腰椎全韧带叠加损伤对腰椎生物力学特性的影响

doi:10.12307/2024.658

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (33): 5249-5256.doi: 10.12307/2024.658

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

腰椎全韧带叠加损伤对腰椎生物力学特性的影响

王多多1，吕杰1，郭潘靖1，丁立军2，曹金凤3，周楠4，吕强4

上海健康医学院，1康复学院，2医疗器械学院，上海市 201318；3上海大学期刊社，上海市 200444；4上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院推拿科，上海市 200437

收稿日期:2023-08-10 接受日期:2023-10-12 出版日期:2024-11-28 发布日期:2024-01-30
通讯作者: 吕杰，博士，副教授，硕士生导师，上海健康医学院康复学院，上海市 201318
作者简介:王多多，女，1999年生，江苏省宿迁市人，汉族，上海理工大学在读硕士(上海健康医学院联合培养)，主要从事生物力学研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(82074571)，项目负责人：周楠；海派中医流派传承创新团队建设项目(2021LPTD-007)项目参与人：吕杰

Effect of total ligament superimposed injury on biomechanical characteristics of the lumbar spine

Wang Duoduo1, Lyu Jie1, Guo Panjing1, Ding Lijun2, Cao Jinfeng3, Zhou Nan4, Lyu Qiang4

1College of Rehabilitation Sciences, 2School of Medical Instruments, Shanghai University of Medicine & Health Sciences, Shanghai 201318, China; 3Periodicals Agency of Shanghai University, Shanghai 200444, China; 4Department of Massage, Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200437, China

Received:2023-08-10 Accepted:2023-10-12 Online:2024-11-28 Published:2024-01-30
Contact: Lyu Jie, MD, Associate professor, Master’s supervisor, College of Rehabilitation Sciences, Shanghai University of Medicine & Health Sciences, Shanghai 201318, China
About author:Wang Duoduo, Master candidate, College of Rehabilitation Sciences, Shanghai University of Medicine & Health Sciences, Shanghai 201318, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (General Program), No. 82074571 (to ZN); Shanghai Style Traditional Chinese Medicine School Inheritance and Innovation Team Construction Project, No. 2021LPTD-007 (to LJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

韧带损伤：腰椎韧带是稳定腰椎的重要结构，腰椎的7根韧带有着多种损伤方式。腰椎的退化会导致韧带的功能减弱，更容易损伤，腰椎韧带损伤与腰椎疼痛之间存在着密切的关系。
有限元分析法：是利用计算机进行仿真模拟的一种方法，广泛应用于骨科生物力学研究，是腰椎实验研究的常用工具。

背景：韧带是稳定腰椎的重要结构，随着年龄的增长韧带容易发生退行性变化，目前关于腰椎韧带的研究较少。

目的：探究在一定的韧带损伤顺序下，前屈、后伸、侧弯、扭转4种运动状态时，不同韧带叠加损伤的组合对腰椎生物力学特性的影响。
方法：建立L4-L5节段腰椎有限元模型，施加相应的力矩模拟前屈、后伸、侧弯、扭转4种运动状态，按顺序进行韧带的组合损伤，得到腰椎的活动度及各个韧带的应力。

