近5 年不同腰椎有限元模型应用频次分析

陈芯仪，高音来，郑慧娥，何灏龙，田浩梅，陈楚淘

（湖南中医药大学针灸推拿学院，湖南长沙410208）

在进行临床相关的生物力学研究的时候，主要的生物力学分析方法包括离体实验、动物实验和有限元分析3 种。离体实验主要采用新鲜的人体标本进行试验，虽然新鲜人体标本具有与活体类似的力学特性，在研究中有更好的科学参照和说明，但其来源困难、可重复性差，并且也很难保证采用的新鲜人体标本的质量；动物实验存在个体差异问题，并且难以直接测量椎体内部的应力分布［1-2］。有限元法是理论生物力学最有效的应力分析方法，是实验生物力学必要补充和有效的替代工具，有着经济、重复性强、设计性强、便捷、可操作性强等诸多优点［3］，对临床来讲，有限元法是人体体外试验中一种很有价值的方法，尤其是在脊柱生物力学中的应用，对于脊柱疾病的分析、手术治疗疗效分析等研究具有重大意义［4-6］。

尽管如此，现阶段的有限元分析因为技术条件限制等诸多因素，在腰椎生物力学的研究中仍存在许多不足，本研究通过比较不同有限元模型在进行临床腰椎有限元分析中的使用频率，探讨目前进行腰椎有限元分析的主流方法，并进一步分析目前临床腰椎有限元分析方法的不足及未来需要改进的方向。

1 材料与方法

1.1 资料来源

2015-2019 年间国内外发表的有关腰椎有限元临床研究的文献。

1.2 研究方法

1.2.1 检索方法 采用计算机检索和手工查阅相结合的方法，选用PubMed 数据库、CNKI、中国医用信息资源系统（维普）、万方数据资源系统，以“lumbar spine，finite element”为英文检索词，“有限元、腰部、腰椎、临床”为中文检索词。

1.2.2 纳入标准 文章所述的内容需为临床生物力学研究中腰椎有限元分析的试验研究，其研究对象为腰椎节段，采用的研究手段为有限元分析，研究的领域应与临床息息相关。

1.2.3 排除标准 研究内容不是临床腰椎生物力学；研究对象不是腰椎节段；综述类研究；未使用有限元分析方法；无法下载到全文的研究。

1.3 统计学方法

在临床术式模拟中，进行生物力学研究的不同有限元模型使用频次分析；在腰椎病理生理相关生物力学方面研究中，不同有限元模型的使用频次分析；在非手术疗法治疗腰椎疾病的生物力学相关机制研究中，不同有限元模型的使用频次分析；在职业损伤和腰椎防护的生物力学方面研究中，不同有限元模型使用频次分析。

2 结 果

经文献检索和筛查，共筛选出符合标准的腰椎有限元分析文献109 篇。结果见表1。

表1 文献检索结果统计 （篇）

2.1 临床术式模拟中有限元模型的使用频次分析

在临床术式模拟的有限元研究中，最常用的模型是骨骼韧带模型，其次是骨骼模型、骨骼韧带肌肉模型。结果见表2。

表2 临床术式模拟中有限元模型的使用频次分析

2.2 腰椎生理病理相关研究中有限元模型的使用频次分析

在腰椎生理病理相关研究中，最常用的模型是骨骼韧带模型，其次是骨骼模型、骨骼韧带肌肉模型。结果见表3。

表3 腰椎生理病理相关研究中有限元模型的使用频次分析

2.3 非手术治疗腰椎疾病相关研究中有限元模型的使用频次分析

在非手术疗法治疗腰椎疾病相关研究中，最常使用的是骨骼韧带模型，其次是骨骼模型。结果见表4。

表4 非手术治疗腰椎疾病相关研究中有限元模型的使用频次分析

2.4 职业损伤和腰椎防护相关研究中有限元模型的使用频次分析

在职业损伤和腰椎防护相关研究中，最常用的模型为骨骼韧带模型，其次为骨骼模型。结果见表5。

表5 职业损伤和腰椎防护相关研究中的有限元模型的使用频次分析

3 讨 论

临床术式模拟、腰椎生理病理相关研究中，主要使用3 种模型，按照使用频率排序是骨骼韧带模型、骨骼模型、骨骼韧带肌肉模型；非手术治疗腰椎疾病、职业损伤和腰椎防护相关研究中，使用的是2 种模型，按照使用频率排序是骨骼韧带模型、骨骼模型。总体而言，在运用有限元法进行临床腰椎节段生物力学相关研究中，使用频率最高的是骨骼韧带模型，其次是骨骼模型和骨骼韧带肌肉模型，其中骨骼韧带模型及骨骼模型广泛应用于临床腰椎生物力学研究的各个领域中，骨骼韧带肌肉模型主要是应用于临床术式模拟及腰椎生理病理相关研究中。

