退變對腰椎4～5 節段椎間盤生物力學的影響

龐胤，尹帥，張海峰，劉媛媛，趙長義

1 滄州醫學高等專科學校，河北滄州061001；2 河北省滄州中西醫結合醫院；3 河北醫科大學

椎間盤是脊柱的重要組成部分，具有傳導應力、運動、緩沖等力學功能［1］。腰部椎間盤在整個脊柱中具有承重量大、運動幅度大、活動范圍廣等特點，且重力線穿過腰椎4～5節段（L4～5）功能區。L4～5長期承受巨大的負荷及生物力學變化，因此易高發椎間盤退行性疾病。腰椎間盤退變后易發生突出，壓迫脊髓或脊神經根［2］，引起腰部及下肢麻木、疼痛等癥狀，嚴重影響患者生活質量。因此，退變對椎間盤生物力學的影響越來越受到關注。本研究通過建立L4～5三維有限元模型，探討退變對腰椎間盤生物力學的影響，為臨床治療腰椎間盤退行性疾病提供依據。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 2016年12月在我校青年教師中招募健康男性志愿者1名，年齡28歲，體質量68 kg，身高178 cm，經X 線檢查排除脊柱腰段相關疾病及外傷史。志愿者對試驗方案知情同意。本研究已經學校醫學倫理委員會批準。

1.2 影像學檢查 志愿者取仰臥位，腰部放松，行CT 掃描（GE 公司，Light speed 16 排螺旋 CT 機），獲得247 幅斷層掃描二維圖像；以相同體位行MRI 掃描（Philips 公司，Achieva 3.0T MRI 機），獲得 57 幅T2WI 序列矢狀面斷層圖像。圖像數據均以DICOM格式存儲。

1.3 正常腰椎三維有限元模型構建 在Mimics 軟件中導入CT 圖像數據文件，使用閾值調整、區域增長、選擇性編輯工具和Remesh 功能對L4～5 椎骨進行三維重建；以同樣的方法基于MRI 圖像數據建立L4～5 椎間盤髓核的三維模型。將上述模型在Geo?magic 軟件中對位組裝，在椎體上、下表面之間通過橋接、偏移功能和布爾運算形成椎間盤整體模型、終板模型和纖維環模型；通過偏移功能構建韌帶、關節囊模型。模型在Mimics 中自動劃分面網格和體網格后以*.cdb 格式輸出保存。將所有模型導入An?sys中，設定材料屬性，重劃網格，設置接觸關系。骨皮質、骨松質、終板、纖維環、髓核的彈性模量分別設為 12 000、100、500、4.2、1 MPa，泊松比設為 0.3、0.2、0.4、0.5、0.5，構建正常L4～5 節段三維有限元模型［3-4］。見圖1。

1.4 退變腰椎三維有限元模型構建 通過增加纖維環和髓核的彈性模量，同時減小泊松比，建立L4～5 椎間盤退行性變模型。退變后髓核材料屬性的彈性模量設為1.66 MPa，泊松比設為0.4；纖維環彈性模量設為 12.29 MPa，泊松比設為0.35［5］。

圖1 正常L4～5三維有限元模型

1.5 載荷加載、求解及后處理 約束正常和退變模型L5 椎體和下關節突關節面的各向活動，在L4 椎骨上表面施加300 N 的垂直載荷和10 N?m 的力矩，模擬脊柱的負重、前屈、后伸、側彎、扭轉五種生理運動狀態，側彎和扭轉均為向左運動。運算求解，獲得整體形變、等效應力分布等，用軟件后處理程序將結果以云圖形式輸出。

1.6 應力測算 將纖維環后緣中央以及左外側部近椎弓根處指定區域分別命名為中央區和外側區，每區均勻選擇20 個節點，統計各節點應力值，取平均值作為該區域纖維環應力。統計不同生理運動狀態下正常與退變椎間盤形變和應力分布情況及在300 N 垂直載荷條件下正常與退變椎間盤纖維環和髓核的應力。

1.7 統計學方法 采用SPSS22.0 統計軟件。計量資料用±s表示，兩組比較采用t檢驗，多組比較采用析因設計的方差分析。P<0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 正常與退變L4～5椎間盤纖維環后緣中央區與外側區不同生理運動狀態下應力比較 正常L4～5椎間盤纖維環后緣負重、前屈、后伸、扭轉時中央區應力均高于外側區，側彎時外側區應力高于中央區，差異有統計學意義（P均<0.05）。退變L4～5 椎間盤纖維環后緣不同生理運動狀態下外側區和中央區應力均較正常L4～5 椎間盤纖維環后緣增大（P均<0.05）；負重、前屈、扭轉時中央區應力均高于外側區（P均<0.05），側彎時外側區應力高于中央區（P均<0.05），后伸時外側區與中央區應力比較差異無統計學意義（P>0.05）。析因設計的方差分析結果顯示三因素（是否退變、測量部位、運動狀態）的交互效應均有統計學意義（P均<0.05），各因素間無交互作用。見表1。