结果与结论：①每去除一根韧带，剩余韧带应力会增加，4种工况下都是关节囊韧带所受应力最大，尤其是前屈时；随着韧带的去除，腰椎活动度也在不断增加；②前屈时，去除第一根韧带关节囊韧带后，剩余韧带应力变化平均值最大，其次是去除棘上韧带后；去除关节囊韧带后，腰椎活动度变化率最大，去除后纵韧带后，腰椎活动度变化率最小；③后伸时，所有韧带都是在去除关节囊韧带后应力变化率最大，去除关节囊韧带后，腰椎活动度变化率最大，去除后纵韧带后，腰椎活动度变化率最小；④侧弯时，棘间韧带的应力变化率在去除横突韧带后减小，棘上韧带此时增加较多，去除关节囊韧带和去除横突韧带后，活动度变化率有较大的增加；⑤扭转时，去除关节囊韧带后，剩余韧带应力变化率远大于其他韧带损伤组合；也是在去除关节囊韧带后，活动度变化率最大，其余情况活动度变化率不超过8%；⑥一根韧带损伤，其余韧带会进行应力补偿，韧带损伤会影响腰椎的稳定性，侧弯情况下影响最小，腰椎不稳患者要避免前屈和后伸运动，通过前屈和后伸运动更容易检查出韧带的病理状况；⑦关节囊韧带是维持腰椎稳定性的重要结构，棘上韧带在前屈中发挥了较大的作用，要保持腰椎全韧带的完整性。

https://orcid.org/0009-0009-8538-6283 (王多多)

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: 有限元分析, 腰椎韧带, 韧带损伤, 关节囊韧带, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Ligaments are an important structure for stabilizing the lumbar spine, and they are prone to degenerative changes with age. Currently, there is limited research on lumbar ligaments.
OBJECTIVE: To investigate the effect of different combinations of ligament injuries on biomechanical characteristics of lumbar spine under four motion states of forward bending, backward extension, lateral bending, and torsion under a certain sequence of ligament injuries.
METHODS: A finite element model of the L4-L5 segment of the lumbar spine was established, and corresponding moments were applied to simulate four motion states of forward bending, backward extension, lateral bending, and torsion. The combined injuries of the ligaments were performed in order to obtain the motion range of each vertebra and the stress of each ligament.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Every time a ligament was removed, the remaining ligament stress would increase. Under all four working conditions, capsular ligament would experience the highest stress, especially during forward bending. With the removal of ligaments, the range of motion of the vertebrae was also continuously increasing. (2) When flexing forward, after removing the first ligament capsular ligament, the average stress change in the remaining ligament was the highest, followed by the removal of supraspinous ligament. After removing capsular ligament, the change rate of range of motion was the highest, while after removing posterior longitudinal ligament, the change rate of range of motion was the lowest. (3) When extending backward, all ligaments had the highest rate of stress change after removing capsular ligament, the highest rate of range of motion change after removing capsular ligament, and the lowest rate of range of motion change after removing posterior longitudinal ligament. (4) When bending, the stress change rate of interspinous ligament decreased after removing intertransverse ligament, while supraspinous ligament increased more. After removing capsular ligament and interspinous ligament, the range of motion change rate increased significantly. (5) During lateral bending, after removing capsular ligament, the stress change rate of the remaining ligament was much higher than that of other ligament damage combinations, and the range of motion change rate was the highest after removing capsular ligament. In other cases, the range of motion change rate did not exceed 8%. (6) If the root ligament is damaged, the remaining ligaments will undergo stress compensation. Ligament damage will affect the stability of the lumbar spine, with minimal impact in cases of lateral curvature. Patients with lumbar instability should avoid forward flexion and backward extension movements, which can make it easier to detect the pathological condition of the ligaments. (7) Capsular ligament is an important structure for maintaining lumbar stability, and supraspinous ligament plays a significant role in anterior flexion, maintaining the integrity of the entire lumbar ligament.

Key words: finite element analysis, lumbar ligament, ligament injury, capsular ligament, biomechanics

中图分类号:

王多多, 吕杰, 郭潘靖, 丁立军, 曹金凤, 周楠, 吕强. 腰椎全韧带叠加损伤对腰椎生物力学特性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(33): 5249-5256.

Wang Duoduo, Lyu Jie, Guo Panjing, Ding Lijun, Cao Jinfeng, Zhou Nan, Lyu Qiang. Effect of total ligament superimposed injury on biomechanical characteristics of the lumbar spine[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(33): 5249-5256.

