大鼠异常前屈姿势下L6-S1椎间盘的X射线成像与有限元分析

doi:10.12307/2026.359

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (21): 5556-5564.doi: 10.12307/2026.359

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大鼠异常前屈姿势下L6-S1椎间盘的X射线成像与有限元分析

何苗1，吴刚1，2，3，张旭兴3

1武汉体育学院运动医学院，湖北省武汉市 430079；2湖北省中医院骨伤诊疗中心，湖北省武汉市 430074；3湖北中医药大学第一临床学院，湖北省武汉市 430060

接受日期:2025-06-30 出版日期:2026-07-28 发布日期:2026-03-05
通讯作者: 吴刚，博士，副主任医师，硕士生导师，武汉体育学院运动医学院，湖北省武汉市 430079；湖北省中医院骨伤诊疗中心，湖北省武汉市 430071；湖北中医药大学第一临床学院，湖北省武汉市 430060
作者简介:何苗，女，1994年生，四川省自贡市人，汉族，武汉体育学院在读硕士，主要从事慢性疾病的康复研究。
基金资助:
湖北省中医药管理局中药科研项目(ZY2023M004)，项目负责人：吴刚

X-ray imaging and finite element analysis of the L6-S1 intervertebral disc in rats under abnormal forward-flexed posture

He Miao1, Wu Gang1, 2, 3, Zhang Xuxing3

1School of Sports Medicine, Wuhan Sports University, Wuhan 430079, Hubei Province, China; 2Center of Orthopedic Diagnosis and Treatment, Hubei Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 3First Clinical Medicine College of Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430060, Hubei Province, China

Accepted:2025-06-30 Online:2026-07-28 Published:2026-03-05
Contact: Wu Gang, MD, Associate chief physician, Master’s supervisor, School of Sports Medicine, Wuhan Sports University, Wuhan 430079, Hubei Province, China; Center of Orthopedic Diagnosis and Treatment, Hubei Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Wuhan 430074, Hubei Province, China; First Clinical Medicine College of Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430060, Hubei Province, China
About author:He Miao, Master candidate, School of Sports Medicine, Wuhan Sports University, Wuhan 430079, Hubei Province, China
Supported by:
Hubei Provincial Administration of Traditional Chinese Medicine Chinese Medicine Research Project, No. ZY2023M004 (to WG)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

前屈姿势：是指脊柱向前弯曲的一种非中立体位，常见于人类久坐、伏案等生活和工作状态中，被认为是腰椎间盘退变的重要诱因之一。此次研究以课题组前期开发的大鼠异常前屈姿势模型为研究对象，基于已有实验基础，进一步开展X射线成像与定量分析，验证了该体位在宏观结构层面可显著改变椎间盘形态与力学环境。
有限元分析：是一种将复杂结构离散为小单元并求解其力学响应的数值模拟方法，广泛用于生物组织力学研究。此文以Micro-CT扫描重建的大鼠L6-S1三维结构为基础，构建有限元模型，结合X射线测量的椎间盘角变化值设置边界加载条件，计算了终板、纤维环与髓核在异常姿势下的应力分布。以有限元分析作为评估工具，为揭示椎间盘不同组织在异常体位下的力学反应提供理论依据，亦为该模型的可靠性与后续机制研究奠定数据基础。

摘要
背景：作者课题组前期构建了一种新型大鼠腰椎力学模型，该模型通过特定装置将大鼠腰椎长期固定于异常前屈姿势，成功诱导L6-S1节段退变。然而，目前尚缺乏对该模型的生物力学相关评估。
目的：通过X射线片验证和有限元模型分析，评估大鼠异常前屈姿势下L6-S1节段的生物力学特性。
方法：基于课题组前期建立的SD大鼠异常前屈姿势模型，选取3只健康雌性SD大鼠，在未麻醉捆绑和麻醉放松状态下拍摄侧位X射线片，测量L6-S1椎间盘角，分析L6-S1节段在不同姿势下的椎间盘角变化；基于1只健康雌性SD大鼠的Micro-CT扫描数据，利用Mimics、Geomagic Wrap和SolidWorks重建L6-S1节段三维模型，并在ANSYS Workbench中进行网格划分、材料赋值及前屈加载模拟，计算L6-S1椎间盘各组织结构的应力分布。
结果与结论：①L6-S1椎间盘角在放松、捆绑姿势下平均值分别为(12.16±0.57)°，(1.26±0.26)°；②在L6-S1椎间盘前屈10°姿势下，椎间盘上终板、下终板、纤维环、髓核的最大等效应力分别为10.398，19.928，6.819，0.104 MPa，其中，上下终板最大von-Mises应力明显高于纤维环和髓核；③提示在L6-S1椎间盘前屈10°造模姿势下，L6-S1椎间盘角减小，致使L6-S1椎间盘形态及受力负荷发生显著变化；构建的有限元模型模拟了大鼠异常前屈姿势下L6-S1椎间盘的生物力学环境，该姿势下的上下终板承受较大等效应力，可能是此模型中理论上最早出现退行性改变的结构。

