腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响的有限元分析

doi:10.12307/2026.191

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (15): 3820-3831.doi: 10.12307/2026.191

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腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响的有限元分析

李春超1，居来提·买提肉孜1，解学晨1，张乐1，王轶希2，帕尔哈提·热西提2

1新疆大学机械工程学院，智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017；2新疆医科大学第一附属医院脊柱微创及精准骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054

接受日期:2025-07-19 出版日期:2026-05-28 发布日期:2025-11-05
通讯作者: 居来提·买提肉孜，副教授，新疆大学机械工程学院，智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017
作者简介:李春超，男，1997年生，山西省大同市人，汉族，新疆大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。
基金资助:
“天山英才”医药卫生高层次人才培养计划基金(TSYC202301B026)，项目负责人：帕尔哈提·热西提；中国医学科学院第三届中国健康长寿创新大赛项目资助项目(2022-JKCS-19)，项目负责人：帕尔哈提·热西提

Finite element analysis of effect of passive support of deep intrinsic lumbar muscle groups on the lumbar spine

Li Chunchao1, Julaiti·Maitirouzi1, Xie Xuechen1, Zhang Le1, Wang Yixi2, Paerhati·Rexiti2

1School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 2Department of Minimally Invasive Spine and Precision Orthopedics, the First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Accepted:2025-07-19 Online:2026-05-28 Published:2025-11-05
Contact: Julaiti·Maitirouzi, Associate professor, School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Li Chunchao, Master candidate, School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
"Tianshan Talents" Medical and Health High-level Talent Training Program Fund, No. TSYC202301B026 (to PR); Third China Health and Longevity Innovation Competition Project of Chinese Academy of Medical Sciences, No. 2022-JKCS-19 (to PR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

被动支撑：指肌肉实体在非主动收缩状态下，通过肌肉组织固有的生物力学特性对骨骼和关节提供的稳定性贡献。与主动收缩不同，这种支撑不依赖神经驱动，只是单纯的作为一个弹性体起到支撑作用。
有限元分析：一种用于求解复杂工程问题的数值计算方法。它将连续的物理系统(如结构、流体等)离散化为由许多小型、简单的有限元单元，再通过计算机模拟分析这些单元的力学或物理行为，最终得到整体系统的近似解。

摘要
背景：基于有限元分析的腰椎生物力学建模技术，因能够量化评估腰椎活动度和椎间盘等结构的应力分布特征，已成为研究腰椎疾病发生机制和手术方案优化的重要工具。目前常见的腰椎有限元模型包含椎骨、椎间盘、终板、关节软骨和韧带等，现有研究中的腰椎有限元模型普遍未考虑腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎节段稳定性的影响。
目的：通过建立包含腰椎深层固有肌群的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型，并利用有限元分析比较腰骶椎骨骼有限元模型与腰骶椎骨骼肌肉有限元模型的生物力学差异。
方法：基于1名27岁健康志愿者的 CT 数据重建腰骶椎骨骼有限元模型，在此基础上重建腰椎深层固有肌群。通过有限元分析不同工况增加腰椎深层固有肌群被动支撑后腰椎活动度、椎间盘应力和椎体皮质骨应力的变化，评估腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎的调节作用。
结果与结论：施加相同的载荷后，在前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转、前屈与轴向旋转复合的工况下：①腰椎活动度：添加肌肉被动支撑的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型活动度均小于腰骶椎骨骼有限元模型，且肌肉种类越多活动度越小，其中包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌的腰骶椎骨骼肌肉模型活动度小于腰骶椎骨骼有限元模型，而包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌的腰骶椎骨骼肌肉模型活动度是最小的；②椎间盘和椎体皮质骨应力：腰骶椎骨骼有限元模型中，肌肉被动支撑因素的加入降低了椎间盘和椎体的最大应力值，但是它们的应力呈现出相似的分布，而且应力降低程度与肌肉数量相关，其中包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型椎间盘和椎体皮质骨最大应力值小于腰骶椎骨骼有限元模型，而包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌的腰骶椎骨骼肌肉模型椎间盘和椎体皮质骨最大应力值是最小的。提示腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎活动范围、椎间盘应力和椎体皮质骨应力都起到了减缓作用，尤其在前屈、后伸、左右侧弯、前屈与轴向旋转复合的工况下减缓效果较好。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 腰椎, 肌群, 模型, 有限元分析, 腰椎活动度, 椎间盘, 皮质骨, 应力

