颈椎间盘退变对颈椎生物力学影响的有限元研究

王诗成，潘磊，黄必留，孔抗美，王新家，

（1.佛山市三水区人民医院，广东 佛山 528100；2.汕头大学医学院附属第二医院，广东 汕头515041）

颈椎间盘的退行性变是颈椎病发生与发展的主要因素。为了更好地认识颈椎病的发病机制，为疾病的预防与治疗提供理论依据，对颈椎进行生物力学研究是非常有必要的。有限元分析凭借其优势在颈椎的生物力学研究中应用广泛，如正常颈椎在生理状态及特殊体位下的生物力学特点分析[1]，临床内固定器械的设计[2]以及颈椎病术式的分析[3]等，但通常是基于正常的颈椎结构，对具有椎间盘退变特征的颈椎进行生物力学研究少见报道[4]。然而，对于大多数颈椎病患者来说，其椎间盘及颈椎均已发生不同程度退变，目前临床上脊柱手术方式及内固定器械设计在生物力学方面的研究大多是以正常未退变的椎间盘为依据的，这就要求加大对退变椎间盘生物力学的相关研究。本研究依据椎间盘逐级退变过程中的病理变化特点，建立了颈椎间盘逐级退变的C4-C5-C6三维有限元模型，并初步探讨了椎间盘退变对颈椎运动节段生物力学的影响。

1 资料与方法

1.1 材料与设备

医学3D图像软件Mimics10.01软件（Materialise，INC.比利时），大型有限元分析软件Ansys10.0（ANSYS，Inc.Pennsylvania，美国）。

1.2 实验方法

1.2.1 轻、中、重度椎间盘退变有限元模型的建立建立解剖结构较为详细的人体颈椎C4-C5-C6三维有限元模型并验证其有效性[5]。以C4-C5-C6模型为基础，改变C5-6椎间盘材料特性、降低椎间盘高度模拟椎间盘轻、中、重度退变建立椎间盘轻、中、重度退变有限元模型。轻度椎间盘退变通过改变髓核的材料特性模拟髓核脱水[6]，正常髓核的液体单元被固体单元所代替，髓核的弹性模量设定为正常椎间盘纤维环基质弹性模量的2倍。中度退变椎间盘髓核及纤维环基质的弹性模量均设定为正常椎间盘纤维环基质弹性模量的2倍，同时纤维环纤维体积较正常纤维环纤维体积减小25%以模拟纤维环破裂。重度退变椎间盘在中度椎间盘退变的基础上，椎间盘高度降低25%[7]。

1.2.2 约束边界及加载设置条件 约束边界以C6椎体下缘所有节点各方向位移均为0 mm，在C4上方加载45 N的垂直压缩载荷模仿人体颈椎处于中立位的生理状况。

1.2.3 模型计算和数据提取

本实验主要从椎间盘及小关节力学效应来衡量椎间盘退变引起的脊柱生物力学变化情况。在45 N垂直压缩载荷条件下测量以下指标：（1）椎间盘轴向压缩位移及刚度值；（2）椎间盘水平膨出位移；（3）髓核内压力；（4）纤维环应力平均值、最大值及部位；（5）双侧关节突关节接触力及位移。

1.3 统计学方法

应用统计软件SPSS 13.0软件进行分析，检验标准P＜0.05具有统计学意义。统计方法两样本均数配对t检验。

2 结果

2.1 建立了颈椎间盘轻、中、重度退变的三维有限元模型

轻度退变模型节点数是18714，单元数为95726，solid-45单元数90304，fluid单元数4490，link-10单元数932：中度退变模型节点数是18677，单元数为95501，solid-45单 元 数90184，Fluid单 元4490，link-10单元数827：重度度退变模型节点数是18714，单元数为94476，solid-45单元数89264，fluid单元4490，lingk-10单元数722。轻、中度退变模型外观与正常模型相同，重度退变模型椎间盘高度降低（图1）。

图1 椎间盘重度退变有限元模型（C4-C5-C6）：a.正面观：b.侧面观。

2.2 椎间盘位移及刚度值

在45 N垂直压缩载荷下，椎间盘产生轴向位移和膨出位移。如表1所示，LD位移比ND大，MD、SD比ND小，4组数据经t检验均为P＜0.05。SD较ND轴向位移值明显减少。

椎间盘的刚度值定义为施加载荷与轴向位移的比值，随着椎间盘退变而增加，MD、SD均较ND大，轻度退变椎间盘刚度值较正常减小。

表1 45 N垂直载荷下椎间盘轴向位移、水平膨出位移（mm）和C5-6节段刚度（N/mm）

2.3 椎间盘应力

轴向压缩载荷下，椎间盘内部在X、Y、Z方向均可产生应力，将沿Z轴方向的力定义为轴向应力，将沿X、Y轴方向的力合成定义为水平应力，轴向应力反映椎间盘所受压力的情况，水平应力反映椎间盘所受剪应力的情况。4种模型中椎间盘纤维环所受轴向应力和水平应力的情况如表2所示，4组数据经t检验均为P＜0.05。从中可以看出，随着椎间盘退变程度的增加，纤维环所承受的轴向应力逐渐增加。纤维环轴向应力最大值在前正中部，ND为0.482 Mpa，SD为0.626 Mpa。椎间盘退变后纤维环所承受水平应力逐渐减小，但应力分布不均匀，ND、LD集中在后外侧内层纤维环，MD、SD更多集中在后外侧外层纤维环，ND水平应力最大值为0.125 Mpa，SD为0.068 Mpa。纤维环Von mise分布表明纤维环周围部位应力随着椎间盘退变程度增加逐渐增大。

