退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.30.012

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (30): 5490-5496.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.30.012

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退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

郑杰¹，杨永宏¹，楼肃亮¹，张冬生¹，廖胜辉²

1解放军第一一七医院骨一科，浙江省杭州市 310013
2中南大学计算机系，湖南省长沙市 410012

收稿日期:2013-03-05 修回日期:2013-04-06 出版日期:2013-07-23 发布日期:2013-07-23
通讯作者: 杨永宏，主任医师，解放军第一一七医院骨一科，浙江省杭州市 310013 yyh117@163.com
作者简介:郑杰☆，女，1975年生，河北省秦皇岛市人，汉族，2003年浙江中医药大学毕业，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科方面的研究。 arrowrabbitjie2@126.com

Finite element analysis of degenerative scoliosis biomechanics

Zheng Jie¹, Yang Yong-hong¹, Lou Su-liang¹, Zhang Dong-sheng¹, Liao Sheng-hui²

1First Department of Orthopedics, the PLA 117 Hospital, Hangzhou 310013, Zhejiang Province, China
2Department of Computer Science, Central South University, Changsha 410012, Hunan Province, China

Received:2013-03-05 Revised:2013-04-06 Online:2013-07-23 Published:2013-07-23
Contact: Yang Yong-hong, Chief physician, First Department of Orthopedics, the PLA 117 Hospital, Hangzhou 310013, Zhejiang Province, China yyh117@163.com
About author:Zheng Jie☆, M.D., Associate chief physician, First Department of Orthopedics, the PLA 117 Hospital, Hangzhou 310013, Zhejiang Province, China arrowrabbitjie2@126.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂，传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。
目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布，为其发生、发展的生物力学机制提供依据。
方法：基于退变性脊柱侧弯患者T₁₂-S₁上段连续的CT扫描图像，赋予模型特定的材料属性，建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载，计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。
结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小，椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周，后伸运动时各椎间盘应力最大，侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况，在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显，后伸工况下次之，尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中，后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。

关键词: 骨关节植入物, 数字化骨科, 脊柱侧弯, 椎间盘, 生物力学, 有限元, 退变, 应力分布

Abstract:

BACKGROUND: Spine is relatively complex in structure, shape, material properties, and load bearing. The traditional biomechanical method cannot solve these problems.
OBJECTIVE: To investigate the stress distribution of intervertebral disc, zygapophysial joints and vertebral body of degenerative scoliosis, and to provide accordance to the biomechanical mechanism of degenerative scoliosis occurrence and development.
METHODS: Based on the successive CT images of spinal column from T₁₂ to superior segment of S₁ of degenerative scoliosis patients, the special material properties were attributed to the model to form the integrated and effective three-dimensional finite element model of degenerative scoliosis. The model was loaded on the anteflexion, extension, left lateral bending, right lateral bending, left rotation and right rotation conditons. Then the spinal activity and the stress distribution of intervertebral disc, vertebral body and articular cartilage of zygapophysial joints were calculated and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The spinal activities of degenerative scoliosis finite element model were less than those of common lumbar spine. The stress distribution of intervertebral disc was inclined to the verge of it and the greatest stress was appeared on the extension motion. The apex of scoliosis was the place of stress concentration and the obvious stress concentration of articular cartilage of zygapophysial joints was appeared on the rotation motion, then followed by the extension motion, especially that of articular cartilage of zygapophysial joints on the apex of scoliosis. Stress concentration is easily appeared on the apex of scoliosis, and the extension and rotation motion can aggravate the development of degenerative scoliosis.

Key words: bone and joint implants, digital orthopedics, scoliosis, intervertebral disc, biomechanics, finite element, degeneration, stress distribution

中图分类号:

R318

郑杰，杨永宏，楼肃亮，张冬生，廖胜辉. 退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(30): 5490-5496.

Zheng Jie, Yang Yong-hong, Lou Su-liang, Zhang Dong-sheng, Liao Sheng-hui. Finite element analysis of degenerative scoliosis biomechanics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(30): 5490-5496.