Abstract: BACKGROUND: Finite element analysis based lumbar biomechanical modeling technology, because it can quantitatively assess the lumbar range of motion and disc and other structures of stress distribution characteristics, has become an important tool to study the mechanism of lumbar diseases and surgical plan optimization. At present, the common finite element models of lumbar spine include vertebrae, intervertebral discs, endplates, articular cartilage and ligaments. The existing finite element models of lumbar spine generally do not consider the effect of passive support of deep intrinsic muscle groups on the stability of lumbar spine segments.
OBJECTIVE: A finite element model of the lumbosacral musculoskeletal muscles containing the deep intrinsic muscle groups of the lumbar spine was established, and the biomechanical differences between the lumbosacral skeletal finite element model and the lumbosacral skeletal muscle finite element model were compared using finite element analysis.
METHODS: A finite element model of the lumbosacral spine skeleton was reconstructed based on CT data from a healthy volunteer aged 27 years, and the deep intrinsic lumbar muscle groups were reconstructed on this basis. The effect of passive support on lumbar spine was evaluated by finite element analysis of the changes of lumbar range of motion, intervertebral disc stress, and vertebral cortical bone stress after increasing passive support of lumbar deep intrinsic muscle groups at different working conditions.
RESULTS AND CONCLUSION: After applying the same load, under the combined conditions of forward flexion, extension, left and right lateral bending, left and right axial rotation, forward flexion and axial rotation: (1) Lumbar range of motion: The range of motion of lumbosacral musculoskeletal finite element model with passive muscle support was less than that of lumbosacral skeletal finite element model, and the more types of muscles, the smaller the range of motion. The range of motion of lumbosacral musculoskeletal model including lumbar intertransverse lateral muscles and lumbar circumflex muscles was less than that of lumbosacral skeletal finite element model, while the range of motion of lumbosacral musculoskeletal model including lumbar intertransverse lateral muscles, lumbar circumflex muscles and lumbar multifidus muscles was the smallest. (2) Intervertebral disc and vertebral cortical stress: In the lumbosacral skeletal finite element model, the addition of passive muscle support factors reduced the maximum stress values of the intervertebral disc and vertebral body, but their stresses showed a similar distribution, and the degree of stress reduction was related to the number of muscles, in which the lumbosacral musculoskeletal model including the lumbar intertransverse lateral muscles and lumbar circumflex muscles had smaller maximum stress values of the intervertebral disc and vertebral cortical bone than the lumbosacral skeletal finite element model, while the lumbosacral musculoskeletal model including the lumbar intertransverse lateral muscles, lumbar circumflex muscles and lumbar multifidus muscles had the smallest maximum stress values of the intervertebral disc and vertebral cortical bone. It is suggested that passive support of deep intrinsic muscles of lumbar spine slows down the range of motion, intervertebral disc stress and cortical bone stress of lumbar spine, especially under the conditions of forward flexion, extension, left and right lateral bending, forward flexion and axial rotation.

Key words: lumbar spine, muscle groups, model, finite element analysis, lumbar range of motion, intervertebral disc, cortical bone, stress

中图分类号:

李春超, 居来提·买提肉孜, 解学晨, 张乐, 王轶希, 帕尔哈提·热西提. 腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(15): 3820-3831.

Li Chunchao, Julaiti·Maitirouzi, Xie Xuechen, Zhang Le, Wang Yixi, Paerhati·Rexiti. Finite element analysis of effect of passive support of deep intrinsic lumbar muscle groups on the lumbar spine[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(15): 3820-3831.