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: ">大鼠, 椎间盘, 前屈, 姿势, 生物力学, 有限元, X射线, 椎间盘角

Abstract: BACKGROUND: Our group developed a rat lumbar spine model inducing L6-S1 segmental degeneration by prolonged fixation in an abnormal forward-bending posture through a specific device. However, biomechanical evaluation of this model remains lacking.
OBJECTIVE: To evaluate the biomechanical properties of L6-S1 motion segment in rats with abnormal forward bending posture through X-ray verification and finite element analysis.
METHODS: This study utilized a previously established SD rat model of abnormal forward-flexed posture. Lateral X-ray images of three healthy female SD rats were taken in both restrained (unanesthetized) and relaxed (anesthetized) states to measure the L6-S1 disc angle and analyze its changes under different postures. Micro-CT data from one healthy female SD rat were used to reconstruct a 3D L6-S1 model with Mimics, Geomagic Wrap, and SolidWorks. The model was then meshed, assigned material properties, and subjected to forward flexion loading simulation in ANSYS Workbench to calculate stress distribution in L6-S1 disc structures.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The mean L6-S1 intervertebral disc angle was (12.16±0.57)° in the relaxed posture and (1.26±0.26)° in the restrained posture. (2) Under a 10° forward-flexed posture, the maximum von-Mises stress in the superior endplate, inferior endplate, annulus fibrosus, and nucleus pulposus of the L6-S1 intervertebral disc was 10.398, 19.928, 6.819, and 0.104 MPa, respectively. The maximum von-Mises stress in the superior and inferior endplates was significantly higher than in the annulus fibrosus and nucleus pulposus. (3) These findings suggest that in the 10° flexion modeling posture of the L6-S1 intervertebral disc, the reduction of the L6-S1 intervertebral disc angle leads to significant changes in disc morphology and load distribution. The constructed finite element model successfully simulated the biomechanical environment of the L6-S1 intervertebral disc under abnormal forward-flexed posture in rats. The superior and inferior endplates bear higher equivalent stress in this posture, making them the structures most likely to undergo early degenerative changes.

Key words: ">rat, intervertebral disc, flexion, posture, biomechanics, finite element, X-ray, intervertebral angle

中图分类号:

何苗, 吴刚, 张旭兴. 大鼠异常前屈姿势下L6-S1椎间盘的X射线成像与有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(21): 5556-5564.

He Miao, Wu Gang, Zhang Xuxing. X-ray imaging and finite element analysis of the L6-S1 intervertebral disc in rats under abnormal forward-flexed posture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(21): 5556-5564.

图/表（结果） 5

2.1 大鼠L6-S1节段有限元模型建立和验证结果 经过Mimics蒙版分割、Geomagic Wrap优化、SolidWorks构建几何、ANSYS Workbench划分网格等操作后，最终生成462 617个中间节点、355 073个单元，模拟了大鼠脊柱L6-S1节段的几何结构与材料属性(图2K)。
在模型验证过程中，此次研究构建的正常大鼠L6-S1节段在前屈5°载荷下的计算结果与既往研究的结果相接近[14]，见表2，表明此模型有效，可以用于后续研究。