图/表（结果） 12

2.1 模型的验证首先是轴向位移的验证。L4椎骨在500，1 000，1 500，2 000 N的轴向载荷下，通过模拟仿真得到腰椎的轴向位移分别是0.290，0.580，0.860，1.150 mm。如图3所示，在相同条件下，L4-L5节段在轴向载荷下，载荷-轴向位移的曲线与颜文涛等[25]、方新果等[26]、王宏卫等[27]的研究结果相近，整体的趋势是一致的，且此模型数据均在其他模型的范围内。

其次是腰椎活动度的验证。对腰椎施加10 N·m的力矩后，得到前屈、后伸、侧弯、扭转4种工况下的腰椎活动度，分别是6.060°，3.560°，3.920°，2.320°。如图4所示，在相同条件下，其腰椎活动范围的整体趋势与方新果等[26]、SCHULTZ等[28]、GILLESPIE等[29]、PANJABI等[30]、王宏卫等[27]的实验结果接近，前屈活动度稍大于其余研究结果，但整体的趋势与其余研究是近似的，且活动度数据都在其他模型的范围内。

因而此模型是有效且可靠的模型，可以用于进行腰椎生物力学的相关研究。此外，相比于四面体网格，六面体网格更易收敛且密度更小[31]，此模型中主要研究对象韧带及关键结构椎间盘采用六面体网格，其余结构使用四面体网格，既能使结果更加精确，又不会增加过多的计算时间。
2.2 韧带的叠加损伤在前屈、后伸、侧弯、扭转4种工况下，对腰椎施加5 N·m的力矩，分别得到了正常完整韧带时各个韧带所受应力的最大值，前屈时完整韧带所受应力由大到小的顺序为：关节囊韧带/棘间韧带/棘上韧带/后纵韧带/黄韧带/横突韧带/前纵韧带(图5)；后伸时完整韧带所受应力由大到小的顺序为：关节囊韧带/前纵韧带/棘上韧带/横突韧带/后纵韧带/黄韧带/棘间韧带；侧弯时韧带所受应力由大到小的顺序为：关节囊韧带/前纵韧带/横突韧带/后纵韧带/棘上韧带/黄韧带/棘间韧带；扭转时韧带所受应力由大到小的顺序为：关节囊韧带/前纵韧带/后纵韧带/横突韧带/棘上韧带/黄韧带/棘间韧带。按此顺序依次进行韧带的去除，每一种工况下都得到了去除韧带的6种组合，得到了每去除一根韧带后，其余韧带的应力情况以及椎骨的活动度。

应力结果显示，除了侧弯时去除横突韧带后的棘间韧带，其余的所有情况下，每去除一根韧带，剩余韧带应力都在增加；正常完整韧带情况下，4种工况都是关节囊韧带所受应力最大，关节囊韧带所受应力由大到小的工况顺序依次为前屈、后伸、侧弯、扭转；由表2-5中的应力和可知，前屈和扭转时全部韧带所受应力之和最大。椎骨活动度结果显示，4种工况下，每去除一根韧带，椎骨活动度都在增加，韧带去除最多时，活动度也最大；完整韧带情况下，前屈时活动度最大，为3.653°，扭转时活动度最小，为1.159°；侧弯情况下，从完整韧带到只剩一根韧带时，活动度的变化最小，前后之差仅为0.886°，扭转情况下，从完整韧带到只剩一根韧带时，活动度的变化最大，为5.724°。