图/表（结果） 6

2.1 模型验证 将腰骶椎骨骼有限元模型的几何形状与真实解剖椎体对比，形态无明显差异，见图2A。根据以往研究，将此模型中椎骨皮质骨设置为群体中平均厚度0.73 mm[32]，见图2B。椎间盘由髓核、纤维环和终板组成，髓核占椎间盘表面积约44%，纤维环占约56%，且髓核位于椎间盘整体比例中心向后3.5 mm处[33]，见图2C，D。椎间盘通过上、下终板与椎体相连接，终板厚度设置为0.5 mm[34]，见图2E。此次研究中腰骶椎骨骼有限元模型使用ANSYS Workbench中静力结构模块创建有限元网格，采用二阶四面体单元类型，共生成2 522 937个网格和4 197 465个节点。将此模型的腰椎活动度与文献[35-38]对比，其中左、右侧弯和左、右轴向旋转工况取平均值去对比，腰椎活动度数据差异不大，在合理范围内，见图3。将建立的简化肌肉模型与解剖图作对比，见图2F，相差不大，并根据肌肉的属性预测活动度有减小趋势，与后续结果一致。因此，认为此次研究建立的模型有效，可用于后续实验。

2.2 腰椎活动度
2.2.1 整体腰椎活动度整体腰椎活动度是指腰椎作为一个功能性整体单元，在三维空间内所能达到的最大活动范围，是评估人们能否完成日常生活、工作和娱乐活动的重要指标。相同的载荷条件，前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转、前屈与左轴向旋转复合、前屈与右轴向旋转复合工况中，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a相对腰骶椎骨骼有限元模型在 L1-S 整体腰椎活动度分别降低了2.56%，6.09%，4.67%，5.82%，0.81%，0.82%，2.48%及2.65%；腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼有限元模型在 L1-S 整体腰椎活动度分别降低了4.45%，7.17%，5.07%，6.20%，0.87%，0.85%，4.37%及4.55%；腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a在 L1-S 整体腰椎活动度分别降低了1.94%，1.15%，0.42%，0.40%，0.06%，0.03%，1.94%及1.95%，见表2。

2.2.2 各节段腰椎活动度 相同的载荷条件，前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转、前屈与左轴向旋转复合、前屈与右轴向旋转复合工况中，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼有限元模型在各节段腰椎活动度都有所下降，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a相对腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b在各节段腰椎活动度又进一步下降，见图4。

2.3 L4-L5节段椎间盘应力 相同的载荷条件，前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转、前屈与左轴向旋转复合、前屈与右轴向旋转复合工况中，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a相对腰骶椎骨骼有限元模型在椎间盘应力最大值分别减少了1.42%，0.08%，3.16%，4.03%，3.61%，3.03%，1.17%及1.63%；腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼有限元模型在椎间盘应力最大值分别减少了2.52%，0.60%，3.55%，4.36%，3.74%，3.22%，2.10%及2.78%；腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a在椎间盘应力最大值分别减少了1.12%，0.52%，0.40%，0.34%，0.13%，0.19%，0.93%及1.17%。见图5。

2.4 椎体皮质骨应力 相同的载荷条件，前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转、前屈与左轴向旋转复合、前屈与右轴向旋转复合工况中，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a相对腰骶椎骨骼有限元模型在椎体皮质骨应力最大值分别减小了3.81%，1.81%，4.66%，1.07%，0.06%，0.04%，3.32%及4.17%，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼有限元模型在椎体皮质骨应力最大值分别减小了4.13%，2.12%，4.97%，1.21%，0.29%，1.20%，3.64%及4.49%，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a在椎体皮质骨应力最大值分别减小了0.34%，0.32%，0.33%，0.14%，0.24%，1.16%，0.33%及0.33%。见图6。

