L4-5椎体有限元模型建立及退变椎间盘力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1083

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (8): 1222-1227.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1083

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

L₄_-5椎体有限元模型建立及退变椎间盘力学分析

文毅¹，苏峰²，刘肃²，宗治国²，张鑫²，马朋朋²，李月轩¹，李瑞¹，张志敏³

¹河北北方学院研究生学院，河北省张家口市 075000；河北北方学院附属第一医院，²脊柱外科，³放射科，河北省张家口市 075000

出版日期:2019-03-18 发布日期:2019-03-18
通讯作者: 苏峰，硕士，主任医师，河北北方学院附属第一医院脊柱外科，河北省张家口市 075000
作者简介:文毅，男，1984年生，四川省邻水县人，汉族，河北北方学院在读硕士，主治医师，主要从事脊柱生物力学方面的研究。
基金资助:
河北省省级重大医学科研课题(zd2013050)，项目负责人：苏峰

Establishment of finite element model of L₄_-₅ and mechanical analysis of degenerative intervertebral discs

Wen Yi¹, Su Feng², Liu Su², Zong Zhiguo², Zhang Xin², Ma Pengpeng², Li Yuexuan¹, Li Rui¹, Zhang Zhimin³

¹Graduate School, Hebei North University, Zhangjiakou 075000, Hebei Province, China;²Department of Spinal Surgery, ³Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Hebei North University, Zhangjiakou 075000, Hebei Province, China

Online:2019-03-18 Published:2019-03-18
Contact: Su Feng, Master, Chief physician, Department of Spinal Surgery, the First Affiliated Hospital of Hebei North University, Zhangjiakou 075000, Hebei Province, China
About author:Wen Yi, Master candidate, Attending physician, Graduate School, Hebei North University, Zhangjiakou 075000, Hebei Province, China
Supported by:
the Major Medical Scientific Research Subject of Hebei Province, No. zd2013050 (to SF)

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

腰椎有限元模型：该模型的建立是通过获取人体腰椎CT或MRI DICOM数据，运用mimics等三维重建软件对椎体进行三维重建，其中的3-matic部分可进行椎间盘等软组织的重建，将重建好的模型进行有限单元网格化，赋予材料属性后便可进行相关力学运算。

椎间盘退行性变：随着年龄的增长，椎间盘内髓核和纤维环水分含量逐渐降低，其内结构亦相应发生变化，结构的改变必然导致外部应力作用于椎间盘时其内部传导方向的改变，内外因素的相互作用加速其退变，退变椎间盘在缓冲、转移、分散脊柱载荷的能力方面逐渐降低。

摘要

背景：脊柱在人体中起着承上启下的作用，把躯干上部的重力传递到腰骶部直至骨盆，L₄_-₅椎体处于脊柱的最下端，承受的载荷最大，其间的椎间盘亦承受相当的高应力，因此该部位椎间盘退变和突出高发。

目的：建立人L₄_-₅椎体及椎间盘有限元模型，进行退变椎间盘力学仿真分析。

方法：利用GE64排螺旋CT对中年女性腰椎进行扫描，得到206层层厚为2 mm的CT断层DICOM图像，应用Mimics软件进行椎体的三维重建，再导入3-matic软件中建立椎间盘，划分面网格及体网格，再以CDB格式导入Mimics软件中赋予椎体及椎间盘材料属性，最后导入Ansys软件中建立韧带，进行L₄_-₅椎体及椎间盘的生物力学分析。

结果与结论：①成功建立了可用于腰椎体及退变椎间盘力学分析的有限元模型；②站立情况下椎间盘前部承受的载荷较后部高(F=7.995，P < 0.000 1)，处于椎间盘中部的髓核承受载荷较前部纤维环低(t=5.013，P < 0.000 1)；③提示L_4-5椎体有限元模型从生物力学角度证实，髓核及后部椎间盘突出与前部纤维环承受高应力后向髓核及后部纤维环传递，前部纤维环对髓核和后部纤维环的挤压与椎间盘的退行性变密切相关。

