椎間盤退變后應(yīng)力變化的有限元分析

●王君

椎間盤退變后應(yīng)力變化的有限元分析

●王君

目的：對(duì)椎間盤退變后應(yīng)力變化情況展開有限元分析。方法：采用MIMICS軟件預(yù)處理健康人群的腰椎CT圖，將處理的結(jié)果導(dǎo)入ABAQUS軟件中，將有關(guān)正常椎間盤L3至L4節(jié)段的三維有限元模型建立起來(lái)。隨后，將椎間盤退變后相關(guān)材料屬性進(jìn)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(duì)椎間盤退變前后的應(yīng)力變化情況進(jìn)行比較。結(jié)果：椎間盤退變后，其應(yīng)力分布情況與退變前（也即正常的椎間盤）相比發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)在髓核壓應(yīng)力發(fā)生顯著下降，纖維環(huán)周邊承受了比較大的應(yīng)力，軟骨終板處的應(yīng)力集中在了外周偏后處；而對(duì)于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面而言，該處的應(yīng)力發(fā)生大幅度增加。結(jié)論：通過(guò)采取有限元的分析方法，可對(duì)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(yīng)力變化；有限元分析

椎間盤主要由髓核、纖維環(huán)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(zhǎng)期機(jī)械負(fù)荷的作用下，容易出現(xiàn)椎間盤退變的情況[1]。而作為椎間盤重要的解剖結(jié)構(gòu)，髓核及纖維環(huán)主要傳遞椎間的負(fù)荷，對(duì)脊柱各種生物力學(xué)行為有著決定性的作用。人們以往在開展有關(guān)腰痛的生物力學(xué)研究時(shí)，通常采用尸體模型及動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但依然存在一定的不確定性以及局限性[2]。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)日漸成熟，極大程度上促進(jìn)了有限元分析方法在腰椎生物力學(xué)研究中的應(yīng)用。本文通過(guò)建立椎間盤L3至L4階段退變前后的有限元模型，從而對(duì)椎間盤各構(gòu)件受到臨床載荷后，其應(yīng)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(jié)段退變前后的有限元模型。將本實(shí)驗(yàn)室已建立好的正常的腰椎模型作為基礎(chǔ)，以DICOM的格式向MIMICS軟件中導(dǎo)入椎間盤L3至L4節(jié)段CT圖像的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在FEA的模塊中為模型繪制表面三角網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，隨后，將其導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中進(jìn)行處理。待將表面三角網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成為了四面體的實(shí)體網(wǎng)格后，對(duì)椎體材料屬性分別進(jìn)行定義，將椎間盤L3至L4節(jié)段完整的有限元模型建立出來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，L3至L4運(yùn)動(dòng)節(jié)段的三維有限元模型一共可劃分為27萬(wàn)多個(gè)單元。此外，可將上下終板與椎間盤之間的接觸關(guān)系定義為tie，上、下小關(guān)節(jié)的接觸關(guān)系則可定義為finite sliding（也即有限滑動(dòng)）。對(duì)椎體構(gòu)成材料展開分析，主要有松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨、后部結(jié)構(gòu)以及上下終板等。其中，韌帶將各椎體連接起來(lái)，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(lái)當(dāng)椎間盤發(fā)生病變后，就會(huì)出現(xiàn)纖維環(huán)松弛或破裂、髓核脫水等情況，且它們的含水量會(huì)降低，滲透性及生化成分也會(huì)發(fā)生變化，并且彈性模量隨著變性程度的不斷增加，而呈現(xiàn)出均勻、對(duì)稱的下降趨勢(shì)。有學(xué)者經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得知[3]，在正常情況下，椎間盤髓核及纖維環(huán)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(dāng)椎間盤發(fā)生Ⅳ度變性后，其髓核及纖維環(huán)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(shí)驗(yàn)通過(guò)將纖維環(huán)與髓核的漢尼松比及楊氏模量進(jìn)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(biāo)本位于中立位，將L4節(jié)段的下關(guān)節(jié)突及下終板進(jìn)行固定，并將0.3MPa軸向壓縮載荷施加在L3節(jié)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(huán)、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)以及軟骨終板等的VonMises應(yīng)力分布圖，我們則可將各構(gòu)件具體的應(yīng)力計(jì)算出來(lái)。