表1 正常與退變L4～5椎間盤纖維環后緣不同生理狀態下中央區與外側區應力（×105 Pa，±s）

表1 正常與退變L4～5椎間盤纖維環后緣不同生理狀態下中央區與外側區應力（×105 Pa，±s）

模型正常L4～5椎間盤纖維環后緣負重前屈后伸側彎扭轉退變L4～5椎間盤纖維環后緣負重前屈后伸側彎扭轉n 20 20應力中央區1.563±0.539 4.698±0.920 5.342±0.615 1.708±0.259 3.419±0.806 3.119±0.298 4.056±0.408 9.047±1.353 2.432±0.451 5.452±0.430外側區0.793±0.126 2.893±0.905 3.556±0.868 3.179±0.845 2.021±0.548 2.482±0.708 2.353±0.610 8.530±3.134 6.334±2.227 3.771±1.291

2.2 負荷狀態下正常與退變椎間盤的整體形變和應力 在300 N垂直載荷模擬負重狀態時，正常L4～5椎間盤整體形變前部較大，退變椎間盤整體形變減小，形變區域發生后移；退變L4～5椎間盤應力向邊緣聚集，纖維環應力在后緣處分布較為集中。正常L4～5椎間盤纖維環、髓核應力分別為（1.716 ± 0.682）、（0.516 ± 0.071）×105Pa；退變 L4～5 椎間盤纖維環、髓核應力分別為（2.665±0.583）、（0.463±0.700）×105Pa。與正常L4～5 椎間盤比較，退變 L4～5 椎間盤纖維環應力增大、髓核應力減小（P均<0.05）。

3 討論

椎間盤是脊柱重要的載荷中心和緩沖結構，其生物力學特性包括承受和對抗載荷，并對相鄰椎體的運動進行限制，以保證脊柱的正常生理運動功能［6］。隨著機體的衰老以及各種外部理化因素損傷的影響，椎間盤發生退行性變并逐漸加重［7］。研究顯示，腰椎間盤退行性疾病的發病人群趨向于年輕化［8］。目前，導致腰椎間盤退變和突出的機制尚未明確，機械應力在其中所起的作用不可忽視［9］。三維有限元分析法是一種在可視化條件下通過數學運算形式進行應力和應變分析的研究方法，具有可控性和可重復性的優勢，在脊柱生物力學的研究中得到了廣泛應用［10-11］。

本研究通過建立L4～5 椎間盤正常和退變三維有限元模型，并施加不同載荷模擬各種生理運動狀態，求解獲得椎間盤生物力學數據。常用的退變模型建立方法包括改變椎間盤的高度及面積、改變纖維環和髓核的材料屬性等。殷德振等［12］采用有限元法建立了頸椎椎間盤退變模型，發現脊柱的穩定性在椎間盤退變過程中存在代償作用。文毅等［13］直接以腰椎間盤突出患者為志愿者，椎骨以骨密度賦值，椎間盤采取經驗賦值，獲得的有限元模型更接近真實狀態，但不能形成可用于對照的正常模型。本研究的椎骨數據通過CT采集，髓核的數據通過MRI采集，并進行空間配準，保證了結構的準確性。退變模型兼顧了椎間盤退變過程中纖維環和髓核形變及應力的變化，通過改變兩者的彈性模量和泊松比進行模擬，保證了模型的可信性。

本研究在纖維環后緣中央及左外側部近椎弓根處指定相應區域，分別命名為中央區和外側區。比較兩區域平均應力值，獲得了纖維環后緣生物力學分布特點。正常纖維環應力值在負重、前屈、后伸、扭轉生理運動狀態下中央區均高于外側區，但由于纖維環后緣中部有后縱韌帶的保護，纖維環中部的破裂較為少見；退變纖維環在5 種生理運動狀態下后緣外側區和中央區的應力均顯著增大，側彎時外側區應力高于中央區，纖維環后外側區應力顯著升高，當進行脊柱扭轉、側彎等運動時易誘發腰椎間盤突出［14］。通過對是否退變、不同區域以及不同生理運動狀態三組因素析因設計的方差分析，結果顯示，各因素間無交互作用，均對應力值有影響。因此，發生椎間盤突出后，應盡量避免負重，減少腰椎運動，降低椎間盤內壓，以免加重病情。

本研究結果顯示，在給予垂直300 N 壓力模擬負重條件下，退變椎間盤纖維環應力有向周圍擴展的趨勢，纖維環外層應力集中，后部應力較正常椎間盤明顯增大；髓核應力較正常椎間盤顯著減小，分布發生改變，向邊緣傳導，這與纖維環發生退變后彈性減弱、剛性增強有一定關系。當承受相同軸向負重時，退變纖維環和髓核軸向形變能力減弱，纖維環分擔了髓核的部分應力，造成髓核應力減小，而纖維環的應力則增大，且分布不均，集中于纖維環外層，應力的這種改變與退變椎間盤生物組織學特點具有一致性。纖維環和髓核的主要化學成分為水、蛋白多糖和膠原纖維，正常椎間盤髓核中的各種成分比例適當，髓核不可壓縮但可形變，可以均勻傳導應力，保證了傳遞給纖維環的應力均勻分布，以避免椎間盤局部受力集中而發生破裂。椎間盤內部應力的分布改變使椎間盤局部壓力升高，最終形成組織疝造成椎間盤突出。腰椎間盤退行性變后，組織表現為椎間盤細胞代謝紊亂，發生髓核脫水、蛋白多糖丟失、膠原纖維改變等變化，纖維環、髓核的生化成分及滲透性發生改變，含水量不斷下降，隨著退變程度的增加，彈性模量出現升高，傳導至纖維環的應力集中于后部，易引起纖維環破裂造成椎間盤突出。