为进一步深层次研究韧带损伤对腰椎稳生物力学特性影响的机制，进行韧带应力变化率和椎骨活动度变化率的分析，得到每去除一根韧带后，其余韧带相对于前一组韧带损伤组合的应力变化率，以及每去除一根韧带后，相对于前一韧带组合下的椎骨活动度变化率。在前屈情况下，按应力由大到小顺序依次进行韧带的去除，去除韧带的6个组合为：完整韧带、关节囊韧带、关节囊韧带/棘间韧带、关节囊韧带/棘间韧带/棘上韧带、关节囊韧带/棘间韧带/棘上韧带/后纵韧带、关节囊韧带/棘间韧带/棘上韧带/后纵韧带/黄韧带、关节囊韧带/棘间韧带/棘上韧带/后纵韧带/黄韧带/横突韧带。图6A的应力变化率显示，去除第一根韧带关节囊韧带后，剩余所有韧带应力变化率平均值最大，其次是去除棘上韧带后；棘上韧带、后纵韧带、黄韧带、横突韧带的应力变化率在去除关节囊韧带后最大，前纵韧带的应力变化率在去除横突韧带后最大；棘上韧带和后纵韧带在去除棘间韧带后应力变化率最小，关节囊韧带、横突韧带和前纵韧带在去除后纵韧带后应力变化率最小。图6B的活动度变化率结果显示，去除关节囊韧带后，活动度变化率最大，为31.820%；去除后纵韧带后，活动度变化率最小，为3.996%；去除棘上韧带和去除横突韧带后，活动度也出现了明显的增大。

在后伸情况下，按应力由大到小顺序依次进行韧带的去除，去除韧带的6个组合为：完整韧带、关节囊韧带、关节囊韧带/前纵韧带、关节囊韧带/前纵韧带/棘上韧带、关节囊韧带/前纵韧带/棘上韧带/横突韧带、关节囊韧带/前纵韧带/棘上韧带/横突韧带/后纵韧带、关节囊韧带/前纵韧带/棘上韧带/横突韧带/后纵韧带/黄韧带。图7A的应力变化率显示，去除第一根韧带关节囊韧带后，剩余所有韧带的应力变化率平均值最大，其次是去除棘上韧带后；所有韧带都是在去除关节囊韧带后应力变化率最大；棘上韧带、横突韧带、后纵韧带在去除前纵韧带后应力变化率最小，黄韧带和棘间韧带在去除后纵韧带后应力变化率最小。图7B的活动度变化率结果显示，去除关节囊韧带后，活动度变化率最大，为101.427%；去除后纵韧带后，活动度变化率最小，为8.362%。

侧弯情况下，按应力由大到小顺序依次进行韧带的去除，去除韧带的6个组合为：完整韧带、关节囊韧带、关节囊韧带/前纵韧带、关节囊韧带/前纵韧带/横突韧带、关节囊韧带/前纵韧带/横突韧带/后纵韧带、关节囊韧带/前纵韧带/横突韧带/后纵韧带/棘上韧带、关节囊韧带/前纵韧带/横突韧带/后纵韧带/棘上韧带/黄韧带。图8A应力变化率显示，横突韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带都是在去除关节囊韧带后应力变化率最大，黄韧带在去除横突韧带后应力变化率最小；棘间韧带的应力变化率在去除横突韧带后呈现轻微减小状态，减小了5.619%，但与此同时棘上韧带给了较大的应力补偿。图8B的活动度变化率显示，在去除关节囊韧带后，活动度变化率最大，其次是去除横突韧带后，活动度变化率也有较大的变化。

在扭转情况下，按应力由大到小的顺序依次进行韧带的去除，去除韧带的6个组合为：完整韧带、关节囊韧带、关节囊韧带/前纵韧带、关节囊韧带/前纵韧带/后纵韧带、关节囊韧带/前纵韧带/后纵韧带/横突韧带、关节囊韧带/前纵韧带/后纵韧带/横突韧带/棘上韧带、关节囊韧带/前纵韧带/后纵韧带/横突韧带/棘上韧带/黄韧带。图9A应力变化率显示，去除关节囊韧带后，剩余韧带应力变化率最大，且远大于其余的韧带损伤组合，其余任何情况下的韧带应力变化率都不超过6%。图9B的活动度变化率显示，在去除关节囊韧带后，活动度变化率最大，为425.061%，其余情况活动度的变化率均不超过8%。