2.2 有限元中模拟异常前屈姿势的载荷设置：椎间盘角测量及变化值 对大鼠大体X射线片观察可知，放松姿势下椎间盘呈现较明显的前方厚、后方薄趋势，捆绑姿势下椎间盘前厚高度差异缩小明显。对X射线片进行如图4A-D所示的椎间盘角测量，结果如下：放松状态下，3只大鼠L6-S1椎间盘角分别为(12.23±0.51)°，(12.13±0.35)°，(12.10±0.95)°；捆绑状态下，L6-S1椎间盘角分别为(1.23±0.31)°，(1.47±0.12)°，(1.07±0.21)°，见表3。统计分析显示，放松体位下，3只大鼠间椎间盘角差异无显著性意义(P=0.967)，见图4E，具有可比性；捆绑体位下，3只大鼠间数据同样无显著性差异(P=0.169)，见图4F，表明捆绑造模具有良好的一致性。进一步分析发现，相较于放松状态，捆绑操作显著降低了L6-S1椎间盘角，差异有显著性意义(P < 0.001)，见图4G。
基于实验测量，放松状态与捆绑状态下椎间盘角变化量分别为11.00°，10.67°和11.03°，平均角度变化量约为10.90°。文献复核结果表明，王田等[18]报道的L5-S1椎间盘角变化量为10.74°，与此次研究测得的大鼠L6-S1椎间盘角变化量高度相似，进一步支持捆绑造模的合理性。因而，此次研究基于实验数据与文献证据，最终将有限元模型的前屈加载角度确定为10°。

2.3 上终板应力及分布 在L6-S1椎间盘前屈10°姿势下，椎间盘上终板的最大等效应力为10.398 MPa，分布在终板与L6椎骨下表面骨质交界的前侧区域。中部区域等效应力较小且分布较均匀，最小值为0.047 MPa，见图5。

2.4 下终板应力及分布 在L6-S1椎间盘前屈10°姿势下，椎间盘下终板的最大等效应力为19.928 MPa，分布在终板与S1椎骨上表面交界的前侧区域。在左前与右后方向及中部区域等效应力最小且均匀分布，最小值为0.040 MPa，见图6。

2.5 纤维环应力及分布 在L6-S1椎间盘前屈10°姿势下，椎间盘纤维环最大应力为6.819 MPa，分布在纤维环与下终板上表面交界的后侧偏左区域。左前与右后方向上小范围区域等效应力较小，最小值为0.126 MPa，见图7。
2.6 髓核应力及分布 在L6-S1椎间盘前屈10°姿势下，椎间盘髓核最大应力为0.104 MPa，分布在髓核与下终板上表面交界的前侧区域，等效应力最小值为0.018 MPa，整体应力分布较为均匀，见图8。

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引言

材料方法

1.1 设计 使用X射线片评估椎间盘形态变化，并确定有限元对姿势的模拟加载条件，同时建立L6-S1节段有限元模型，结合X射线片测量结果，模拟并评价该建模姿势下椎间盘各组织结构的应力及分布。
1.2 时间及地点 实验于2024年7月至2025年2月分别在武汉体育学院、湖北省中医院及中国科学院水生生物研究所分析测试中心完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物选用4只12 周龄、体质量约250 g的健康雌性SD大鼠，购自武汉贝赛模式生物科技有限公司，实验动物生产许可证号：SCXK(鄂)2022- 0029。其中3只进行活体X射线摄片，1只进行离体Micro-CT断层扫描。实验方案经湖北省中医院科研伦理委员会批准，批准号为：HMZY2022-C03-02。实验过程遵循了国际兽医学编辑协会《关于动物伦理与福利的作者指南共识》和本地及国家法规。
1.3.2 设备及软件
设备：DXS Pro数字化X射线生物样本成像系统(Bruker/美国，由中国科学院水生生物研究所分析测试中心提供)；Skyscan 1276高分辨率显微CT扫描仪(Bruker/美国，由中国科学院水生生物研究所分析测试中心提供)；计算机采用联想拯救者R9000。
软件：Mimics 21.0(Materialise，比利时)；Geomagic Wrap 2017(3D Systems，美国)；SolidWorks 2023(Dassault Systèmes，法国)；ANSYS Workbench 2024 R2(ANSYS，美国)；Radiant DICOM Viewer(Medixant，波兰)。
1.4 方法
1.4.1 X射线片拍摄选取3只12周龄、体质量约250 g的健康雌性SD大鼠，拍摄前24 h禁食，自由饮水。为减少个体差异，每只大鼠均完成未麻醉捆绑与麻醉放松两种姿势的X射线片拍摄。首先，在未麻醉状态下按照实验室造模方法固定大鼠并置于动物仓行侧位片拍摄(图1A)。具体固定过程由2名实验人员协作完成：一人负责约束大鼠，另一人依次将其四肢穿入鼠衣预设的4个孔洞，并通过腹部暗扣将大鼠躯干与头部整体包裹。随后，适度收紧头部系带以防止头部回缩，再由固定人员将大鼠缓慢弯曲成“头尾对折”状态，协助人员同步系紧头尾两侧系带，使大鼠呈现近似“头尾相接”的球状姿势。随后解除捆绑装置，自由活动30 min。之后通过腹腔注射1.5%戊巴比妥钠(3 mL/kg)诱导全麻，将大鼠以自然休息侧卧位置于动物仓进行X射线侧位片拍摄(图1B)。整个过程在中国科学院水生生物研究所分析测试中心采用Bruker DXSPro数字化X射线生物样本成像系统完成，图像以DICOM格式存储备份。