本研究中用髓核内压来反映髓核的承载，将髓核内压定义为椎间盘髓核各个节点在Z轴方向应力之和，并规定向上为正，向下为负。因此在初始状态下，即未加载任何载荷时，髓核内压亦为零。加载45 N垂直载荷后，髓核内压增加，方向向上。从表2可以看出4种模型髓核内压的变化情况：随着退变程度的增加，髓核内压逐渐减小。

表2 45N垂直载荷下椎间盘纤维环应力（Mpa）和髓核内压（Mpa）

2.4 关节突关节应力及位移

本研究采用关节突关节接触力这个指标，从表3可以看出45 N垂直载荷下，关节突关节接触力以LD模型最大，MD、SD模型较ND模型逐渐减小。关节间隙相对位移变化趋势与关节突关节接触力一致。4组数据经t检验均为P＜0.05。

表3 45N垂直载荷下关节突关节接触力（Mpa）及位移（mm）

3 讨论

3.1 退变椎间盘的有限元模型

Miller等[8]指出绝大多数人从20岁就开始出现不同程度的椎间盘退变，早期表现为髓核脱水，弹性降低，然后出现纤维环的胶原纤维和基质变性，纤维环断裂，继而出现椎间盘高度的降低。椎间盘退变是一个级联退变过程，本研究参照Kumaresan[7]将椎间盘退变模型分为轻、中、重三度，既反映了早期椎间盘髓核脱水、弹性降低的特点，又模拟了中后期纤维环基质变性、硬化，胶原纤维部分断裂的病理改变，各级之间的差异能够更好地表现出椎间盘逐级退变过程，其中重度椎间盘退变模型包括了髓核、纤维环纤维、纤维环基质材料特性和椎间盘高度等参数的改变，更加符合椎间盘退变后期的病理特点。

3.2 椎间盘退变对椎间盘应力分布影响的有限元分析

在正常生理条件下，椎间盘的承载主要表现为髓核承载。髓核发生脱水变性后，承载能力大大减弱，出现纤维环承载增加。本研究中髓核内压代表髓核的承载，纤维环轴向应力反应纤维环的承载[9]，随着退变程度增加，髓核内压逐渐减小，即髓核的承载能力进行性减弱，纤维环轴向应力增加，纤维环承载增加，可能与髓核和关节突关节承载下降有关，颈椎活动节段的载荷由前方的髓核、纤维环和后方的两个关节突关节共同承担，当髓核和关节突关节承载都下降时，将导致纤维环承载增加。但纤维环的水平剪应力随着退变程度的加重而减小，这可能与髓核内压下降导致纤维环的张应力减小有关，退变椎间盘的这种生物力学特点可能对保护纤维不发生断裂有一定作用。

3.3 椎间盘退变对颈椎运动节段稳定性影响的有限元分析

椎间盘发生退化、变性后，关节囊及韧带松弛，椎间异常活动，导致颈椎退行性不稳。本研究中采用“颈椎运动节段刚度”这一指标反映脊柱的稳定性，并将之定义为载荷与位移之比.研究结果显示椎间盘轻度退变时刚度减小，中、重度退变时刚度增加。椎间盘退变早期，纤维环和髓核脱水、体积变小及弹性降低，颈椎刚度减小，导致颈椎不稳，退变中后期，椎间盘刚度增加以及周围韧带机化，骨赘形成，颈椎稳定性重新获得，也从一定程度上说明颈椎的节段性不稳是颈椎椎间盘退行性改变的早期表现之一。

从本研究的结果还可以发现，模型的刚度与关节突关节接触力存在一定的联系，轻度退变模型的刚度最小，而关节突关节接触力却最大.随着退变加重，模型刚度逐渐增大，而关节突关节接触力逐渐减小。关节突关节承载与颈椎刚度呈负相关。可能因椎间盘和关节突关节并联承载时，椎间盘退变、椎间盘弹性模量增加导致了椎间盘承载量增加，对关节突关节应变起到遮蔽作用，从而引起关节突关节接触力减小。本研究轻度退变模型关节突关节接触力增大，这可能是刺激小关节增生的一个生物力学因素。随椎间盘退变进一步加重，关节突关节接触力反而减小，甚至小于正常模型，这表现出了椎间盘的代偿能力，阻止了小关节的进一步退变。本研究结果提示椎间盘轻度退变时，前中柱承载降低，后柱承载增加，颈椎稳定性下降。中、重度退变时，前中柱承载增加，后柱承载降低，颈椎稳定性重新获得。从生物力学方面证明退变的椎间盘对维持颈椎的稳定性有一定的代偿作用。

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