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
ORCID: 0000-0003-0678-2560(文毅)

关键词: 腰椎, 椎间盘, 椎体有限元模型, 退变椎间盘, 腰椎力学分析, 纤维环水分, 椎间盘受力载荷

Abstract:

BACKGROUND: Spine plays a connecting link role in the human body. The gravity of the upper part of the trunk is transmitted to the lumbosacral region until the pelvis. L₄_-₅ vertebral body is at the lowermost end of the spine, and the load is the largest. The intervertebral disc is also subjected to considerable high stress, so the intervertebral disc is prone to degeneration and herniation.

OBJECTIVE: To establish a finite element model of human L₄_-₅ vertebral body and intervertebral disc, and to conduct mechanical simulation analysis of degenerative disc.

METHODS: The lumbar spine of adult women was scanned by GE64 spiral CT, and 206 CT DICOM images of 2 mm in thickness were obtained. Three-dimensional reconstruction of the vertebral body was performed with Mimics software. Then 3-matic software was used to establish the intervertebral disc, to divide surface mesh and volume mesh, and then models were imported the Mimics software in CDB format to give vertebral body and intervertebral disc material properties, and finally imported inte Ansys software to establish ligaments for biomechanical analysis of L₄_-₅ vertebrae and intervertebral disc.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The finite element model for the mechanical analysis of the lumbar vertebral body and the degenerated intervertebral disc was successfully established. (2) The standing force of the anterior disc was higher than that of the posterior part (F=7.995, P < 0.000 1). The nucleus in the middle of the intervertebral disc was subjected to the load compared with the anterior annulus. The anterior annulus was low (t=5.013, P < 0.000 1). (3) In summary, in the finite element model of the L₄_-₅ vertebral body, the nucleus pulposus and the posterior disc herniation and the anterior annulus fibrosus are subjected to high stress and the posterior nucleus pulposus and posterior annulus fibrosus are transmitted from the biomechanical point of view. The compression of the nucleus and posterior annulus is closely related to the degeneration of the intervertebral disc.

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

Key words: Lumbar Vertebrae, Intervertebral Disk, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R445

文毅，苏峰，刘肃，宗治国，张鑫，马朋朋，李月轩，李瑞，张志敏. L₄_-5椎体有限元模型建立及退变椎间盘力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(8): 1222-1227.

Wen Yi, Su Feng, Liu Su, Zong Zhiguo, Zhang Xin, Ma Pengpeng, Li Yuexuan, Li Rui, Zhang Zhimin. Establishment of finite element model of L₄_-₅ and mechanical analysis of degenerative intervertebral discs

[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(8): 1222-1227.

图/表（结果） 4

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2017年12月在河北北方学院附属第一医院骨科完成。

1.3 对象 选择1例中年女性左侧椎间盘突出志愿者，45岁，体质量60 kg，身高166 cm，X射线检查排除腰椎骨骼异常情况，受试者对试验方案知情同意，试验方案经过医院伦理委员会批准。

1.4 方法

1.4.1 数据采集采用64排螺旋CT(GE公司，美国)对腰椎横断面进行连续扫描，扫描条件120 kV，250 mV，层厚2 mm，共206层，各断层图像以DICOM文件输出。

1.4.2 建模环境

计算机配置：intel(R)Core(TM)i5-6 200 U CPU@ 2.3 GHz 2.4 GHz，4 G内存，显卡AMD Radeon R5 M330，显存容量2 G，Windows 10操作系统。

软件：医学图像处理软件Mimics 19.0(Materialise公司，比利时)，网格划分软件3-matic11.0(Materialise公司，比利时)，大型有限元分析软件Ansys 15.0(Ansys公司，美国)。