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引言

腰椎疾病不仅严重影响患者的生活质量，还会产生巨大的经济和社会成本，包括劳动能力下降、医疗费用支出增加和生产力损失[1-2]。面对这一现状，未来需要加强预防措施并优化治疗策略，以应对这一持续增长的公共卫生挑战[3]，其中通过研究腰椎生物力学特性来预防腰椎疾病的发生是非常有必要的。
脊柱是人体非常重要的骨骼肌肉系统，在日常工作中为身体提供支撑，允许躯干运动，并保护脊髓，此外，脊柱还通过椎间孔为神经根提供通道，确保神经信号正常传导[4]。这些功能的实现植根于脊柱三维生物力学特征：颈椎、胸椎和腰椎曲线之间相互作用使人体能够有效吸收和承受施加到脊柱上的载荷，肌肉组织再进一步支撑脊柱[5]，其中腰椎主要支撑上半身质量，同时也提供躯干和下肢之间的连接，使人体得以弯曲、扭转和伸展[6]。然而，这种复杂的力学功能也使腰椎成为人体最易受损的节段之一，同时现代生活方式进一步加剧了腰椎的负担。长期的不良姿势、腰部用力过度、缺乏运动、受伤等都是患腰椎疾病的原因，究其病理机制，腰背肌群的功能障碍是引发腰椎病变的始动因素[7-9]。人体腰椎节段的肌肉是由浅层全局肌群(竖脊肌、腰方肌、腹直肌等)和深层局部肌群(多裂肌、回旋肌、横突间肌等)构成[10]。而腰椎深层肌群是直接附着在相邻的椎骨上，在腰椎活动中腰椎深层肌群首先为其提供稳定性，对降低椎间盘和小关节受到的异常应力起着重要的作用[11]。腰椎深层肌群的功能障碍会直接引发节段性失稳，加速椎间盘退变与小关节病变，是慢性腰痛的始动因素[12]。然而，要深入理解这一病理机制，需要准确评估脊柱内部的生物力学特征。遗憾的是，脊柱内部生物力学参数的直接测量存在技术困难，直接测量时存在侵入性操作的风险、伦理限制以及活体组织的动态变化性等。而且关于腰椎深层固有肌群对腰椎负荷调节作用的实验证据仍较匮乏。早期研究人员通过将压力传感针插入椎间盘进行了一些体内研究[13]。但健康个体或患者的体内椎间盘内压力测量会导致椎间盘损伤并加速其退行性过程[14]。而使用尸体脊柱的研究受到一定的限制，尸体椎骨钙流失以及肌肉僵化，材料属性难以贴近活体。为了克服这些限制，近年来有限元仿真技术因非侵入性、可重复性和高精度特性，被成功应用于生物力学模型的建立和分析[15-17]。人体腰椎具有非常复杂的几何形状和材料属性，采用有限元仿真技术对腰椎进行生物力学研究时，可以利用有限元的离散化思想，将椎体求解域离散化处理成许多相互连接的子域(有限元单元)，这些有限元单元通过节点间的相互连接组成整个求解域的离散模型，用节点上的值代表单元内的物理量。进行有限元分析时，首先根据节点位移计算出单元的应变和应力，得到每个子域的近似解；然后将各个单元的近似解集合起来，形成覆盖整个求解域的系统方程，最终，求解该系统方程，得到满足各种载荷作用下的力学信息[18-20]。现阶段有限元仿真技术在腰椎生物力学中常被用于研究材料特性、手术方式、载荷和边界条件，常见的腰椎有限元模型包含椎骨、纤维环、髓核、终板、关节软骨、肋骨和韧带[21-25]。目前，有限元分析腰椎生物力学模型中加入肌肉影响因素的研究还比较少，主要是由于个体间肌肉差异较大、CT 和 MRI 数据提取难度大等因素导致建模困难，这种局限性可能影响对腰椎负荷和稳定性机制的准确评估。此文旨在采用有限元方法研究腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎生物力学特性的影响，通过建立 L1-S 椎骨、关节软骨、纤维环、髓核、终板、韧带和肌肉等较为完整的骨骼肌肉模型，并与腰骶椎骨骼有限元模型对比在前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转、前屈与轴向旋转复合工况下的生物力学性能差异，从而证实针对性锻炼和保护腰椎附近肌肉有助于预防和减少腰椎疾病的发生。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 有限元仿真实验。
1.2 时间及地点 实验于2024年11月至2025年4月在新疆大学智能制造现代产业学院完成。