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引言

脊柱在人体中起着承上启下的作用，是人体躯干的支柱。头部、上部躯干的载荷都由脊柱传递到骨盆，腰椎是此传递过程中的枢纽[1]，是脊柱的重要组成部分，是人体重要的力学结构。腰椎系统中包含许多维持腰椎稳定性的软组织结构，其中韧带是稳定腰椎的关键[2]。韧带连接2块或2块以上的骨骼、软骨或其他结构，能够有效地防止关节过度屈伸，在生物力学中有着重要的作用。功能性脊柱单位是脊柱的最小生理性运动单位，其中就包括2个相邻椎骨以及周围的7根韧带，这7根韧带可以防止腰椎过度伸展和屈曲运动[3]，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带、关节囊韧带[4]，这7根韧带为一个功能性脊柱单位中的全部7根韧带，也是此文的研究对象。随着年龄的增长，腰椎韧带可能会出现退行性变化，这些变化可能导致韧带功能减弱，容易受到损伤，约70%的成年人都有下腰痛的经历[5]，腰椎韧带的病理变化与腰椎疼痛之间存在密切的关系，因此需要对韧带退行性变化的机制和预防措施进行研究，以改善腰椎韧带的健康状况。
有限元分析法是计算机仿真模型研究的一种，它能够将不同的载荷应用于模型中，研究体内生物力学的变化[6]，且在研究腰椎问题上具有较大的优势[7]。有限元分析法存在着诸多的优势，可以对模型赋予不同的材料属性，施加具体的不同的载荷进行模拟研究，并且同一模型可以用于同一研究进行多次实验，因此这种方法可以很好地应用于骨科生物力学研究。
PIZONE等[8-9] 对74例脊柱创伤性骨折患者的核磁共振结果进行研究，得到了后方复合体韧带的损伤顺序，首先损伤关节囊，其次损伤一部分的棘间韧带，接着棘上韧带断裂，然后剩余棘间韧带全部断裂，最后损伤黄韧带，得出在后方复合体韧带中，棘上韧带和棘间韧带是维持腰椎稳定性的关键韧带。LI等[10]根据腰椎后方复合体韧带的实际损伤顺序，在真实尸体标本上进行顺序逐一切除，探究各个韧带的作用，得到棘上韧带是稳定腰椎的关键韧带。吴聪聪[11]按照PIZONE等[8-9]的研究，利用有限元分析的方法，按照关节囊、部分棘间韧带、棘上韧带、剩余棘间韧带以及黄韧带的顺序进行腰椎后方复合体韧带的逐级切除，得到棘上韧带在维持腰椎稳定性方面有着重要作用的结论。了解腰椎的生物力学性质对于设计有效的治疗方法和预防措施至关重要，通过建立生物力学模型进行有限元分析仿真，可以更好地理解腰椎韧带的生物力学特性。以往的研究大多偏向于腰椎后方复合体韧带，对于腰椎全韧带的研究较少。
因而，此文的研究目的有：①开发并验证L4-L5腰椎节段的有限元模型；②研究在一定的韧带损伤顺序下，在前屈、后伸、侧弯、扭转4种运动状态下，不同韧带顺序叠加损伤的组合对腰椎稳定性的影响，包括椎骨活动度以及应力方面的作用。此文的创新点有：①有限元模型中椎间盘和韧带采用的是六面体单元建立韧带，可以获得更加精确的仿真结果，因而能更好地反映人体的真实情况；②以往的研究大多集中在后方复合体韧带，或是单一韧带，此文是对腰椎全韧带进行研究，更加全面。腰椎所受应力集中在L4-L5节段，该处活动范围较大，各种腰椎退行性疾病好发于此处，因而此文选择L4-L5节段作为研究对象。韧带的损伤顺序及组合是多种多样的，此文采用完整正常韧带情况下韧带所受应力大小的顺序进行依次损伤，来深层次研究韧带的力学特性。此次研究详细说明了韧带之间的机制以及韧带损伤对腰椎的影响，可为腰椎疾病的预防和康复治疗提供理论基础，也可为脊柱外科医生在实际手术中修复或重建韧带提供参考。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 设计建立L4-L5腰椎节段的有限元模型，约束L5下表面所有自由度，施加5 N·m的力矩模拟腰椎4种运动工况(前屈、后伸、侧弯、扭转)，按所受应力由大到小的顺序对7根韧带进行叠加损伤。
1.2 时间及地点实验于2022年9月在上海健康医学院医学影像学院完成。
1.3 对象选择一名男性健康志愿者，22岁，体质量70 kg，体质量指数22.9 kg/m2，该志愿者椎间盘无退行性疾病，无腰椎相关疾病，使用64排螺旋CT常规扫描其S1-L3腰椎节段，得到84个层厚为1 mm的图像并保存为DICOM格式，选取其中的L4-L5节段作为研究对象。志愿者对实验方案知情同意，且得到上海健康医学院伦理委员会批准。
1.4 方法