1.4.3 L_{4_-₅椎体模型的建立将DICOM格式文件导入mimics软件中，导入时选择无损模式，界定阈值在226-1 477 Hounsfield单位为骨组织，软件自动生成各层面组织窗轮廓线，定位L₄_-₅图像，多层编辑擦除上下脊椎及周围软组织，经过Region Growing分割出L₄_-₅椎体骨组织，每层图像经过边缘分割，选择性编辑，补洞等处理，经过Calculate 3D建立L₄_-₅椎体几何模型，将几何模型再经过smooth处理使其更加光滑，Triangle Reduction处理减少多余三角面片，最后经过wrap包裹得到比较光整的几何模型^[14-16]。}

1.4.4 椎间盘模型的建立将建立好的L₄_-₅椎体模型导入3-matic中，选择wave brush mark功能mark L₄椎体的下表面和L₅椎体的上表面，再通过Anatomy Reconstruction建立椎间盘。再选择椎间盘的上下表面，通过Design中的wrap功能建立终板，选择Align中的scale功能建立髓核，在通过布尔减建立纤维环，见图1，将髓核、终板、纤维环以stl格式导出分别保存^[17-18]。

1.4.5 网格划分将L_4-5椎体导入3-matic中，选择remesh划分网格，椎体网格最大边长为3 mm，进行体网格划分，划分为六面体8节点(solid185)单元，单元(element)数为 19 745，节点(nodes)数目4 589。椎间盘采用四面体10节点(solid187)单元划分体网格，网格最大边长为1 mm，单元(element)数为20 966，节点(nodes)数目40 465^[19]。

1.4.6 材料赋值体网格划分好后，将椎体及椎间盘三维模型网格以CDB格式导入mimics软件中赋予材料属性，经过mimics计算灰度值，每个单元都有自己的灰度值，采用均分法将椎体体网格灰度值均分为10种材料属性，椎间盘中髓核、纤维环、终板3部分各赋予一种材料属性，见图2。根据已有经验公式，密度=1×HU，弹性模量E=7.136×密度-172.3，骨皮质、骨松质、终板、纤维环、髓核的泊松比分别设为0.3，0.2，0.25，0.45，0.499^[20-21]。根据上述公式设置相应材料属性。

1.4.7 生物力学分析将赋予材料属性的椎体及椎间盘导入Ansys软件中，运用Spring弹簧单元模拟韧带，见图3，分别建立椎体周围的7根韧带，spring behavior设置为both，tention only^[22-24]。固定L₅椎体底部，在L₄椎体上表面分别施加500，600，700，800，900，1 000，1 100，1 200，1 300，1 400 N的压力，模拟人体体质量指数由正常体质量到超重、肥胖的变化过程中椎体及椎间盘所承受压力的变化，见图4。选取L_4-5椎间盘底部前、左、后、右、中部5点，分别用A、B、C、D、E标记各点，见图5，测定各点在不同压力下的von-Mises应力。

1.5 主要观察指标 观察椎间盘A(前)、B(左)、C(后)、D(右)、E(中)各点von-Mises应力大小，通过患病志愿者体质量指数由正常、超重到肥胖的过程中椎间盘各点承受应力逐渐增加，分析椎间盘不同部位von-Mises应力变化情况。分别比较椎间盘A/B、A/C、A/D、A/E、B/D、D/E、C/E的von-Mises应力大小，揭示von-Mises应力传递和衰减方向。

1.6 统计学分析 采用SPSS 23.0统计软件，计量资料以x(_)±s表示，每个指标总体采用完全随机设计资料单因素方差分析，组间两两比较采用LSD-t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