1.4.2 Micro-CT扫描选取1只12周龄、体质量约250 g的健康雌性SD大鼠，经腹腔注射1.5%戊巴比妥钠过量麻醉致死后，完整剥离L3-S2椎骨、椎间盘、肌肉及韧带等组织(图1C)，确保脊柱自然生理曲度不受外力影响。标本随后置于40 g/L多聚甲醛固定液中室温保存。Micro-CT扫描前，取出标本，由专业技术人员预处理并固定，以减少旋转过程中可能引起的位移，优化扫描质量。Micro-CT断层影像采集于中国科学院水生生物研究所分析测试中心，采用Bruker Skyscan1276高分辨率显微CT扫描仪，关键参数包括X射线源电压100 kV/200 μA、铝+铜组合滤波片、单帧曝光时间415 ms、扫描层厚10.137 μm、单步旋转角度0.3°，并启用平场矫正。图像重建使用NRecon(v1.7.4.2)软件，采用环状伪影及光束硬化校正，并应用后对准补偿优化图像质量，最终获得2 687张DICOM格式断层图像，供后续分析使用。

1.4.3 大鼠椎间盘有限元模型构建如图2所示，DICOM格式断层图像导入Mimics 21.0软件，设定阈值(1 400-5 478 HU)初步提取脊柱结构(图2A)，并结合编辑蒙版与区域增长工具逐层分割出L6、S1椎骨(图2B)，全程参考大鼠离体椎骨标本(图2C)，确保模型符合解剖形态。提取完成后，将蒙版转换为几何模型并使用光顺工具优化表面后，以STL格式导出(图2D)。在Geomagic Wrap 2017中，首先删除边界线并重新划分网格，结合砂纸、松弛、删除钉状物等工具进行多轮光滑处理，同时参考大鼠椎骨大体标本修正细节(图2C)，借助网格医生检查、修正至无误。随后，进入精确曲面模块，依次完成编辑轮廓线、构造曲面片、构造格栅、拟合曲面等步骤，构建出精细的L6、S1椎骨曲面模型(图2E)，并导出STEP文件。优化后的模型导入SolidWorks进行L6-S1完整建模，包括上下终板、纤维环及髓核的构建。具体而言，以S1上表面建立基准面，绘制椎间盘轮廓并拉伸凸台生成初步形态，随后利用等距曲面分割实体形成完整椎间盘结构(图2I)。进一步采用等距曲面设定终板厚度为0.064 mm[10-11]，分割完整椎间盘实体以形成上下终板(图2F)。重复之前步骤，绘制髓核轮廓，分割出髓核与纤维环(图2G，H)，其中髓核占椎间盘面积的60%[12]。模型经干涉评估确认无几何冲突后，以STP格式导出(图2J)。最后，将模型导入ANSYS Workbench 2024 R2进行有限元前处理。采用四面体单元(Tet10)进行网格划分，将椎体与终板、终板与纤维环和髓核、纤维环与髓核均设置为绑定接触，采用梁单元模拟棘间、棘上韧带(图2K)，设置模型中各组织结构材料赋值[13-14]，见表1。