1.4.1 模型建立及网格划分将保存好的CT图像导入到数字医学图像处理软件Mimics软件中进行处理，选取合适的灰度阈值，对L4-L5节段的椎骨进行分割和提取，椎间盘的灰度值与邻近的软组织非常接近，不易提取，CT图像中也无法看清韧带的具体形状和位置，因此椎间盘和韧带都将根据人体韧带解剖学结构去进行后续的一系列建模。将提取出来的文件导入到3-matic中进行进一步的修复，进行椎骨的初步建模，根据椎骨的特点区分皮质骨和松质骨，划分骨质四面体网格，对椎间盘进行初步建模。再将所得到的文件导入到前处理软件Hypermesh中，建立所有韧带，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突韧带和关节囊韧带7种韧带模型，韧带的建立依靠解剖学结构[12]，韧带厚度为1 mm[13]，椎间盘及7根韧带模型如图1所示。

利用网格划分软件Hypermesh对建立好的模型进行网格划分，韧带在维持腰椎稳定中起着重要的作用，也是此文的研究重点，韧带与椎间盘采用六面体网格划分，其余结构采用四面体网格划分。最终建好的模型如图2所示。

1.4.2 材料属性在大多数的椎骨研究中，都是通过线弹性实体单元建模，材料属性由弹性模量和泊松比2个参数定义[14-18]，也有小部分研究采用的是各向异性的材料。此模型中主要研究韧带静力学方面的内容，对于各个结构也只考虑在弹性范围内的力学性质，因此采用各向同性、均匀且连续的材料来进行模拟。材料属性用弹性模量和泊松比2个参数描述，具体单元的类型及材料属性参考了国内张文等[19]及国外RASTEGAR等[20]的研究，其研究表明该材料参数可以很好地模拟真实人体的腰椎情况(表1)。接触设置不正确，可能会导致结果错误，为了更符合人体的接触情况，避免椎骨和椎间盘之间产生位移使接触失效[21]，椎骨与椎间盘、L5椎骨与关节囊韧带、2个椎骨与其他韧带之间均为绑定接触(Bonded)[13，22]，即在接触边或者接触面之间不存在相对分离或者切向的相对滑动；关节囊韧带与L4关节突为不分离接触(No Separation)，即不允许有法向的相对分离，但允许有少量的切向滑动，更符合人体的真实接触情况。在所建立的模型中，前纵韧带在椎骨前面，紧密附着于上下2个椎骨上且包裹住椎间盘；后纵韧带附着在椎骨中部位置，紧密附着于上下2个椎骨上且包裹住椎间盘；黄韧带附着于相邻椎骨的椎弓之间；棘间韧带连接邻近的棘突，附着于一个棘突的基底到相邻棘突的顶端之间；棘上韧带附着于相邻2个棘突尖上；横突韧带附着于相邻2个椎骨的横突之间；关节囊韧带附着于椎间关节的关节囊外部。