1.3 对象 选择1名健康志愿者，男性，27岁，身高177 cm，体质量72 kg，脊柱无形态学异常。在新疆医科大学第一附属医院使用德国西门子公司生产的 64 排螺旋 CT 设备对志愿者腰椎和骶骨进行连续断层扫描，扫描层厚为0.25 mm，将所得的 CT 图像数据保存为 DICOM 格式。
此次研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和新疆医科大学第一附属医院对研究的相关伦理要求(批号：20210326-04)。志愿者对实验方案知情同意。
1.4 仿真平台 Mimics 21.0 ( Materialise 公司，比利时)；SolidWorks 2024 ( Dassault Systemes 公司，法国)；Geomagic Wrap 2021 ( Geomagic 公司，美国)；Ansys2024R2 ( ANSYS 公司，美国)。
1.5 方法
1.5.1 腰骶椎骨骼有限元模型将腰椎和骶骨 CT 图像数据导入Mimics 21.0中，利用新建、分割、编辑蒙版等命令对 L1-S每节椎体逐个进行分离并填充优化，初步提取出L1-S 三维模型，模型以STL文件格式保存；此时，提取出来的三维模型表面非常粗糙，不利于后续网格划分和有限元计算的收敛，因此将 STL 文件导入Geomagic 2021中，利用重划网格、消除特征、删除钉状物等命令进行光滑处理，最后利用探测轮廓线、生成曲面片、构造格栅、拟合曲面等命令建立椎体皮质骨和松质骨模型，并以 STEP 文件格式保存；然后将建立的皮质骨和松质骨模型在 Soildworks 2024中生成实体后进行装配，为更好地模拟人体腰椎的真实结构，继续重建椎间盘和关节软骨，模型以x_t文件格式保存；最后将模型导入 ANSYS Workbench 2024R2中添加弹簧部件模拟韧带，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带；完成腰骶椎骨骼有限元模型，见图1A，B。
1.5.2 腰骶椎骨骼肌肉有限元模型在已经建立起来的腰骶椎骨骼有限元模型基础上，参考LI等[26]建立颈椎后路肌肉的方式，根据《奈特人体解剖学彩色图谱》中背部深层肌肉的几何形状以及肌肉-骨骼连接位置，并且结合 CT 数据在 Mimics 软件中横断面、矢状面和冠状面这3个视图，重建腰椎深层固有肌群，包括腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌。由于ÇELIK等[27]研究发现适当的腰椎锻炼计划可以防止多裂肌萎缩。此次研究将腰骶椎骨骼肌肉有限元模型是否包含腰椎多裂肌，分为腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a(包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌，见图1C，D)和腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b(包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌，见图1E，F)。
1.5.3 边界条件与载荷设置将皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核、肌肉之间的接触设置为绑定接触，根据临床中关节软骨和关节突之间不会分离，但又不产生滑动，将关节软骨和关节突之间设置为无分离接触。材料属性参考以往有限元研究设置[28-30]，见表1。将骶骨设置为固定支撑，确保在施加载荷模拟工况时整节椎体中骶骨稳固固定。在 L1 椎体上表面施加400 N竖直向下的载荷模拟人体上半身质量，以及在 L1 椎体上表面分别向前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转、前屈与左轴向旋转复合、前屈与右轴向旋转复合施加7.5 N·m的力矩，准确模拟不同姿态[31]。

