退变对腰椎4～5 节段椎间盘生物力学的影响

庞胤，尹帅，张海峰，刘媛媛，赵长义

1 沧州医学高等专科学校，河北沧州061001；2 河北省沧州中西医结合医院；3 河北医科大学

椎间盘是脊柱的重要组成部分，具有传导应力、运动、缓冲等力学功能［1］。腰部椎间盘在整个脊柱中具有承重量大、运动幅度大、活动范围广等特点，且重力线穿过腰椎4～5节段（L4～5）功能区。L4～5长期承受巨大的负荷及生物力学变化，因此易高发椎间盘退行性疾病。腰椎间盘退变后易发生突出，压迫脊髓或脊神经根［2］，引起腰部及下肢麻木、疼痛等症状，严重影响患者生活质量。因此，退变对椎间盘生物力学的影响越来越受到关注。本研究通过建立L4～5三维有限元模型，探讨退变对腰椎间盘生物力学的影响，为临床治疗腰椎间盘退行性疾病提供依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料 2016年12月在我校青年教师中招募健康男性志愿者1名，年龄28岁，体质量68 kg，身高178 cm，经X 线检查排除脊柱腰段相关疾病及外伤史。志愿者对试验方案知情同意。本研究已经学校医学伦理委员会批准。

1.2 影像学检查 志愿者取仰卧位，腰部放松，行CT 扫描（GE 公司，Light speed 16 排螺旋 CT 机），获得247 幅断层扫描二维图像；以相同体位行MRI 扫描（Philips 公司，Achieva 3.0T MRI 机），获得 57 幅T2WI 序列矢状面断层图像。图像数据均以DICOM格式存储。

1.3 正常腰椎三维有限元模型构建 在Mimics 软件中导入CT 图像数据文件，使用阈值调整、区域增长、选择性编辑工具和Remesh 功能对L4～5 椎骨进行三维重建；以同样的方法基于MRI 图像数据建立L4～5 椎间盘髓核的三维模型。将上述模型在Geo⁃magic 软件中对位组装，在椎体上、下表面之间通过桥接、偏移功能和布尔运算形成椎间盘整体模型、终板模型和纤维环模型；通过偏移功能构建韧带、关节囊模型。模型在Mimics 中自动划分面网格和体网格后以*.cdb 格式输出保存。将所有模型导入An⁃sys中，设定材料属性，重划网格，设置接触关系。骨皮质、骨松质、终板、纤维环、髓核的弹性模量分别设为 12 000、100、500、4.2、1 MPa，泊松比设为 0.3、0.2、0.4、0.5、0.5，构建正常L4～5 节段三维有限元模型［3-4］。见图1。

1.4 退变腰椎三维有限元模型构建 通过增加纤维环和髓核的弹性模量，同时减小泊松比，建立L4～5 椎间盘退行性变模型。退变后髓核材料属性的弹性模量设为1.66 MPa，泊松比设为0.4；纤维环弹性模量设为 12.29 MPa，泊松比设为0.35［5］。

图1 正常L4～5三维有限元模型

1.5 载荷加载、求解及后处理 约束正常和退变模型L5 椎体和下关节突关节面的各向活动，在L4 椎骨上表面施加300 N 的垂直载荷和10 N•m 的力矩，模拟脊柱的负重、前屈、后伸、侧弯、扭转五种生理运动状态，侧弯和扭转均为向左运动。运算求解，获得整体形变、等效应力分布等，用软件后处理程序将结果以云图形式输出。

1.6 应力测算 将纤维环后缘中央以及左外侧部近椎弓根处指定区域分别命名为中央区和外侧区，每区均匀选择20 个节点，统计各节点应力值，取平均值作为该区域纤维环应力。统计不同生理运动状态下正常与退变椎间盘形变和应力分布情况及在300 N 垂直载荷条件下正常与退变椎间盘纤维环和髓核的应力。

1.7 统计学方法 采用SPSS22.0 统计软件。计量资料用±s表示，两组比较采用t检验，多组比较采用析因设计的方差分析。P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 正常与退变L4～5椎间盘纤维环后缘中央区与外侧区不同生理运动状态下应力比较 正常L4～5椎间盘纤维环后缘负重、前屈、后伸、扭转时中央区应力均高于外侧区，侧弯时外侧区应力高于中央区，差异有统计学意义（P均<0.05）。退变L4～5 椎间盘纤维环后缘不同生理运动状态下外侧区和中央区应力均较正常L4～5 椎间盘纤维环后缘增大（P均<0.05）；负重、前屈、扭转时中央区应力均高于外侧区（P均<0.05），侧弯时外侧区应力高于中央区（P均<0.05），后伸时外侧区与中央区应力比较差异无统计学意义（P>0.05）。析因设计的方差分析结果显示三因素（是否退变、测量部位、运动状态）的交互效应均有统计学意义（P均<0.05），各因素间无交互作用。见表1。