1.4.3 工况加载工况加载分为两个部分，一是用于模型的验证，二是韧带的叠加损伤。
首先是模型的验证。有限元模型有效的验证方法是进行载荷-位移曲线的验证[23]，部分研究使用腰椎活动度对模型进行有效性的验证[24]。为了保证模型的可靠性，作者根据既往的参考文献进行模型两个部分的验证：一是验证轴向位移，约束L5椎体下表面的所有自由度，在L4椎骨的上表面垂直向下施加500，1 000，1 500，2 000 N的轴向载荷，均匀分布，得到模型的轴向位移；二是验证关节活动度，约束L5椎体下表面的所有自由度，对腰椎施加10 N·m的力矩，模拟腰椎的前屈、后伸、侧弯和扭转4种运动状态，得到4种运动状态下的活动度。
其次是韧带的组合损伤。约束L5椎体下表面的所有自由度，参考既往文献对腰椎施加5 N·m的相同力矩，在模型上选取了6个特定节点，对特定节点施加力去模拟腰椎的前屈、后伸、侧弯和扭转4种运动状态，在每种运动状态下，得到正常完整韧带情况时的所有韧带的应力最大值，按应力由大到小的顺序依次叠加横断韧带，每进行一次横断韧带，得到除被横断韧带以外其他韧带的椎骨活动度和韧带应力情况，并进行对比研究。其中侧弯分为左侧弯和右侧弯两种，结果取左右平均值，扭转分为左扭转和右扭转，结果取左右平均值。
1.5 主要观察指标椎骨的活动度及韧带所受应力；每一次仿真实验结束后，记录特定点的坐标，椎骨活动度由特定点前后坐标计算获得，韧带所受应力由ANSYS软件直接观察获得。