图/表（结果） 6

2.1 退变性脊柱侧弯有限元模型在各种工况下的活动度 见图3。

图3显示了术前退变性脊柱侧弯有限元模型在各种加载工况下的活动位移图，在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转工况下，退变性脊柱侧弯模型活动度范围分别为35.49°，28.60°，28.29°，26.93°，27.14°，32.12°。可以看出术前退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度范围(前屈约为45°，后伸30°，侧屈30°，旋转45°)要小，特别是前屈和旋转的活动度范围减少了20%左右。

2.2 退变性脊柱侧弯有限元模型各种工况下椎间盘的应力分布 退变性脊柱侧弯有限元模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转工况下各椎间盘的等效应力柱状图，见图4，数据见表1，应力分布图见图5。

可以看出后伸运动时各椎间盘应力最大。左侧弯时椎间盘应力稍大于右侧弯，经t 检验二者差异无显著性意义；右旋转时椎间盘应力稍大于左旋转，二者差异也无显著性意义。

图5显示了退变性脊柱侧弯有限元模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转工况下L₄椎体和L₄-L₅椎间盘的等效应力分布图，可以看出退变性脊柱腰椎椎间盘应力分布趋向椎间盘的四周边缘集中，而正常腰椎椎间盘传递的应力主要集中于终板的中央。

2.3 退变性脊柱侧弯有限元模型各种工况下椎体的等效应力分布 图6为退变性脊柱侧弯有限元模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转工况下各个椎体的等效应力柱状图，具体数据表2，可以看到L₃、L₄椎体相对容易出现应力集中的情况，尤其是在后伸和旋转的工况下。

2.4 退变性脊柱侧弯有限元模型各种工况下关节突软骨的等效应力分布 退变性脊柱侧弯有限元模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转工况下关节突软骨的等效应力分布柱状图，见图7，8。具体数据见表3，4。可以看出在旋转工况下关节突软骨的应力集中明显，后伸工况下次之，左侧关节突软骨以L₃-L₄关节突软骨影响最大，右侧关节突软骨以L₅-S₁关节突软骨影响最大。

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引言

材料方法

设计：生物力学有限元分析。

时间及地点：实验于2009年6月至2010年9月在上海辉擎信息科技有限公司完成。

对象：纳入1例退变性脊柱侧弯患者，女性，55岁，主诉“腰痛伴间歇性跛行半年余”，腰椎正侧位片提示侧弯冠状面Cobb角10.8°，侧弯包括L₁-L₅节段，腰椎(包括下段胸椎)MRI排除脊柱及脊髓发育异常，按照退变性脊柱侧弯纳入标准^[4-5]：X射线片提示冠状面上Cobb角大于10°，排除先天性脊柱侧弯、成人特发性脊柱侧弯，诊断为退变性脊柱侧弯。纳入患者对实验知情同意，并签署知情同意书。

主要仪器：SOMATOM SENSATION 16螺旋CT机(Siemens公司，德国)，由杭州市中医院CT室协助。戴尔台式个人计算机，性能参数：英特尔P4 3.0 G中央处理器，内存为4 G，硬盘为500 G，ATI RADEON 9800 Pro显示卡，操作系统：WindowsXP，个人所有。

主要相关软件：①E-feature Biomedical Modeler，由上海辉擎信息科技有限公司提供。②ANSYS 12.0有限元分析软件(ANSYS公司，美国)，由上海辉擎信息科技有限公司提供。

实验方法：

有限元模型的建立：通过SOMATOM SENSATION 16 螺旋 CT机对患者的T₁₂、完整腰椎L₁-L₅、S₁上段脊柱进行扫描，层厚 0.75 mm，获取连续胸腰椎各层的二维CT图像 383张，图像数据以DICOM格式刻录存盘，导入E-feature Biomedical Modeler软件，重建出T₁₂-S₁段高精度的退变性脊柱侧弯三维实体模型，并直接将实体模型自动转换生成有限元网格模型，根据退变性脊柱侧弯的病理特点赋予模型特定的材料属性^[6-7]，建立了退变性脊柱侧弯的三维有限元模型，见图1。

模型总计共157 635个单元，197 374个节点。椎间盘的终板采用1 mm厚的壳单元对其进行模拟，髓核被模拟为不可压缩的黏弹性液体，纤维环基质由3层连续性环状体构成，胶原纤维由8层只承受张应力的索单元构建，关节突软骨层选用面－面接触单元模拟，接触单元的初始间距为0.5 mm，摩擦因数设置为 0.1。前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、横突间韧带、小关节突的关节囊韧带，均采用超弹性索单元模拟。

模型的边界条件与加载：约束S₁椎体和棘突底面上所有节点平移和转动共6个自由度，将各方向完全约束固定。在T₁₂椎体上面连接一个钛质十字架，以方便进行力矩形式的工况加载，如图2所示，分前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种情况分别以节点载荷的形式分10个子步加载力矩载荷10 N·m。

