腰椎峡部裂生物力学三维有限元分析

王星，张振宇，付兆君

摘要：目的  建立腰椎三维有限元模型，模拟分析不同运动状态下腰椎峡部的应力分布，探讨腰椎峡部裂滑脱产生的病理基础及力学机制。方法  选取成年男性志愿者1名，采用64排螺旋CT行腰部斷层扫描，所得图像通过MIMICS软件处理优化，导入有限元分析软件，建立腰椎三维有限元模型（L1～L5），分析不同姿势下腰段脊柱椎弓峡部的受力及变形情况。结果  腰椎峡部在前屈、后伸位均出现明显的应力集中，后伸位更为明显，应力值由L1～L5向下逐渐加大。结论  腰椎峡部在后伸运动间，峡部应力异常集中，这种运动状态是产生后天性腰椎峡部裂及进一步滑脱病变的重要病理基础，双侧L5峡部裂在后伸位受到应力最大，活动度异常加大，最易产生滑脱病变。

关键词：腰椎峡部裂;屈伸运动;三维有限元

中图分类号：R687.3                                 文献标识码：A                                 DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.22.058

文章编号：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

滑脱前期腰椎峡部裂（slipping prophase lumbarspondylolysis，SPLS）是指腰椎一侧或两侧椎弓上下关节突之间的峡部骨质缺损不连续，但椎体无移位滑脱现象[1]。调查显示，该病多发于L4、L5节段，且多见于青年人群，是青少年腰痛的常见原因[2]。临床多数滑脱前期腰椎峡部裂未及时得到足够的重视，造成不可逆损害。三维有限元将复杂的整体划分为有限个单元所组成的集合体，并用数学形式表达，对复杂的结构有较好的适应性。本研究通过对腰椎模型的峡部进行分析，建立腰椎三维有限元模型以期对腰椎峡部裂研究分析更加严谨与完整，以期为临床工作中峡部裂患者的功能锻炼及早期防治提供参考，现报告如下。

1资料与方法

1.1一般资料  根据目前通用的国际标准体重及身高，选取健康青年男性志愿者1名，年龄23 岁，身高 170 cm，体重 60 kg。本研究经过医院伦理委员会批准，研究对象知情同意，并签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1 CT断层扫描及腰椎几何模型的建立  采用西门子64排螺旋CT机，对受试者进行腰椎CT检查，存储断层扫描图像数据。受试者腰椎位于扫描视野中心，保持纵轴方向不动，CT断层扫描范围：L1上方  5 mm处至 L5下方5 mm处，扫描层距0.5 mm，作轴位、冠状位、矢状位扫描后，图像数据储存采用DICOM格式，导入三维重建软件采用Materialise Mimics 15进行影像三维重建，优化并划分三角网格后建立腰椎三维模型（L1～L5）。

1.2.2建立腰椎三维实体模型  通过CAD相关建模软件对Mimics软件建立的的三维几何模型边界数据行光滑面处理并生成三维实体模型（L1～L5椎体及相应椎间盘的实体模型）。

1.2.3三维有限元分析模型的建立  建模实体导入HyperWorks-ANSYS，通过ANSYS划分网格（节点、单元），建立腰椎（L1～L5）三维有限元模型（实体模型的建立、材料属性定义、划分节点和单元）。参考文献中杨氏模量（Mpa）及泊松比为模型赋予相关结构材料学参数，见表1。

1.2.4有限元模型有效性测试  根据实验需要，选取L1～L5椎体模型，对腰椎模型加载条件及边界条件，固定L5模型下表面不动，在L3椎体模型表面加载预载荷45 N，加载2.0 N·M纯力矩，模拟生理条件下对模型进行屈曲、背伸、侧屈相关验证实验，最终模型实验结果与以往文献中的经典数据结果进行对比，得到相似结果，验证了有限元模型的有效性。

1.2.5模型应力分析应用  体重压力采用60 kg正常人体的30%，进行5等分，以L3中心点为标准，加载至各腰椎椎体的相应位置。加载方法运用横截面积肌力计算法，测量正常人体各肌群肌肉、韧带的横截面积的平均值及中心距，得出力矩结果后，换算为有限元模型上各加载节点的力。