1.6 主要观察指标 此次研究构建的腰骶椎骨骼有限元模型、腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a和腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b，仅在肌肉含量上存在差异，其他特征完全一致。使用腰骶椎骨骼有限元模型验证模型有效性后，对比3种有限元模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转、前屈与轴向旋转复合工况下的腰椎活动度、椎间盘应力和椎体皮质骨应力差异。

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讨论

患退行性腰椎疾病与腰背肌肉劳损密切相关[39]。长期姿势不良、久坐或过度负荷会导致脊柱周围肌肉持续处于紧张状态，引发肌肉疲劳或损伤[40]，这种慢性劳损会削弱肌肉对腰椎的稳定作用，使椎间盘和小关节承受异常应力，加速椎间盘脱水、纤维环破裂等退行性改变。腰椎病通常呈现从急性向慢性转化的过程[41]。研究显示，初期腰痛的病程一般比较短，患病在3 d以内的患者在接下来2周内可以康复的多达90%，在急性或慢性疼痛的患者中，大多数患者的疼痛不论是否治疗都会以自然的方式慢慢缓解，其中1/3患者在发病首周内出现症状的改善，但是又有约40%的患者会在疼痛恢复后复发腰痛，并且随着病程的延长逐渐发展为慢性腰椎疾病，每次发病所间隔的时间会越来越短[42]。这种腰椎疾病从急性向慢性的转化过程不仅加剧了疾病本身的病理复杂性，而且慢性腰痛患者因反复就诊、康复治疗及工作缺勤衍生出显著的社会经济学问题，更重要的是，肌肉劳损导致的局部血液循环障碍和炎症反应进一步加重椎间盘营养供应不足和代谢废物堆积，形成“肌肉失能-椎间超负荷-退变加重”的恶性循环，最终诱发腰椎间盘突出、椎管狭窄等退行性病变[43]。既往影像学研究中通过CT和MRI观察肌肉横截面积和脂肪沉积量等参数，发现腰椎病患者在腰椎附近的肌肉存在特征性退变，表现为横截面积比健康人群较小且浸润程度较高[44-45]。BARKER等[46]通过观察50名志愿者的MRI中双侧多裂肌和腰大肌横断面，发现腰椎疾病患者有症状和无症状侧的多裂肌和腰大肌横截面积存在显著差异。针对这种病理，KIM等[47]通过33例患腰椎疾病的志愿者为期8周的脊柱稳定性运动，发现拉伸腰椎附近肌肉对腰椎疾病患者在减轻疼痛和腰椎残疾、防止多裂肌和腰大肌萎缩以及增加椎旁肌力方面具有积极作用。这些研究都表明了腰椎附近肌肉的状态和腰椎疼痛有些密切的联系。目前一些研究中已经使用有限元方法对施加在腰椎上的载荷进行了评估[48-50]。然而，这些研究中大多数并没有完全复制人体，只是分析了腰椎的骨骼和韧带，而不包括腰椎附近肌肉组织的实体模型。此次研究在建立较为完整的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型后，比较了添加肌肉被动支撑的骨骼肌肉模型与未添加肌肉被动支撑的骨骼模型，以及添加肌肉被动支撑数量不同的骨骼肌肉模型之间在相同工况下腰椎活动度、椎间盘应力和椎体皮质骨应力的差异。
3.1 腰椎活动范围由腰椎多裂肌、腰椎回旋肌和腰椎横突间肌组成的腰椎深层固有肌群是维持脊柱稳定的关键结构。此次研究通过对比3种有限元模型发现，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a和腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼有限元模型，在所有运动工况下均表现出腰椎整体活动度及各节段腰椎活动度降低现象。这一发现与GUVEN等[51]通过影像学评估和诊断研究得到的结论一致：肌肉功能缺失会导致脊柱活动范围异常增大。