讨论

此次研究基于志愿者的腰椎CT扫描生成三维有限元模型，该模型经数据对比验证与以往的研究具有较好的一致性，进行了椎骨活动度和椎骨位移两个方面的验证，所建模型能够准确地表示韧带和椎骨的生物力学响应。此次研究着重于韧带叠加损伤对腰椎产生的影响，通过在4种工况下对韧带进行顺序组合的去除来研究韧带之间的机制以及韧带对腰椎的影响。韧带的损伤是一个动态的过程，韧带的损伤顺序及组合是多种多样的，暂无真实尸体腰椎全韧带各种实际损伤情况顺序的参考，因此选择按正常完整韧带时韧带所受应力大小的顺序去依次叠加损伤韧带，在日常最基础且常见的前屈、后伸、侧弯、扭转4种工况下进行研究。
通过分析全韧带的应力情况发现，每去除一根韧带，其余绝大部分韧带应力都在增加，说明韧带的损伤会导致腰椎内部载荷发生变化，且一根韧带损伤时，剩余韧带会进行相应的应力补偿。以往的研究都是去除一根韧带后，其余韧带应力增加，但此次研究中侧弯时去除横突韧带后棘间韧带发生减小这一特别情况，棘间韧带减小的同时，棘上韧带的应力相较于前一损伤组合增加最多，棘上韧带此时给了较多的应力补偿，推测可能是棘间韧带和棘上韧带共同限制侧弯力量的作用导致的。ASANO等[32]的研究也证实了棘间韧带和棘上韧带对保持脊柱的张力有着重要的作用，棘间韧带的应力虽然发生了减少，但是与此同时棘上韧带的应力增加的最多。前屈、后伸、侧弯、扭转4种工况下，关节囊韧带都是重要的应力贡献者，最突出的贡献在前屈中，这与WIDMER等[33]的研究结果一致，他们通过尸体解剖实验，得出在屈曲运动中，关节囊韧带是除椎间盘以外承担最多载荷的部位。关节囊韧带是维持腰椎稳定性和支撑身体质量的重要结构，关节囊韧带损伤后更容易导致其余韧带损伤和关节松弛。前屈和扭转时全部韧带所受应力最大，韧带损伤或是腰椎不稳患者要避免前屈和扭转运动。前屈工况下，关节囊韧带和棘上韧带提供了较大的应力贡献，关节囊韧带和棘上韧带的损伤导致其余韧带进行了较大的应力补偿。HEUER等[34]通过一系列研究也证实了棘上韧带在前屈工况中的关键作用。扭转工况下，除了去除关节囊韧带后应力变化较大，其余情况下都非常小，因此当关节囊韧带损伤后，要避免扭转运动。比起侧弯和扭转，前屈和后伸的应力变化情况较为均匀且分散，通过前屈和后伸更容易检查出韧带的病理情况。
腰椎活动度是评判腰椎稳定性的重要指标之一[35]。在此次研究中，随着腰椎韧带损伤的逐渐严重，腰椎韧带从完整韧带到只剩一根韧带时，椎骨的活动度在持续增大，即韧带损伤使腰椎的稳定性变差。腰椎全部韧带中一旦第一根韧带关节囊韧带损伤，需及时进行治疗，否则就会对腰椎的稳定性造成较大的影响，因此要注意保护韧带的完整性。吴聪聪[11]经研究也强调，腰椎后方复合体韧带的完整性非常重要，如果韧带损伤不及时治疗，腰椎不稳会逐渐严重，将会引起一系列的腰椎疾病。扭转工况下，在切除关节囊韧带时，椎骨活动度有着明显的增大，再依次去除其他韧带时，对活动度的影响变化都很小，扭转对韧带损伤不敏感。在侧弯工况下，随着韧带的去除，活动度的变化率都在25%以下，侧弯对韧带损伤不敏感，这与ELLINGSON等[36]的研究有着相似的结果。
此次研究中也有着一些不足之处：首先模型只考虑了线弹性实体单元建模，而实际上人体的组织器官材料是非常复杂的。其次此次研究的研究对象为L4-L5腰椎节段，可能并不能代表所有腰椎节段的生物力学特性。腰椎韧带的主要作用是限制脊柱在一定的生理范围内活动，维持腰椎稳定性[37-38]，腰椎系统是一个较为复杂的整体，腰椎的损伤情况是复杂且多变的，7根韧带更是有多种损伤情况和组合方式。韧带损伤的程度和位置都会影响腰椎的稳定性，此次研究只考虑应力由大到小这一韧带损伤顺序的组合，实际会有更多种损伤方式。
另外此次研究主要研究对象为最小的脊柱生理性运动单位中的全部7根韧带，因此只去建立了L4-L5节段的腰椎，去研究这样一组韧带的主要的生物力学特征和生理特征[39]，未来可以设计更为复杂的韧带损伤情况，也可以将整个腰椎的全部节段的韧带作为研究对象，去进行进一步的对比分析研究；后续也可以考虑更多情况，如椎间盘变化的影响等，使研究更加完整且系统。此次研究建模过程中其实忽略了肌肉情况的影响，随着计算机技术的发展，可以建立更为完整的模型[40]，未来可以将脊柱周围的肌肉组织进行建模，使仿真生物力学分析更加精确[41-42]。
结论：一根韧带损伤会使其余韧带进行应力补偿，腰椎不稳患者要避免前屈和后伸运动。腰椎韧带损伤会影响腰椎稳定性，侧弯情况下影响最小，通过前屈和后伸运动更容易检查出韧带病理状况。关节囊韧带是维持腰椎稳定性的重要结构，棘上韧带在前屈中有着关键的作用，侧弯和扭转运动对韧带损伤不敏感，此外要注意保持韧带的完整性。此文详细研究了韧带之间的机制以及韧带对腰椎的影响，可为腰椎疾病的防治提供理论基础，也可为学者深入研究腰椎韧带的生物力学特性提供一定的参考。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

腰椎全韧带叠加损伤对腰椎生物力学特性的影响

Effect of total ligament superimposed injury on biomechanical characteristics of the lumbar spine

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