1.4.4 模型有效性验证鉴于大鼠腰椎间盘体积较小，作者课题组受技术条件限制，无法采用传统力学实验进行验证。因而此次研究采用文献调研法，参考既往数值模拟结果对模型有效性进行评估。既往研究中，周嘉骏[14]通过在L6椎骨上表面施加5°屈曲载荷并固定S1下表面，成功模拟了大鼠尾椎屈曲活动，结果显示正常大鼠尾椎间盘髓核应力为0.119 MPa。借鉴其加载方式，此次研究在所构建的大鼠L6-S1节段有限元模型中施加相同工况，并将计算所得的髓核应力与上述研究结果进行对比分析，以验证模型在生物力学响应方面的合理性。
1.4.5 有限元中模拟异常前屈姿势的载荷设置椎间盘角，即上下终板间所形成的夹角，又称前弓弧度[15]，是评估腰椎生理曲度和椎间盘健康状况的重要指标。此次研究结合实验室测量与文献调研双重方法，以确定L6-S1节段的前屈加载角度。

实验测量方面，采用Radiant DICOM Viewer图像处理软件分析数字化X射线生物样本成像系统所得的侧位X射线片，参考白文媛等[16]、姜锦鹏等[17]的方法测量不同体位下的L6-S1椎间盘角。具体操作如下：在侧位X射线片内，分别连接上位椎体下缘前后最低点与下位椎体上缘前后最高点，形成2条基准线(线a和线b)，2条基准线及其延长线之间形成的夹角即为椎间盘角，如图3所示。依据该方法分别测量放松体位的椎间盘角度(θ)及捆绑状态下的椎间盘角度(θ′)，计算出由捆绑造成的角变化量Δθ=θ-θ′。由同一研究人员对3只大鼠分别测量3次，以减少人为误差。

此外，文献调研方面，通过检索“姿势” “脊柱” “椎间盘” “Posture” “Spine” “Intervertebral disc”等检索词，查阅与人体脊柱姿势相关的椎间盘角研究，并分析既往文献对异常坐姿下L5-S1椎间盘角变化的测量数据。在此基础上，结合实验室测量结果，对比文献数据，最终综合确定此次研究有限元模型的边界加载条件。
1.4.6 有限元模拟方案在L6-S1节段三维有限元模型中模拟作者课题组实验室捆绑造模对大鼠L6-S1运动节段的前屈操作。首先，约束S1椎体下表面所有方向的自由度，以提供稳定的边界条件；随后，以大鼠解剖姿势为基准建立坐标系，并调整坐标系使其与解剖位对齐；最后，在L6椎体上表面施加基于该坐标系的10°旋转加载，同时保持其他方向自由，以准确再现实验室捆绑造模时的前屈姿态。
1.5 主要观察指标 测量捆绑姿势引起的椎间盘角变化值。并将椎间盘角值在静态结构下对模型进行边界加载，计算大鼠L6-S1椎间盘的上下终板、纤维环、髓核等组织结构的von-Mises等效应力及分布情况。
1.6 统计学分析 统计分析采用SPSS 26.0软件进行处理，计量数据以x±s表示。组内差异检验采用单因素方差分析，组间差异性检验采用用独立样本t检验，以P < 0.05作为统计学显著性标准。文章统计学方法已经武汉体育学院生物统计学专家审核。

