椎間盤退變后應力變化的有限元分析

●王君

椎間盤退變后應力變化的有限元分析

●王君

目的：對椎間盤退變后應力變化情況展開有限元分析。方法：采用MIMICS軟件預處理健康人群的腰椎CT圖，將處理的結果導入ABAQUS軟件中，將有關正常椎間盤L3至L4節段的三維有限元模型建立起來。隨后，將椎間盤退變后相關材料屬性進行改變，從而建立起椎間盤L3至L4階段退變后的有限元模型。最后，將0.3MPa的壓縮載荷施加在模型上，并對椎間盤退變前后的應力變化情況進行比較。結果：椎間盤退變后，其應力分布情況與退變前（也即正常的椎間盤）相比發生了變化，具體表現在髓核壓應力發生顯著下降，纖維環周邊承受了比較大的應力，軟骨終板處的應力集中在了外周偏后處；而對于關節突關節面而言，該處的應力發生大幅度增加。結論：通過采取有限元的分析方法，可對腰椎受到椎間盤退變的影響情況展開直接觀察，可為臨床診治及研究工作提供可靠參考。

椎間盤退變；應力變化；有限元分析

椎間盤主要由髓核、纖維環及軟骨板組成，位于人體脊柱的兩椎體之間，起著承受人體重量的作用，相比于其他組織，椎間盤受到的勞損更重，在長期機械負荷的作用下，容易出現椎間盤退變的情況[1]。而作為椎間盤重要的解剖結構，髓核及纖維環主要傳遞椎間的負荷，對脊柱各種生物力學行為有著決定性的作用。人們以往在開展有關腰痛的生物力學研究時，通常采用尸體模型及動物進行實驗，但依然存在一定的不確定性以及局限性[2]。當前，計算機技術日漸成熟，極大程度上促進了有限元分析方法在腰椎生物力學研究中的應用。本文通過建立椎間盤L3至L4階段退變前后的有限元模型，從而對椎間盤各構件受到臨床載荷后，其應力分布情況展開分析。具體操作如下。

1 資料與方法

（1 ）建立椎間盤L3至L4節段退變前后的有限元模型。將本實驗室已建立好的正常的腰椎模型作為基礎，以DICOM的格式向MIMICS軟件中導入椎間盤L3至L4節段CT圖像的相關數據，并在FEA的模塊中為模型繪制表面三角網格，并對網格的質量進行優化，隨后，將其導入ABAQUS有限元軟件中進行處理。待將表面三角網格轉化成為了四面體的實體網格后，對椎體材料屬性分別進行定義，將椎間盤L3至L4節段完整的有限元模型建立出來。具體來說，L3至L4運動節段的三維有限元模型一共可劃分為27萬多個單元。此外，可將上下終板與椎間盤之間的接觸關系定義為tie，上、下小關節的接觸關系則可定義為finite sliding（也即有限滑動）。對椎體構成材料展開分析，主要有松質骨、皮質骨、后部結構以及上下終板等。其中，韌帶將各椎體連接起來，前后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶等多種韌帶均可用剛度不同的彈簧模擬出來當椎間盤發生病變后，就會出現纖維環松弛或破裂、髓核脫水等情況，且它們的含水量會降低，滲透性及生化成分也會發生變化，并且彈性模量隨著變性程度的不斷增加，而呈現出均勻、對稱的下降趨勢。有學者經實驗測量得知[3]，在正常情況下，椎間盤髓核及纖維環的含水量分別為85%與65%，潑尼松比分別為0.49與0.40，楊氏模量則分別為1.0MPa與2.56MPa；當椎間盤發生Ⅳ度變性后，其髓核及纖維環的含水量分別降為76%與50%，潑尼松比分別為0.40與0.39，楊氏模量則分別為1.66MPa與12.29MPa。本實驗通過將纖維環與髓核的漢尼松比及楊氏模量進行改變，從而建立起椎間盤退變后的有限元模型。（2）邊界的條件及載荷。將標本位于中立位，將L4節段的下關節突及下終板進行固定，并將0.3MPa軸向壓縮載荷施加在L3節段上，在終板表面均布外加載荷，即可得到退變椎間盤纖維環、關節突關節以及軟骨終板等的VonMises應力分布圖，我們則可將各構件具體的應力計算出來。

