腰椎峽部裂生物力學三維有限元分析

王星，張振宇，付兆君

摘要：目的 ?建立腰椎三維有限元模型，模擬分析不同運動狀態下腰椎峽部的應力分布，探討腰椎峽部裂滑脫產生的病理基礎及力學機制。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軟件處理優化，導入有限元分析軟件，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。結果 ?腰椎峽部在前屈、后伸位均出現明顯的應力集中，后伸位更為明顯，應力值由L1～L5向下逐漸加大。結論 ?腰椎峽部在后伸運動間，峽部應力異常集中，這種運動狀態是產生后天性腰椎峽部裂及進一步滑脫病變的重要病理基礎，雙側L5峽部裂在后伸位受到應力最大，活動度異常加大，最易產生滑脫病變。

關鍵詞：腰椎峽部裂;屈伸運動;三維有限元

中圖分類號：R687.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，FU 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）是指腰椎一側或兩側椎弓上下關節突之間的峽部骨質缺損不連續，但椎體無移位滑脫現象[1]。調查顯示，該病多發于L4、L5節段，且多見于青年人群，是青少年腰痛的常見原因[2]。臨床多數滑脫前期腰椎峽部裂未及時得到足夠的重視，造成不可逆損害。三維有限元將復雜的整體劃分為有限個單元所組成的集合體，并用數學形式表達，對復雜的結構有較好的適應性。本研究通過對腰椎模型的峽部進行分析，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謹與完整，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，現報告如下。

1資料與方法

1.1一般資料 ?根據目前通用的國際標準體重及身高，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。本研究經過醫院倫理委員會批準，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，對受試者進行腰椎CT檢查，存儲斷層掃描圖像數據。受試者腰椎位于掃描視野中心，保持縱軸方向不動，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，圖像數據儲存采用DICOM格式，導入三維重建軟件采用Materialise Mimics 15進行影像三維重建，優化并劃分三角網格后建立腰椎三維模型（L1～L5）。

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

1.2.3三維有限元分析模型的建立 ?建模實體導入HyperWorks-ANSYS，通過ANSYS劃分網格（節點、單元），建立腰椎（L1～L5）三維有限元模型（實體模型的建立、材料屬性定義、劃分節點和單元）。參考文獻中楊氏模量（Mpa）及泊松比為模型賦予相關結構材料學參數，見表1。

1.2.4有限元模型有效性測試 ?根據實驗需要，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，在L3椎體模型表面加載預載荷45 N，加載2.0 N·M純力矩，模擬生理條件下對模型進行屈曲、背伸、側屈相關驗證實驗，最終模型實驗結果與以往文獻中的經典數據結果進行對比，得到相似結果，驗證了有限元模型的有效性。

1.2.5模型應力分析應用 ?體重壓力采用60 kg正常人體的30%，進行5等分，以L3中心點為標準，加載至各腰椎椎體的相應位置。加載方法運用橫截面積肌力計算法，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，得出力矩結果后，換算為有限元模型上各加載節點的力。

1.3觀察指標 ?前屈、后伸、左右側彎工況下腰椎峽部（L1～L5）應力值。

2結果

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

3討論

腰椎小關節承擔后方的荷載，為前后伸活動提供穩定作用，有效保護椎間盤過度扭轉而造成的損傷，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節突之間的骨性連接，是腰椎后柱的重要結構之一，尤其在維持三關節復合體和整個腰椎的穩定性發揮著至關重要的作用。腰椎承受剪切負荷時，峽部承受較大脫位應力，如果發生峽部斷裂，椎體和椎板分離，腰椎具有向前滑移的傾 ? 向[3]。長期、反復屈伸活動會引起峽部巨大壓力變化，椎間活動疲勞受損，穩定性下降，最終會可能導致滑脫[4]。由于進展過程緩慢，滑脫前期不被人們 重視。

雙側腰椎峽部裂后，腰椎前屈、后伸時峽部均出現明顯的應力集中，剪力增大，腰椎峽部喪失抵抗向前剪力的作用，故在前屈、過伸過屈時通過峽部的矢狀位活動度增加，正常生物力學傳導失衡，完整脊柱功能單位穩定性下降，最終造成椎間不穩。常規骨骼模型的表面應該是粗糙的，這樣更接近于實際情況，但是立體模型表面粗糙不連續會影響后期的有限元網格劃分。本研究通過CAD相關建模軟件對Mimics軟件建立的的三維幾何模型 邊界數據行光滑面處理，并生成三維實體模型進行三維有限元分析。結果顯示，腰椎過伸時，主要受力情況發生在后部，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，且相應的椎間 ?隙位移改變導致椎間盤體積相對增大，受力呈現不均勻分布。腰椎椎弓峽部裂是在解剖結構薄 弱的基礎上，受到后伸負荷過多，導致峽部骨質損傷，從而發生骨折。在腰椎峽部裂患者中，雙側L5峽部裂在滑脫前期后伸位時，活動度異常加大，最易產生滑脫病變，與張文志等[5]研究結果基本相符。目前，臨床對于雙側滑脫前期腰椎峽部裂大多采 用保守治療，但癥狀反復發作，遷延不愈，不穩定性因素長期存在，導致峽部裂難以骨性愈合，最終出現滑脫現象，并呈進行性加重。因此，滑脫發生后，臨床需要廣泛減壓復位融合和內固定治療，以免造成較大創傷，且節段間活動度喪失，可造成不可逆損害。

綜上所述，在生物力學三維有限元的研究中，腰椎后伸時椎弓峽部出現明顯的應力集中，這種運動狀態是產生后天性腰椎峽部裂及峽部裂滑脫的重要病理基礎。滑脫前期腰椎峽部裂患者應避免過多腰部后伸活動，而L5雙側峽部裂患者，腰椎滑脫風險最高，需定期復查，預防腰椎滑脫的產生及加重，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內重視，但目前僅是對主要承載力部分進行分析，未來仍需要建立更加精細、準確的模型，對相關加載條件準確錄入，更好的跟臨床相結合并指導臨床。

參考文獻：

[1]孔慶奎，張立濤，謝元忠，等.椎弓峽部裂在腰腿疼痛患者中的患病率及其與椎體滑脫的相關性[J].臨床放射學雜志，2015， 30（11）：1666-1669.

[2]李危石，孫卓然，陳仲強.正常國人脊柱一骨盆矢狀位參數影像學研究[J].中華骨科雜志，2013，33（5）：447-453.

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

[4]孫魯琨，許春濤，劉華等.“U”形鈦棒系統節段內固定聯合峽部植骨治療單純性腰椎峽部裂[J].中國組織工程研究，2018，22（15）：2340-2344.

[5]張文志，丁英勝，段麗群，等.退變性腰椎滑脫的關巧突關巧形態學分析[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