随着社会的高速发展，人口老龄化逐步加剧，下腰痛发病率逐年增加，严重影响人们的日常工作和生活。下腰痛常见的发病原因，有腰肌劳损、急性腰扭伤、腰椎间盘突出等^[25-26]，腰椎间盘突出成为其主要的致病因素，并且由腰椎间盘退行性病变发展而来的椎间盘突出症多数不可逆。下腰痛随着椎间盘退变和突出的加重而逐渐加剧。导致椎间盘退变和突出的机制目前尚未完全统一，因为椎间盘在人体中主要起着承受脊柱载荷、缓解和分散其应力、维持脊柱一定活动度的作用，因此机械应力在椎间盘退变和突出中所起的作用不可忽视^[27]。由于脊柱有前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋、右旋6个活动度，当进行这几个活动或复合活动时，必然存在局部应力的集中，从而加速椎间盘的退变^[28-29]。对于已经存在椎间盘退变和突出的患者而言，不进行上述6个活动，直立状态下椎间盘内部是否存在应力传导异常，目前尚无相关研究。而此文就是从模拟直立状态下患病志愿者椎间盘承受不同载荷，分析其内部纤维环、髓核应力的传递与椎间盘退变、突出的相关性。

此次研究成功建立了可用于腰椎体及退变椎间盘力学分析的有限元模型，由应力传递的过程可以看出，在L₄椎体上表面施加垂直于椎体向下的压力后，传递到椎间盘后的Von-Mises应力，前部明显大于中后部，由此可推断椎体前柱承受的应力大于中后柱，结合椎体的形变云图，最大形变部位发生于L₄椎体前柱靠近椎体上表面，这与临床上腰椎压缩性骨折，椎体发生楔形变部位常常出现于椎体前柱相吻合，且越接近椎体前缘，楔形变越大^[30-31]。而椎间盘Von-Mises应力最高部位集中在椎间盘前侧和前外侧(此例为前右侧，AD区域一带)，而向中后部逐渐衰减(此例衰减方向为AD到BC)，且衰减终点为椎间盘后侧和后外侧。

腰椎间盘是由以下3部分组成：软骨终板，纤维环，髓核，软骨终板覆盖于椎体上下表面，由软骨细胞构成，平均厚度约为1 mm，其中心区域较薄。纤维环可分为外、中、内3层，外层为胶原纤维构成，内层纤维软骨带构成，解剖上纤维环前侧及两侧最厚，为后部的2倍，后侧最为薄弱。髓核位于椎间盘中央偏后，占椎间盘横断面的44%-50%，在压力作用下，髓核不能压缩，但是能变形，将力传递给纤维环各部分，使纤维略延长，或改变各层纤维的方向而分散压力^[32-33]。此次实验由于椎间盘前部及前外侧Von-Mises应力最高，明显高于中后部(P < 0.05)，前部纤维环的应力可通过两侧纤维环和中部的髓核将应力向后侧和后外侧传递，由于后部及后外侧纤维环较薄弱，长期的压应力对其挤压，故椎间盘突出主要发生于椎间盘后部及后外侧，由于椎间盘后部有后纵韧带加强，而后外侧没有加强纤维环的解剖结构，故椎间盘突出主要发生于后外侧，这一结论与临床上后外侧椎间盘的突出发生率为80%-90%相吻合^[34-37]。此例志愿者椎间盘退变及突出的方向同Von-Mises应力衰减方向基本一致，可见椎间盘退行性变及突出与椎间盘内应力的变化密切相关。

脊柱每2个相邻的椎体与其间的椎间盘构成了一个运动节段，因此在运动过程中，椎间盘的直接作用力来源于相邻的上下椎体^[38-40]。因脊柱可分为前柱、中柱、后柱^[41-43]，前柱主要承受压应力，所以压缩性骨折主要发生于前柱；后柱主要承受牵张应力，韧带复合体损伤以牵张损伤为主^[44]；中柱可承受压应力亦可承受牵张应力，主要受运动模式的影响^[45-46]。而在人体脊柱的运动模式中^[47]，垂直、前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋7种脊柱状态中，后6种运动模式均可造成上位椎体运动过程中，邻近椎间盘的应力集中，使椎间盘承受一定的剪切力，加速椎间盘的退变。虽然后6种模式可加速椎间盘退变，但其运动状态是一过性、瞬时的模式，并不像直立状态在脊柱运动模式中占用大多数时间，因此直立状态下椎间盘受力后逐渐退变应该不容忽视。此次实验也证实，即便是直立状态下，椎间盘前部承受的压力载荷也是明显高于中后部的，因此，椎间盘向后侧或后外侧的突出不仅与相邻上下椎体的直接挤压有关，亦与椎间盘前部承受较高应力后间接向纤维环中后部传递，或经过髓核向后部纤维环传递密切相关。所以椎间盘的退变不紧因其水分的缺失、免疫炎症系统的作用有关，与其数年、数十年承受复合力的作用，导致其结构的逐渐改变，力学传导异常亦密不可分。

