，得到所需要的應力或應變值。

1.3 加載方式

腰椎間盤突出癥患者在受到扭轉和壓縮時，纖維環后外側最容易發生斷裂，髓核突出［13］。因此根據病理，選取“壓縮”和“扭轉”兩種工況作為實驗研究對象，進行微創手術后的腰椎間盤受力性能實驗。

1.4 實驗過程

實驗過程包括:應變片布置、橋路連接、壓縮實驗、扭轉實驗和實驗數據分析。

應變片有單片和應變花接法(即每一點都貼有3片應變片，分別為0°、45°、90°)兩種貼法。本實驗中壓縮工況采用單片接法，扭轉工況使用應變花接法(見圖3)。腰椎間盤位于脊柱內部，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，再將應變片和細長導線相焊，將黏有應變片的玻璃膠用工具傳送到脊柱內部，達到指定位置后黏在腰椎間盤上。由于腰椎間盤的外部是由蛋白質纖維構成的環形軟組織——纖維環，表面還有薄膜和油脂，所以在腰椎間盤上貼應變片長久以來一直是脊柱生物力學的一大難點［14］。本文從剔除表層油脂、打磨椎間盤表面薄膜，到清洗并吹干，確保了應變片貼片成功。

圖3 腰椎間盤應變片

實驗運用1/4 橋路將各應變片連入應變箱，并加入溫度補償片(見圖4、5 中溫度補償片)。壓縮試驗在2 t 的拉伸壓縮機上以2mm/min 速度壓縮試件(見圖4)，扭轉試驗在扭轉試驗機上加載扭轉(見圖5)，分別觀察記錄試件上力和貼應變片各點的形變。

1.5 試驗結果

壓縮過程中，整個椎間盤的力與試驗機壓頭下降高度、應變與試驗機壓頭下降高度均成階段性線性，會出現多次類似于屈服的現象，即隨著高度的下降，應力不增反減。此時會發出聲響，即椎間盤內部在進行結構的自我修復，從而能夠繼續受力，所以過了幾s 后，隨著高度的下降，應力再次上升。但下一次出現屈服時的極限應力會逐次下降。在扭轉試驗中，扭矩和轉角成線性變化。

圖4 腰椎間盤壓縮實驗

圖5 腰椎間盤扭轉實驗

圖6 壓縮試驗力與位移

2 實驗結果與有限元分析結果對比

由人體結構特征可知，腰椎間盤是人體運動的主軸，由多個椎體、眾多肌肉和韌帶緊緊圍繞。其活動有三維方向(前后、左右、旋轉)和6 個自由度(3 個平動、3 個轉動)。因此根據模型結構以及椎間盤的材料特性，本文選擇了具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力的Solid45 單元為計算單元，因為模型為規則模型，采用自由網格劃分，綜合考慮運算精度和運算量，網格長度選擇1 mm。

腰椎間盤纖維環的膠原纖維各層以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［12-16］見表1。

表1 腰椎間盤材料特性參數

根據實驗方案，椎間盤試驗時的邊界狀態為:在椎間盤下表面施加X、Y、Z 三個方向的固定約束，即其下表面沿X、Y、Z 軸方向的位移均為零。

2.1 壓縮工況

有限元分析結果腰椎間盤在40 N 相同載荷作用下，測點處應變值均為607 ×10－6;試驗結果腰椎間盤在40 N 相同載荷作用下，測點應變讀數為2 695 ×10－6。誤差分析:腰椎間盤是一種黏彈性物質，在椎間盤出現響聲之后，椎間盤內部構造已發生改變，彈性模量等相關數據都已發生變化。故有限元ANSYS 計算結果與椎間盤壓縮試驗數據相對誤差較大。

2.2 扭轉工況

有限元分析結果手術后的椎間盤在36 N·m 相同載荷作用下，測點處應變值3 320 ×10－6;試驗結果手術后的椎間盤在36 N·m 相同載荷作用下，測點處應變讀數為3 559 ×10－6。誤差分析:實驗測量數據與ANSYS 計算結果誤差為7%，可見ANSYS 的模型和網格劃分方式可信可行。

通過試驗與有限元數據的對比，有限元數據在一定程度上與實驗相互吻合的。整個實驗方法可以驗證計算方法的準確性，以便在確定手術方案時進行有限元模擬，以確定合適的手術方案，達到降低損傷和風險的目的。

3 結 語

本文從腰椎間盤突出癥的產生原因、治療手段研究的歷史和人體脊柱結構分析出發，確定了實驗方案、加載方式、測量以及數據采集分析方法，并依據試驗，與腰椎間盤的有限元計算進行對比。

本文應用有限元分析和實驗力學中的電測法相結合研究腰椎間盤受力情況的研究方法在牛骨中試驗獲得成功。

此外，本文實驗中發現的壓縮過程中整個椎間盤出現多次類似于屈服的現象，為椎間盤內部在進行結構的自我修復，從而能夠繼續受力，應力將再次上升。但下一次出現屈服時的極限應力會逐次下降，即“腰椎間盤多次屈服現象”。

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