主要观察指标：退变性脊柱侧弯有限元模型在各种工况下的脊柱活动度、椎间盘、椎体及关节突软骨的应力分布情况。

统计学分析：各项数据通过SPSS 17.0统计软件，进行定量资料的t 检验进行分析。

讨论

3.1 退变性脊柱侧弯椎间盘的应力变化 椎间盘基质主要由蛋白聚糖、胶原及水及少量弹性蛋白组成^[8]，椎间盘退变是Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的减少，即Ⅰ型胶原增多，细胞因子的减少和致炎因子的增多，从而导致基质金属蛋白酶的活性增加，分泌蛋白聚糖和Ⅱ型胶原能力下降，进而使椎间盘软骨样细胞赖以生存的细胞外环境被破坏，髓核内水分丧失，不能维持椎间盘内应有的张力，加剧细胞退变。目前认为椎间盘的代谢更多的依赖于间断性的压力负荷，且与压力负荷的频率和强度相关^[9]。通常正常生理范围内的静态压力可增加蛋白聚糖的合成，增加基质金属蛋白酶组织抑制因子的产生，但过高或过低的异常压力则可减少蛋白聚糖的合成，增加基质金属蛋白酶的产生^[10]，继而通过上述病理机制导致椎间盘的退变。正常情况下，椎间盘特异的生物学机理是有效的将脊柱轴向负荷转变为椎间盘外层纤维环的张力，从而可以在微观上基本保证脊柱基本功能单位的运动功能。脊柱受到压力负荷时，首先将压力传导至软骨终板，然后通过终板传导到髓核，而终板受到的压力主要集中在中央位置，髓核受到的压力主要集中在后侧，且受到的压力和终板的压力大小相同，终板受力的同时也将压力传导到纤维环，纤维环的受力也以后侧为主^[11]。而当椎间盘退变以后，椎间盘内(主要是髓核)的水分减少，引起髓核体积缩小，其受到的压力也随之减少，而相对来说纤维环应力增大，尤以后方为明显。有限元生物力学分析认为：髓核内压、纤维环纤维最大张应力、椎间盘最大膨出值随椎间盘退变程度的增加而减小，纤维环基质最大等效应力随椎间盘退变程度的增加渐行性增大，随着椎间盘退变的加重，椎间盘、椎体外周出现应力集中现象，且体位变化时的应力变化对其影响更加明显^[12]。实验通过对退变性脊柱侧弯模型的各种工况下椎间盘的应力变化研究也证实了上述观点，即退变性脊柱侧弯的椎间盘应力分布趋向椎间盘的四周边缘，且以后伸运动时各椎间盘应力最大。

3.2 退变性脊柱侧弯关节突关节的应力变化 关节突关节是维持脊柱的重要结构，正常情况下两个关节突关节与椎间盘在水平面方向上构成了一稳定的三角，在纵向方向则构成一个对称的三棱柱状立体结构，从而在整体上形成一稳定的三关节联合体，三者相互制约，保持脊柱的稳定性^[13-15]。关节突关节动在脊柱的稳定、抗扭转、承载作用中发挥重要作用，其所承受的压缩载荷占腰椎总载荷的18%，承受的剪切载荷占总载荷的1/3，其余2/3由椎间盘承受，但由于椎间盘的黏弹特性，受载后发生蠕变与松弛，几乎所有的剪切载荷都由小关节来承受，而附着于椎弓后方的肌肉收缩使上、下关节突相互靠拢，使关节面软骨上产生较大的应力。实验表明，当轴向旋转范围超过1°-3°时，即可造成关节突关节的破坏^[16-17]。对于退变性脊柱侧弯来讲，椎间盘退变作为始动因素，当其发生磨损、撕裂等损伤后可导致椎间隙高度降低，脊柱的前、后纵韧带失去支持和稳定作用，尤其是椎间盘的不对称退变将导致关节突关节方向发生变化，从而打破两侧关节突关节与椎间盘之间的平衡三角。当脊柱运动时，双侧关节突关节的不协调运动导致关节突关节软骨面受力不均衡，受力大的一侧关节软骨及关节周围肌肉韧带更易引起慢性劳损而发生退变性骨关节炎^[18-20]。椎间盘的不对称退变可导致椎间隙的左右不对称，而使脊柱出现冠状面的侧弯畸形，而关节突关节的不对称退变和磨损可使椎弓根发生扭曲，最终形成椎体的旋转移位，而体位变化对椎间盘及关节突关节的应力变化影响更为明显^[21-25]。实验通过对退变性脊柱侧弯模型的各种工况下关节突软骨的应力变化研究也证实了这一观点，在旋转运动时关节突软骨的应力集中最明显，后伸运动时次之。

3.3 小结 通过对退变性脊柱侧弯有限元模型的力学测试可以看出：退变性脊柱侧弯侧弯顶点节段更容易出现椎体及关节突关节的应力集中，而后伸、旋转运动可加大椎体及椎间盘、关节突关节的应力，从而加重退变性脊柱侧弯的发展，另一方面，从预防医学的观点来看，避免脊柱的过度后伸及旋转运动应可适当延缓侧弯角度的进展。

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

Finite element analysis of degenerative scoliosis biomechanics

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