表1 正常与退变L4～5椎间盘纤维环后缘不同生理状态下中央区与外侧区应力（×105 Pa，±s）

表1 正常与退变L4～5椎间盘纤维环后缘不同生理状态下中央区与外侧区应力（×105 Pa，±s）

模型正常L4～5椎间盘纤维环后缘负重前屈后伸侧弯扭转退变L4～5椎间盘纤维环后缘负重前屈后伸侧弯扭转n 20 20应力中央区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外侧区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 负荷状态下正常与退变椎间盘的整体形变和应力 在300 N垂直载荷模拟负重状态时，正常L4～5椎间盘整体形变前部较大，退变椎间盘整体形变减小，形变区域发生后移；退变L4～5椎间盘应力向边缘聚集，纤维环应力在后缘处分布较为集中。正常L4～5椎间盘纤维环、髓核应力分别为（1.716 ± 0.682）、（0.516 ± 0.071）×105Pa；退变 L4～5 椎间盘纤维环、髓核应力分别为（2.665±0.583）、（0.463±0.700）×105Pa。与正常L4～5 椎间盘比较，退变 L4～5 椎间盘纤维环应力增大、髓核应力减小（P均<0.05）。

3 讨论

椎间盘是脊柱重要的载荷中心和缓冲结构，其生物力学特性包括承受和对抗载荷，并对相邻椎体的运动进行限制，以保证脊柱的正常生理运动功能［6］。随着机体的衰老以及各种外部理化因素损伤的影响，椎间盘发生退行性变并逐渐加重［7］。研究显示，腰椎间盘退行性疾病的发病人群趋向于年轻化［8］。目前，导致腰椎间盘退变和突出的机制尚未明确，机械应力在其中所起的作用不可忽视［9］。三维有限元分析法是一种在可视化条件下通过数学运算形式进行应力和应变分析的研究方法，具有可控性和可重复性的优势，在脊柱生物力学的研究中得到了广泛应用［10-11］。

本研究通过建立L4～5 椎间盘正常和退变三维有限元模型，并施加不同载荷模拟各种生理运动状态，求解获得椎间盘生物力学数据。常用的退变模型建立方法包括改变椎间盘的高度及面积、改变纤维环和髓核的材料属性等。殷德振等［12］采用有限元法建立了颈椎椎间盘退变模型，发现脊柱的稳定性在椎间盘退变过程中存在代偿作用。文毅等［13］直接以腰椎间盘突出患者为志愿者，椎骨以骨密度赋值，椎间盘采取经验赋值，获得的有限元模型更接近真实状态，但不能形成可用于对照的正常模型。本研究的椎骨数据通过CT采集，髓核的数据通过MRI采集，并进行空间配准，保证了结构的准确性。退变模型兼顾了椎间盘退变过程中纤维环和髓核形变及应力的变化，通过改变两者的弹性模量和泊松比进行模拟，保证了模型的可信性。

本研究在纤维环后缘中央及左外侧部近椎弓根处指定相应区域，分别命名为中央区和外侧区。比较两区域平均应力值，获得了纤维环后缘生物力学分布特点。正常纤维环应力值在负重、前屈、后伸、扭转生理运动状态下中央区均高于外侧区，但由于纤维环后缘中部有后纵韧带的保护，纤维环中部的破裂较为少见；退变纤维环在5 种生理运动状态下后缘外侧区和中央区的应力均显著增大，侧弯时外侧区应力高于中央区，纤维环后外侧区应力显著升高，当进行脊柱扭转、侧弯等运动时易诱发腰椎间盘突出［14］。通过对是否退变、不同区域以及不同生理运动状态三组因素析因设计的方差分析，结果显示，各因素间无交互作用，均对应力值有影响。因此，发生椎间盘突出后，应尽量避免负重，减少腰椎运动，降低椎间盘内压，以免加重病情。

本研究结果显示，在给予垂直300 N 压力模拟负重条件下，退变椎间盘纤维环应力有向周围扩展的趋势，纤维环外层应力集中，后部应力较正常椎间盘明显增大；髓核应力较正常椎间盘显著减小，分布发生改变，向边缘传导，这与纤维环发生退变后弹性减弱、刚性增强有一定关系。当承受相同轴向负重时，退变纤维环和髓核轴向形变能力减弱，纤维环分担了髓核的部分应力，造成髓核应力减小，而纤维环的应力则增大，且分布不均，集中于纤维环外层，应力的这种改变与退变椎间盘生物组织学特点具有一致性。纤维环和髓核的主要化学成分为水、蛋白多糖和胶原纤维，正常椎间盘髓核中的各种成分比例适当，髓核不可压缩但可形变，可以均匀传导应力，保证了传递给纤维环的应力均匀分布，以避免椎间盘局部受力集中而发生破裂。椎间盘内部应力的分布改变使椎间盘局部压力升高，最终形成组织疝造成椎间盘突出。腰椎间盘退行性变后，组织表现为椎间盘细胞代谢紊乱，发生髓核脱水、蛋白多糖丢失、胶原纤维改变等变化，纤维环、髓核的生化成分及渗透性发生改变，含水量不断下降，随着退变程度的增加，弹性模量出现升高，传导至纤维环的应力集中于后部，易引起纤维环破裂造成椎间盘突出。