特别值得注意的是，此次研究中在前屈、后伸、左右侧弯、前屈与轴向旋转工况，活动度下降幅度更大，表明腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌对这些方向的运动具有更突出的缓冲作用。此研究中轴向旋转在添加肌肉被动支撑后变化不大，这是因为轴向旋转是腹斜肌群与腰大肌通过形成力偶协同限制旋转幅度，从而防止因过度旋转造成对腰椎的损伤。进一步分析显示，腰骶椎骨骼肌肉有限元模型b相对腰骶椎骨骼肌肉有限元模型a在所有工况都表现出更强的活动限制效果，其中前屈和后伸运动的抑制较大。多裂肌之所以能在屈伸运动中发挥关键调控作用，主要得益于其独特的解剖学特征：腰椎多裂肌和椎体位置关系以及其形态特征。
临床研究表明，多裂肌功能障碍会直接导致屈伸运动控制异常，增加椎间盘和小关节的退变风险。通过这些比较可以发现腰椎深层肌肉通过适度限制腰椎活动范围，以保护腰椎不会因为过度活动而造成腰椎间盘中的纤维环结构出现破损，使原本被其紧密包裹的髓核物质随之溢出，这一变化不仅会破坏腰椎间盘的正常结构，而且溢出的髓核会对周边的神经根组织施加压力，进而触发一系列病理反
应[52]。基于这些研究发现，对于因缺乏运动导致腰椎疾病的患者，应优先考虑针对深层肌肉的专项康复训练，通过增强肌肉力量和协调性来改善脊柱稳定性。这种治疗策略不仅能缓解当前症状，更有助于预防邻近节段退变等远期并发症的发生。当退行性腰椎病恶化时再考虑腰椎后路内固定手术，通过减压的方式缓解患者疼痛并保证腰椎稳定性[53]。但是内固定手术的方案较多，建议在满足病情需求的前提下，选择对肌肉和韧带损伤较少的方案。
3.2 椎间盘应力椎间盘由中央的髓核、外围环绕的纤维环以及上下软骨终板共同构成[54]。此次研究发现，在相同载荷条件下，3种模型的椎间盘应力分布模式相似，但应力值大小存在略微差异。首先，从椎间盘的应力云图可以看出负荷更集中于纤维环而不是髓核。此外，随着距椎间盘中心距离的增加，椎间盘上的载荷有增大的趋势，值得注意的是，纤维环的所有区域中靠近椎体终板的区域承受了最高载荷，这提示该区域可能是腰椎退变的始发部位。这一发现与SCARCIA等[55]的研究结论相吻合：纤维环退变时，其刚度会呈现从中心向外围递增的趋势，这与椎间盘退变早期水分流失导致的纤维环硬化密切相关。通关此次研究数据对比进一步显示在添加腰椎深层固有肌群被动支撑因素的模型中，椎间盘承受的最大应力值低于未添加的模型，且椎间盘载荷随添加肌肉被动支撑数量的增加呈递减趋势。这一现象与DIWAN等[56]的研究结论形成相互印证：脊柱肌肉功能受损会直接导致椎间盘退变相关疾病的发生。而CHENG等[57]的研究则补充了反向机制：椎间盘退变本身又会加剧肌肉萎缩，从而形成“肌肉功能下降-椎间盘退变加重”的恶性
循环。
基于这一研究结果，临床治疗中需遵循阶梯化原则：对于排除严重器质性病变的腰椎疼痛患者，应优先采用腰椎肌肉拉伸和强化训练等保守治疗方案；当保守治疗无效需手术干预，选择手术方式时，优先考虑对肌肉损伤最小的腰椎内窥镜手术；若必须行腰椎后路内固定手术，应选择肌肉剥离范围最小的手术方案。否则会因腰椎后路内固定术造成周围肌肉损伤，增加邻近节段椎间盘的应力负荷，并且通过影响终板营养运输机制诱发邻近节段椎间盘损伤，最终导致邻近节段退变的发生风险升高。
3.3 椎体皮质骨应力腰椎椎体由外层坚硬的皮质骨和内层蜂窝状的松质骨共同构成，椎体的主要功能是承载脊柱受到的载荷，其中皮质骨在承重能力中起到关键作用[58]。此次研究在相同工况下对比了3种模型的腰椎椎体皮质骨应力分布，结果显示椎体皮质骨的应力分布规律相似，只是应力的大小略有不同。具体而言，添加腰椎深层固有肌群被动支撑因素的模型相较于未添加的模型，椎体皮质骨应力最大值要小，且椎体皮质骨应力随肌肉被动支撑数量增加而进一步减小。这一结果证实了腰椎深层固有肌群的被动支撑作用能够有效减轻椎体皮质骨
负荷。
这一发现具有重要的临床意义。此前LI等[59]的研究表明，椎体上载荷的施加次数和最大幅值增大都会导致皮质骨疲劳，进而引发裂纹甚至骨折。