2 結(jié)果

（1）退變前后椎間盤纖維環(huán)的應(yīng)力情況：分析VonMises應(yīng)力分布圖得知，對(duì)于退變前的椎間盤（也即正常椎間盤）而言，其纖維環(huán)的應(yīng)力主要集中于后側(cè)，并且沿著后外側(cè)進(jìn)行傳導(dǎo)；而退變后，椎間盤應(yīng)力分布的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，周邊的纖維環(huán)則承受了比較大的應(yīng)力。此外，在退變前，髓核朝椎間盤施加了最大的壓應(yīng)力；而退變后，髓核產(chǎn)生的壓應(yīng)力發(fā)生顯著下降，甚至與周邊纖維環(huán)受到的壓應(yīng)力相同。（2）退變前后關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力情況：由VonMises應(yīng)力云圖得知，當(dāng)施加一定的載荷后，退變后的椎間盤L4上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面以及L3的下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面的應(yīng)力相比于退變前發(fā)生顯著上升，其中，增大最明顯的便是上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面下部以及下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面上部。（3）退變前后軟骨終板應(yīng)力情況：同樣由VonMises應(yīng)力云圖得知，在退變前，椎間盤L3及L4節(jié)段下終板的應(yīng)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(yīng)力。

3 結(jié)論

椎間盤退變?yōu)榕R床一項(xiàng)常見疾病，多發(fā)于成年早期，與機(jī)械應(yīng)力刺激存在一定的關(guān)系，并可逐步發(fā)展為椎間盤突出。人們以往常采用尸體模型及動(dòng)物進(jìn)行有關(guān)腰痛的生物力學(xué)研究時(shí)，但均存在一定的局限性：在尸體模型中，脊柱組織的破壞機(jī)制以及材料特性等，與活體相比差異較為明顯；而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)則不具備良好的重復(fù)性，在行為方式以及解剖結(jié)構(gòu)等方面，動(dòng)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(shù)改變，進(jìn)而對(duì)應(yīng)力變化情況展開更為直觀的觀察與分析。

在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)向椎間盤有限元模型施加軸向壓縮載荷，結(jié)果顯示，椎間盤及椎體均承受應(yīng)力，同時(shí)發(fā)生形變；VonMises應(yīng)力云圖也顯示，纖維環(huán)受到的應(yīng)力主要集中于后側(cè)，并朝著后外側(cè)進(jìn)行傳導(dǎo)，而髓核產(chǎn)生了最大的壓應(yīng)力；椎間盤退變后，纖維環(huán)應(yīng)力分布的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，周邊的纖維環(huán)則承受了比較大的應(yīng)力，這與椎間盤退變后的生物學(xué)反應(yīng)是一致的[5]。具體來(lái)說(shuō)，椎間盤在退變前，含有非常多的蛋白多糖及水分，當(dāng)受到外力作用時(shí)，則可有效吸收應(yīng)力。髓核在正常情況下可形變但不能壓縮，當(dāng)受到壓力時(shí)，能向纖維環(huán)的各個(gè)部分傳導(dǎo)應(yīng)力，從而避免應(yīng)力不均勻分布使得椎間盤出現(xiàn)破裂的情況。但是，當(dāng)發(fā)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(huán)的壓力，應(yīng)力最集中的后外側(cè)就會(huì)在外力作用下破裂，最終引起椎間盤突出。

當(dāng)脊柱受到應(yīng)力后，這些應(yīng)力最容易朝軟骨終板傳導(dǎo)，健康個(gè)體中的應(yīng)力主要朝終板中央傳導(dǎo)；但是退變后，應(yīng)力大多朝終板的周邊進(jìn)行傳導(dǎo)。在椎體中，軟骨終板為薄弱環(huán)節(jié)所在，當(dāng)壓力升高至一定值后，次數(shù)便會(huì)首先出現(xiàn)明確的損傷征象。在正常的情況下，椎間盤構(gòu)成的前柱及椎體抵抗了大部分的壓力負(fù)荷，而關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)承擔(dān)的非常少；但是椎間盤發(fā)生退變后，髓核的水分含量減少，內(nèi)壓也相應(yīng)下降，纖維環(huán)的內(nèi)壓力也發(fā)生明顯變化，壓力也移到了小關(guān)節(jié)處。當(dāng)關(guān)節(jié)面軟骨處的負(fù)載超過(guò)一定值后，就會(huì)促進(jìn)骨贅的生長(zhǎng)，進(jìn)而引起下腰痛癥狀。

綜上所述，通過(guò)采取有限元的分析方法，可對(duì)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(tuán)）有限責(zé)任公司職工總醫(yī)院骨科）

[1]鄭杰,楊永宏,張冬生等.退變性脊柱側(cè)凸不同方式長(zhǎng)節(jié)段固定融合術(shù)后鄰近節(jié)段生物力學(xué)變化的有限元分析[J].中國(guó)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(xué)及有限元分析的研究與進(jìn)展[J].中國(guó)組織工程研究,2016,20(39):5920-5926.

[3]劉瑞,徐林,張?jiān)堑?Wallis腰椎非融合系統(tǒng)的有限元分析[J].中國(guó)組織工程研究,2012,16(13):2287-2291.

[4]閆家智,吳志宏,汪學(xué)松等.腰椎間盤退變后應(yīng)力變化的有限元分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào),2013,9(04):465-466.

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