1.3观察指标  前屈、后伸、左右侧弯工况下腰椎峡部（L1～L5）应力值。

2结果

后伸侧工况下腰椎峡部（L1～L5）應力值均大于前屈、左右侧弯工况，左侧和右侧弯工况下腰椎峡部（L1～L5）应力值相接近，见表2。

3讨论

腰椎小关节承担后方的荷载，为前后伸活动提供稳定作用，有效保护椎间盘过度扭转而造成的损伤，可对抗前向的剪切力，组织椎体向前滑移。腰椎峡部属于上下关节突之间的骨性连接，是腰椎后柱的重要结构之一，尤其在维持三关节复合体和整个腰椎的稳定性发挥着至关重要的作用。腰椎承受剪切负荷时，峡部承受较大脱位应力，如果发生峡部断裂，椎体和椎板分离，腰椎具有向前滑移的倾   向[3]。长期、反复屈伸活动会引起峡部巨大压力变化，椎间活动疲劳受损，稳定性下降，最终会可能导致滑脱[4]。由于进展过程缓慢，滑脱前期不被人们 重视。

双侧腰椎峡部裂后，腰椎前屈、后伸时峡部均出现明显的应力集中，剪力增大，腰椎峡部丧失抵抗向前剪力的作用，故在前屈、过伸过屈时通过峡部的矢状位活动度增加，正常生物力学传导失衡，完整脊柱功能单位稳定性下降，最终造成椎间不稳。常规骨骼模型的表面应该是粗糙的，这样更接近于实际情况，但是立体模型表面粗糙不连续会影响后期的有限元网格划分。本研究通过CAD相关建模软件对Mimics软件建立的的三维几何模型 边界数据行光滑面处理，并生成三维实体模型进行三维有限元分析。结果显示，腰椎过伸时，主要受力情况发生在后部，椎弓峡部所受的剪力最大，各截段受力情况为L1～L5向下逐渐增加，且相应的椎间  隙位移改变导致椎间盘体积相对增大，受力呈现不均匀分布。腰椎椎弓峡部裂是在解剖结构薄 弱的基础上，受到后伸负荷过多，导致峡部骨质损伤，从而发生骨折。在腰椎峡部裂患者中，双侧L5峡部裂在滑脱前期后伸位时，活动度异常加大，最易产生滑脱病变，与张文志等[5]研究结果基本相符。目前，临床对于双侧滑脱前期腰椎峡部裂大多采 用保守治疗，但症状反复发作，迁延不愈，不稳定性因素长期存在，导致峡部裂难以骨性愈合，最终出现滑脱现象，并呈进行性加重。因此，滑脱发生后，临床需要广泛减压复位融合和内固定治疗，以免造成较大创伤，且节段间活动度丧失，可造成不可逆损害。

综上所述，在生物力学三维有限元的研究中，腰椎后伸时椎弓峡部出现明显的应力集中，这种运动状态是产生后天性腰椎峡部裂及峡部裂滑脱的重要病理基础。滑脱前期腰椎峡部裂患者应避免过多腰部后伸活动，而L5双侧峡部裂患者，腰椎滑脱风险最高，需定期复查，预防腰椎滑脱的产生及加重，以免造成不可逆损伤。目前对腰椎峡部裂三维有限元模型的分析逐渐受业内重视，但目前仅是对主要承载力部分进行分析，未来仍需要建立更加精细、准确的模型，对相关加载条件准确录入，更好的跟临床相结合并指导临床。

参考文献：

[1]孔庆奎，张立涛，谢元忠，等.椎弓峡部裂在腰腿疼痛患者中的患病率及其与椎体滑脱的相关性[J].临床放射学杂志，2015， 30（11）：1666-1669.

[2]李危石，孙卓然，陈仲强.正常国人脊柱一骨盆矢状位参数影像学研究[J].中华骨科杂志，2013，33（5）：447-453.

[3]张海龙，顾昕，贺石生，等.微创经椎间孔椎体间融合术与开放手术治疗腰椎滑脱症的疗效比较[J].中华骨科杂志，2011，31（10）：1088-1092.

[4]孙鲁琨，许春涛，刘华等.“U”形钛棒系统节段内固定联合峡部植骨治疗单纯性腰椎峡部裂[J].中国组织工程研究，2018，22（15）：2340-2344.

[5]张文志，丁英胜，段丽群，等.退变性腰椎滑脱的关巧突关巧形态学分析[J].中华骨科杂志，2015，35（8）：865-870.

收稿日期：2019-10-12;修回日期：2019-10-21

编辑/宋伟