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

讨论

3.1 新型模型开发背景及L6-S1节段选取的合理性椎间盘退变是导致腰椎疾病最常见的病因之一[19]，与腰背痛密切相关[20-21]，具有较高的发病率和重要的研究价值。而在实际研究中，构建更优质的动物模型对于深入研究椎间盘退变的发生机制、制定有效的预防和治疗策略具有重要意义[22]。目前，大鼠已成为研究椎间盘退变的重要实验模型[23]，常见的大鼠力学模型包括尾椎“U”型固定[24-27]、轴向加压和双足直立等[28-33]，前两种模型涉及手术操作，其力学加载方式与人体日常活动下椎间盘所受的实际应力模式存在显著差异，而双足直立模型在实际应用中受到较大限制。综上所述，现有大鼠力学模型不适用于模拟人类椎间盘非侵入性且进展相对缓和的退变过程。针对现有模型的局限，作者课题组前期开发了一种新型非侵入性捆绑造模装置，可将大鼠腰椎长时间固定于异常前屈体位，诱导椎间盘退变。该模型无需手术、操作简便且一致性高，已在组织学和影像学层面证实其可有效诱导椎间盘退行性改变。
为进一步验证该模型在类比人类腰椎退变方面的合理性，需要有更多层面的支持。已有研究表明，大鼠可作为人类腰椎力学研究的替代模型。JAUMARD等[11]通过比对大鼠与人类腰椎形态，发现二者在椎管宽深比、椎体宽深比等结构参数上存在相似性，说明大鼠具备一定的解剖学可比性，适用于人类椎间盘力学响应的模拟研究。在此基础上，众多椎间盘退变相关研究也以L4-S1节段作为造模与分析重点。例如，崔力扬等[34]对大鼠L6-S1节段进行针刺造模，武圣达等[35]、刘盾[36]则以L5-6节段作为主要观察区域，均体现出该区域在建模及评估中的代表性和适用性。进一步地，LI等[37]应用动态增强MRI技术对不同节段进行成像分析，结果显示L6-S1节段的髓核信号强度随年龄显著下降，提示其对退变负荷更为敏感。类似现象也见于MURIUKI团队[38]对人类腰椎尸体标本的研究，其结果显示L5-S1节段的退变程度普遍高于上位节段。结合作者课题组前期动物实验观察结果，即该异常前屈体位主要诱导L6-S1节段发生退变，推测该节段处于腰骶交界部位，其特殊的解剖结构和生物力学特性可能使其在异常负荷下更易受到损伤。因而，此次研究选取L6-S1作为重点研究对象，初步探讨其在异常体位下的力学响应特征。
然而，局限于单一节段的分析仍不足以全面呈现异常姿势下整个腰椎系统的力学特征。为更深入理解模型的力学机制与节段性差异，后续研究可结合体内实验与有限元方法，开展多节段的实验室检测与力学评估。同时，也可进一步构建对应的人体有限元模型，开展跨物种对比，探讨该模型在力学特性与退变表现上的相似性，以评估其在模拟人类腰椎退变方面的适用性与转化潜力。上述研究将有助于推动该模型在机制阐释、干预策略开发及临床类比性等方面的进一步应用。
3.2 椎间盘角变化的影像学验证此次研究通过X射线成像评估了异常前屈姿势对大鼠L6-S1节段椎间盘宏观形态的影响。结果显示，在未固定放松状态下，椎间盘呈“前高后低”形态，而在捆绑体位下，椎间盘形态趋于“前后高度接近”，提示该体位干预可显著改变椎间盘的几何结构。进一步测量L6-S1椎间盘角，发现放松状态下平均角度为12.16°，捆绑状态下降至1.26°，平均变化值为10.90°，差异有显著性意义(P < 0.001)。椎间盘形态改变及椎间盘角度显著减小表明，该姿势干预可能改变该节段的力学加载路径，为后续力学模拟提供了关键依据，也为进一步探讨异常姿势所致退变机制奠定了几何基础。
3.3 有限元模型构建的合理性与创新性在有限元分析中，模型的几何形状、材料属性和边界条件的设置对最终求解结果具有决定性影响。几何形状的精确重建直接关系到模型对生物结构的真实再现程度，材料属性的赋值影响应力和应变的分布情况，边界条件的设置则决定模型在特定加载环境下的响应模式。因而，此次研究在模型构建过程中对上述关键因素进行了尽可能精准的处理。
首先，通过Micro-CT获取高分辨率的脊柱影像，结合离体单节椎骨标本对模型进行优化，精确重建L6-S1节段椎间盘的几何结构，确保模型形态与真实生物结构一致。其次，参考既往文献中对大鼠椎间盘不同组织的生物力学参数，分别对纤维环、髓核和终板的材料属性进行了目前所能获得的最合理材料属性设置。最后，结合X射线片测量的椎间盘角变化，合理设置边界加载条件，确保加载模式与异常前屈姿势下的生物力学环境相符。上述精细化建模策略有效提高了有限元分析结果的准确性和生物学相关性，为探索椎间盘在异常姿势下的力学响应机制提供了可靠的建模基础。