骨骼韧带模型与骨骼模型及骨骼韧带肌肉相比，主要有以下几个优点：①应用范围广，适用于多种研究环境。骨骼韧带模型可广泛应用于有限元分析的各个领域，也是目前进行腰椎节段有限元分析的主流模型。相比之下，骨骼模型虽然也应用于多个领域，但因仅仅考虑了骨骼因素，所以应用频率相对骨骼韧带模型较少；骨骼韧带肌肉模型虽然考虑了肌肉对模型的影响，与骨骼模型和骨骼韧带模型相比，更好地模拟了人体的真实环境，但是，在骨骼韧带肌肉模型中，是基于运动学的静态优化算法来间接计算肌肉力量，这种算法忽略了拮抗性的肌力［7-8］。因此，在需要考虑拮抗性肌力的研究中，并不适用。如探讨手法治疗腰椎疾病的机理研究中，不仅需要考虑肌肉的主动力量，也需要考虑肌肉在外力作用下产生的拮抗性的力量。②可进行大样本量的研究。研究主要选用个体样本是目前有限元分析中主要不足之一，其中有部分研究选用了多个样本量进行分析，均是选用的骨骼韧带模型，及骨骼模型，其中以骨骼韧带模型为主。这主要是因为这两种模型均是通过受试者的核磁或CT 图片建立模型，骨骼韧带模型在此基础上再附加韧带，这样模型就可以较好的保留各个患者之间差异性，从而进行多个样本量的研究分析，但因为模型间的差异性主要体现在腰椎椎体上，所以此类研究多探讨的是腰椎骨折相关的生物力学问题［9］。骨骼韧带肌肉模型的建造，会先采用单独的骨骼肌肉模型进行模拟，再通过优化算法计算肌肉力量；然后进行骨骼韧带肌肉的有限元模型的建模，因为腰背部肌肉解剖十分复杂，难以通过核磁或CT 进行分辨建模，所以肌肉模型的构建多是通过解剖知识用1D 元素进行简单的模拟；最后再将计算得出的肌肉力量加载至有限元模型上［10-11］，为了保持骨骼韧带肌肉有限元模型与骨骼肌肉模型的统一，有些研究者会根据骨骼肌肉模型对骨骼韧带肌肉有限元模型进行小范围的调整［12］，以上因素均会导致骨骼韧带肌肉模型缺乏个体差异性，难以进行多个样本量的研究。③建模方法成熟，可重复性强。目前骨骼韧带模型的主流建模方法是首先基于医学图像（如X 光和CT 等）可以排除腰椎疾患并进行高精度断层扫描，然后利用CAD 或逆向工程软件重建几何模型，最后采用FEM 软件设置材料属性和划分网格单元，从而建立完整的有限元模型［13］。并且在划分网格单元、设置材料属性方面均有研究者进行分析研究，不断提高模型的质量［14-15］。

尽管如此，骨骼韧带模型仍有不可避免的不足，人体脊柱是由骨、韧带、邻近肌肉等其他组织组成，其中肌肉对脊柱的稳定起到重要作用。这类模型仅仅保留了骨及韧带结构，而忽略了脊柱周围肌肉等软组织对脊柱的影响，所以对结果的真实性会产生一定影响。有研究者提出，虽然肌肉等软组织对腰椎的稳定起到重要作用，但忽略肌肉等软组织的影响，不会对试验结果的趋势产生实质性的影响［16］。

目前的有限元分析主要存在的局限性有：①人体力学性质复杂，有限元法目前尚未达到与人体完全仿真的程度，在建模过程中，为了提高计算的效率，对模型进行了诸多合理的简化与假设，如对于腰椎各个部分的材料假设是均质的、各向同性的、线弹性的，以及髓核假设为不可压缩的固体，这些都与实际的人体情况不符，因此试验所获得的结果并不是精确的数据，而是代表一种趋势［17-18］。②人体本身是有组织活性的生命体，处于不断改变的状态，有限元只能反映机体某一时刻的力学特性，不能反映整个过程［19］。③大部分有限元研究采用个体样本，统计分析只是软件分析，而非总样本量分析，试验结果可信度有待提高［18］。因此，在未来的有限元分析中，扩大样本量，寻找方法更好地模拟人体内的真实情况，提高试验结果的可信度将会是研究的重点和难点。目前来看，有限元分析的试验结果其临床效果如何，需要在以后的临床应用中加以研究和分析［17］。

目前，作为离体实验和动物实验的有效补充，有限元分析正广泛应用于脊柱生物力学的研究，为进一步认识腰椎疾病的发生发展机制提供了相关依据，对腰椎疾病的预防，及其手术治疗及非手术治疗的方法的选择及预后评估均提供了有意义的指导意见。但因为目前的技术水平限制及腰椎复杂的解剖结构等原因，无论是哪种模型，均无法做到完全模拟人体内真实环境，更多是提供一种趋势性的结果，需要与临床研究相结合，才能更好地评估试验结果。