2 結果

（1）退變前后椎間盤纖維環的應力情況：分析VonMises應力分布圖得知，對于退變前的椎間盤（也即正常椎間盤）而言，其纖維環的應力主要集中于后側，并且沿著后外側進行傳導；而退變后，椎間盤應力分布的范圍進一步擴大，周邊的纖維環則承受了比較大的應力。此外，在退變前，髓核朝椎間盤施加了最大的壓應力；而退變后，髓核產生的壓應力發生顯著下降，甚至與周邊纖維環受到的壓應力相同。（2）退變前后關節突關節應力情況：由VonMises應力云圖得知，當施加一定的載荷后，退變后的椎間盤L4上關節突關節面以及L3的下關節突關節面的應力相比于退變前發生顯著上升，其中，增大最明顯的便是上關節突關節面下部以及下關節突關節面上部。（3）退變前后軟骨終板應力情況：同樣由VonMises應力云圖得知，在退變前，椎間盤L3及L4節段下終板的應力主要在中央位置；退變后，主要由終板的外周偏后處承受椎間盤的應力。

3 結論

椎間盤退變為臨床一項常見疾病，多發于成年早期，與機械應力刺激存在一定的關系，并可逐步發展為椎間盤突出。人們以往常采用尸體模型及動物進行有關腰痛的生物力學研究時，但均存在一定的局限性：在尸體模型中，脊柱組織的破壞機制以及材料特性等，與活體相比差異較為明顯；而動物實驗則不具備良好的重復性，在行為方式以及解剖結構等方面，動物與人類存在中物種層面的差異[4]。而我們借助有限元模型，則可將參數改變，進而對應力變化情況展開更為直觀的觀察與分析。

在本實驗中，通過向椎間盤有限元模型施加軸向壓縮載荷，結果顯示，椎間盤及椎體均承受應力，同時發生形變；VonMises應力云圖也顯示，纖維環受到的應力主要集中于后側，并朝著后外側進行傳導，而髓核產生了最大的壓應力；椎間盤退變后，纖維環應力分布的范圍進一步擴大，周邊的纖維環則承受了比較大的應力，這與椎間盤退變后的生物學反應是一致的[5]。具體來說，椎間盤在退變前，含有非常多的蛋白多糖及水分，當受到外力作用時，則可有效吸收應力。髓核在正常情況下可形變但不能壓縮，當受到壓力時，能向纖維環的各個部分傳導應力，從而避免應力不均勻分布使得椎間盤出現破裂的情況。但是，當發生退變后，椎間盤的水分就體積均減小，髓核也隨之降低，增加了纖維環的壓力，應力最集中的后外側就會在外力作用下破裂，最終引起椎間盤突出。

當脊柱受到應力后，這些應力最容易朝軟骨終板傳導，健康個體中的應力主要朝終板中央傳導；但是退變后，應力大多朝終板的周邊進行傳導。在椎體中，軟骨終板為薄弱環節所在，當壓力升高至一定值后，次數便會首先出現明確的損傷征象。在正常的情況下，椎間盤構成的前柱及椎體抵抗了大部分的壓力負荷，而關節突關節承擔的非常少；但是椎間盤發生退變后，髓核的水分含量減少，內壓也相應下降，纖維環的內壓力也發生明顯變化，壓力也移到了小關節處。當關節面軟骨處的負載超過一定值后，就會促進骨贅的生長，進而引起下腰痛癥狀。

綜上所述，通過采取有限元的分析方法，可對腰椎受到椎間盤退變的影響情況展開直接觀察，可為臨床診治及研究工作提供可靠參考。

（作者單位：西山煤電（集團）有限責任公司職工總醫院骨科）

[1]鄭杰,楊永宏,張冬生等.退變性脊柱側凸不同方式長節段固定融合術后鄰近節段生物力學變化的有限元分析[J].中國脊柱脊髓雜志,2011,21(09):770-773.

[2]熊洋,俞興.腰椎棘突間撐開裝置生物力學及有限元分析的研究與進展[J].中國組織工程研究,2016,20(39):5920-5926.

[3]劉瑞,徐林,張元智等.Wallis腰椎非融合系統的有限元分析[J].中國組織工程研究,2012,16(13):2287-2291.

[4]閆家智,吳志宏,汪學松等.腰椎間盤退變后應力變化的有限元分析[J].中國醫學科學院學報,2013,9(04):465-466.

[5]張先予,李正維,吳立軍等.退變性椎間盤應力分布變化的有限元分析[J].中國脊柱脊髓雜志,2013,23(04):360-363.