3.4 有限元分析结果的生物力学解释为系统量化不同组织在异常前屈姿势下的受力特征，此次研究采用von-Mises等效应力作为主要评价指标。von-Mises应力基于能量屈服准则，能够将复杂的三维应力状态归结为单一标量[39]，并应用于各向同性生物组织(如椎间盘)的有限元分析[40-42]，以评估其在复合载荷作用下的屈服风险与损伤倾向，其结果具备较强的解释力与可比性。
作者通过构建大鼠L6-S1节段的三维有限元模型，并施加模拟10°前屈的静态加载边界条件，以重现实验中观测到的捆绑体位，进而对上终板、下终板、纤维环和髓核的力学响应进行分析。仿真结果显示，各组织结构在前屈姿势下呈现出不同的应力水平与分布特征。髓核的von-Mises应力最低，仅为0.100 MPa，集中分布于其与纤维环交界处，这一模式或可解释退变过程中髓核–纤维环边界渐趋模糊的现象。纤维环的最大应力为6.819 MPa，主要位于后侧偏左区域，与临床上椎间盘常向后方突出趋势相吻合。值得注意的是，上、下终板的最von-Mises应力分别达到10.398 MPa和19.928 MPa，均远高于纤维环与髓核，提示终板在异常前屈姿势下承受的机械负荷最为集中。该发现与NATARAJAN等[43]提出的“椎间盘失效始于终板”观点相一致，有望为终板作为退变起始部位提供新的力学证据。
终板在椎间盘生物力学中具有重要作用，是椎间盘与椎体之间的连接结构，直接影响椎间盘的营养供应和生物力学稳定性。终板在前屈加载下承受高应力的现象可从骨骼对增加的机械负荷的功能适应以及机械负荷与骨骼结构之间的关系角度进行解释[44]。根据基以Wolff定律(Julius Wolff)为基础引出的“骨功能适应”理论：任何负重活动都会对骨骼施加机械负荷并导致骨组织的重塑[45]，并在应力集中的区域刺激成骨细胞活性，增加骨量，最终形成骨赘[46-48]。机制层面，异常应力可以通过激活Hippo-CCL3信号通路，招募破骨细胞重塑软骨终板，最终导致终板表面形态不规则[49]。CHRISTIAN等[50]将骨重塑算法与有限元模型相结合，并与临床观察结果对比发现，椎间盘切除术后，脊柱结构改变，脊柱结构变化会导致终板应力模式改变，引发骨骼重塑。表观层面，骨骼位置和一般机械环境可以影响骨骼应变模式与结构之间的对应关系[51]。YU等[52]、ARUL等[53]进行的回顾性研究表明，终板形态与椎间盘退变具有相关性。临床表现出轻度退变的椎间盘多呈凹形终板，而重度退变则常伴随终板形态的不规则变化，且这类不规则终板更容易伴随Modic改变，提示长期异常应力可能导致终板退变和Modic改变。上述研究均强调了异常应力在骨形态重塑中的重要作用。
此次研究中上下终板的应力显著高于其他结构，表明在异常前屈姿势下，终板可能是椎间盘退变的初始部位。目前在前期研究中已经观察到组织形态层面的变化，但尚未明确终板开始退变的具体时间节点以及后期发展趋势，未来可通过设置加载时间节点，进一步以体内实验或分子实验为平台探讨终板应力集中与形态重塑之间的动态时间节点与发生发展机制。
综上所述，此次研究表明，异常前屈姿势显著减小L6-S1椎间盘角度，改变了椎间盘的整体形态，提示该姿势对椎间盘的负荷路径产生影响。在此基础上，有限元分析进一步揭示终板区域应力集中，可能为该模型退变最早发生的部位。研究结果从几何与力学两个维度验证了该模型的生物力学特征，为其在退变机制探索与干预策略开发中的进一步应用提供了理论支持。

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大鼠异常前屈姿势下L6-S1椎间盘的X射线成像与有限元分析

X-ray imaging and finite element analysis of the L6-S1 intervertebral disc in rats under abnormal forward-flexed posture

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