KARACAN等[60]也指出，腰椎肌肉萎缩或受损会显著增加骨折风险。结合此次研究的结论，可以解释此类骨折的发生机制：当肌肉功能异常时，椎体受到载荷的缓冲能力下降，导致椎体皮质骨承受的载荷增大，加速了椎体退化进程；而椎体结构退化又会破坏肌肉附着点的力学环境，进一步加剧肌肉功能衰退，从而形成肌肉损伤与椎体退变之间的恶性循环，最终导致椎体病变。这一机制也为目前临床治疗策略提供了理论证明。医生会在药物和理疗等保守治疗无效时，优先选择不切断肌肉组织的超微创腰椎内窥镜手术释放内压力；当减压效果不足时，才会考虑创口较大且需剥离多裂肌等肌肉组织的开放手术。这一研究结果进一步强调了保护和锻炼腰椎周围肌肉对维持脊柱稳定性和预防椎体退变的重要性。因此，在治疗腰椎退行性疾病时，除手术干预外，应重视术前术后的肌肉功能评估与康复训练，以打破肌肉与椎体之间退变的恶性循环。
3.4 此次研究的局限和展望首先，此次研究的样本数量较少，不过使用一个较为完整的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型作为样本足以验证腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响，但是增加样本的数量就可以更具体的反映出腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎减缓程度，以及增加样本的多样性，例如使用不同性别、不同年龄段和不同健康程度志愿者的CT数据作为样本，可以得出更全面的研究结果；其次，此次研究对有限元模型中材料属性的设定遵循一般研究设置方式，这种设定相对简单，像椎体、纤维环和韧带等材料属性非常复杂的人体组织，未来的研究工作中要对这些复杂的材料设定更趋于真实，以得到更加符合人体生物力学的实验结果；另外，此次研究中在椎间盘的应力研究中，只研究了受应力较大的L4-L5节段椎间盘应力情况，未对其他节段的椎间盘做讨论；最后，此次研究中腰骶椎骨骼肌肉有限元模型只在骨骼模型的基础上添加了腰椎横突间外侧肌、回旋肌和多裂肌，研究结果中左轴向旋转和右轴向旋转工况下肌肉被动支撑对腰椎活动范围的影响不够直观，未来的研究工作中肌肉种类可以再拓展一些，不只局限于腰椎深层固有肌群，还可以考虑一些背部的浅层肌群，以及再被动支撑研究深入后进一步加入肌肉主动发力的影响因素，更全面地去研究肌肉组织对腰椎生物力学特性的
影响。
3.5 结论此次研究建立了一个较为完整的腰椎和骶骨肌肉有限元模型，其中包括椎骨、关节软骨、髓核、纤维环、终板、韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带)和腰椎节段的部分肌肉实体(腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌)。利用有限元分析，可以发现腰椎附近肌肉被动支撑可以减少腰椎椎间盘和椎体皮质骨上的应力、限制腰椎活动度，从而减少因腰椎短暂性超出正常生理曲度而造成的损伤。而且随着肌肉数量增加，腰椎椎间盘和椎体皮质骨上的应力减少和限制腰椎活动度的效果更强，这为临床中肌肉损伤导致腰椎不稳提供了理论支持。结合以往研究和临床现象，可以认为锻炼腰椎肌肉可减轻脊柱结构负荷，进而推测能降低神经刺激程度，延缓腰椎退变。

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腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响的有限元分析

Finite element analysis of effect of passive support of deep intrinsic lumbar muscle groups on the lumbar spine

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