此次模型采用的CT数据是1例45岁的患病女性，由于随着年龄的增加，椎间盘会存在一定程度退变，此次实验尚不能完全反映没有退变的椎间盘力学变化情况。由于腰椎存在一定程度生理前突，生理前突最大的位置在L₃，到L₄_，₅腰椎前屈幅度趋于平缓，L₅与骶骨连接部位生理情况下活动幅度很小，趋于固定，因此次实验没有模拟L₄_，₅腰椎在前屈、后伸、左屈、右屈、旋转情况下椎体及椎间盘瞬时应力及形变，故此次试验只能反映L₄_，₅腰椎及退变椎间盘在人体直立情况下随载荷增加Von-Mises应力变化及传递情况，以上问题还有待进一步研究。

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

L₄_-5椎体有限元模型建立及退变椎间盘力学分析

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本文评价

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[2]	姚汝斌, 王仕永, 杨开舜. 微创经椎间孔椎间融合治疗单节段腰椎管狭窄症对腰椎-骨盆平衡的改善作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1387-1392.
[3]	王海莹, 吕冰, 李辉, 王顺义. 减压植骨融合内固定治疗退变性腰椎滑脱：基于脊柱骨盆参数预测患者的功能预后[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1393-1397.
[4]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.
[5]	梁彦, 赵永飞, 徐帅, 朱震奇, 王凯丰, 刘海鹰, 毛克亚. 影像学评估高选择性神经根封闭辅助退行性脊柱侧凸短节段固定融合的效果[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1423-1427.
[6]	高燕, 赵力聪, 赵洪增, 朱园园, 李杰, 桑德恩. 慢性椎间盘源性下腰痛患者脑静息态低频振幅的改变[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1160-1165.
[7]	刘志超, 张帆, 孙旗, 康晓乐, 袁巧妹, 柳根哲, 陈江. 不同静水压下人椎间盘髓核细胞的形态和活性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1172-1176.
[8]	侯广原, 张继学, 张志军, 孟祥晖, 段文, 高维陆. 骨水泥强化椎弓根螺钉内固定治疗伴骨质疏松腰椎退行性疾病的1年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 878-883.
[9]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[10]	杨洋, 姚羽, 沈孝天, 刘佳佳, 薛建华. 退变腰椎间盘中白细胞介素21的表达及意义[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 690-694.
[11]	徐银琴, 史红美, 王光义. 通痹方热敷联合针刺治疗对退变椎间盘细胞凋亡相关基因Caspase-3、Bcl-2 mRNA的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 713-718.
[12]	付拴虎, 秦凯, 卢大汉, 覃海飚, 谷金, 陈勇喜, 覃浩然, 韦家鼎, 伍亮, 宋泉生. 载链霉素硫酸钙人工骨椎间孔镜下植入联合经皮置钉治疗腰椎结核[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 493-498.
[13]	梁彦, 赵永飞, 朱震奇, 刘海鹰, 毛克亚. 微创经椎间孔腰椎椎体间融合固定治疗椎间盘源性脊柱侧凸：冠状面和矢状面平衡的2年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 409-413.
[14]	解志锋, 刘清, 刘冰, 张涛, 李琨, 张春秋, 孙艳芳. 腰椎间盘疲劳损伤的生物力学特性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 339-343.
[15]	关天民, 陈向禹, 朱晔. 考虑肌肉因素的腰椎力学计算方法[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(27): 4307-4311.