退變對腰椎4～5 節(jié)段椎間盤生物力學的影響

龐胤，尹帥，張海峰，劉媛媛，趙長義

1 滄州醫(yī)學高等專科學校，河北滄州061001；2 河北省滄州中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院；3 河北醫(yī)科大學

椎間盤是脊柱的重要組成部分，具有傳導應力、運動、緩沖等力學功能［1］。腰部椎間盤在整個脊柱中具有承重量大、運動幅度大、活動范圍廣等特點，且重力線穿過腰椎4～5節(jié)段（L4～5）功能區(qū)。L4～5長期承受巨大的負荷及生物力學變化，因此易高發(fā)椎間盤退行性疾病。腰椎間盤退變后易發(fā)生突出，壓迫脊髓或脊神經(jīng)根［2］，引起腰部及下肢麻木、疼痛等癥狀，嚴重影響患者生活質(zhì)量。因此，退變對椎間盤生物力學的影響越來越受到關(guān)注。本研究通過建立L4～5三維有限元模型，探討退變對腰椎間盤生物力學的影響，為臨床治療腰椎間盤退行性疾病提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 2016年12月在我校青年教師中招募健康男性志愿者1名，年齡28歲，體質(zhì)量68 kg，身高178 cm，經(jīng)X 線檢查排除脊柱腰段相關(guān)疾病及外傷史。志愿者對試驗方案知情同意。本研究已經(jīng)學校醫(yī)學倫理委員會批準。

1.2 影像學檢查 志愿者取仰臥位，腰部放松，行CT 掃描（GE 公司，Light speed 16 排螺旋 CT 機），獲得247 幅斷層掃描二維圖像；以相同體位行MRI 掃描（Philips 公司，Achieva 3.0T MRI 機），獲得 57 幅T2WI 序列矢狀面斷層圖像。圖像數(shù)據(jù)均以DICOM格式存儲。

1.3 正常腰椎三維有限元模型構(gòu)建 在Mimics 軟件中導入CT 圖像數(shù)據(jù)文件，使用閾值調(diào)整、區(qū)域增長、選擇性編輯工具和Remesh 功能對L4～5 椎骨進行三維重建；以同樣的方法基于MRI 圖像數(shù)據(jù)建立L4～5 椎間盤髓核的三維模型。將上述模型在Geo?magic 軟件中對位組裝，在椎體上、下表面之間通過橋接、偏移功能和布爾運算形成椎間盤整體模型、終板模型和纖維環(huán)模型；通過偏移功能構(gòu)建韌帶、關(guān)節(jié)囊模型。模型在Mimics 中自動劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格后以*.cdb 格式輸出保存。將所有模型導入An?sys中，設(shè)定材料屬性，重劃網(wǎng)格，設(shè)置接觸關(guān)系。骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、終板、纖維環(huán)、髓核的彈性模量分別設(shè)為 12 000、100、500、4.2、1 MPa，泊松比設(shè)為 0.3、0.2、0.4、0.5、0.5，構(gòu)建正常L4～5 節(jié)段三維有限元模型［3-4］。見圖1。

1.4 退變腰椎三維有限元模型構(gòu)建 通過增加纖維環(huán)和髓核的彈性模量，同時減小泊松比，建立L4～5 椎間盤退行性變模型。退變后髓核材料屬性的彈性模量設(shè)為1.66 MPa，泊松比設(shè)為0.4；纖維環(huán)彈性模量設(shè)為 12.29 MPa，泊松比設(shè)為0.35［5］。

圖1 正常L4～5三維有限元模型

1.5 載荷加載、求解及后處理 約束正常和退變模型L5 椎體和下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面的各向活動，在L4 椎骨上表面施加300 N 的垂直載荷和10 N?m 的力矩，模擬脊柱的負重、前屈、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)五種生理運動狀態(tài)，側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)均為向左運動。運算求解，獲得整體形變、等效應力分布等，用軟件后處理程序?qū)⒔Y(jié)果以云圖形式輸出。

1.6 應力測算 將纖維環(huán)后緣中央以及左外側(cè)部近椎弓根處指定區(qū)域分別命名為中央?yún)^(qū)和外側(cè)區(qū)，每區(qū)均勻選擇20 個節(jié)點，統(tǒng)計各節(jié)點應力值，取平均值作為該區(qū)域纖維環(huán)應力。統(tǒng)計不同生理運動狀態(tài)下正常與退變椎間盤形變和應力分布情況及在300 N 垂直載荷條件下正常與退變椎間盤纖維環(huán)和髓核的應力。

1.7 統(tǒng)計學方法 采用SPSS22.0 統(tǒng)計軟件。計量資料用±s表示，兩組比較采用t檢驗，多組比較采用析因設(shè)計的方差分析。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 正常與退變L4～5椎間盤纖維環(huán)后緣中央?yún)^(qū)與外側(cè)區(qū)不同生理運動狀態(tài)下應力比較 正常L4～5椎間盤纖維環(huán)后緣負重、前屈、后伸、扭轉(zhuǎn)時中央?yún)^(qū)應力均高于外側(cè)區(qū)，側(cè)彎時外側(cè)區(qū)應力高于中央?yún)^(qū)，差異有統(tǒng)計學意義（P均<0.05）。退變L4～5 椎間盤纖維環(huán)后緣不同生理運動狀態(tài)下外側(cè)區(qū)和中央?yún)^(qū)應力均較正常L4～5 椎間盤纖維環(huán)后緣增大（P均<0.05）；負重、前屈、扭轉(zhuǎn)時中央?yún)^(qū)應力均高于外側(cè)區(qū)（P均<0.05），側(cè)彎時外側(cè)區(qū)應力高于中央?yún)^(qū)（P均<0.05），后伸時外側(cè)區(qū)與中央?yún)^(qū)應力比較差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。析因設(shè)計的方差分析結(jié)果顯示三因素（是否退變、測量部位、運動狀態(tài)）的交互效應均有統(tǒng)計學意義（P均<0.05），各因素間無交互作用。見表1。

表1 正常與退變L4～5椎間盤纖維環(huán)后緣不同生理狀態(tài)下中央?yún)^(qū)與外側(cè)區(qū)應力（×105 Pa，±s）

表1 正常與退變L4～5椎間盤纖維環(huán)后緣不同生理狀態(tài)下中央?yún)^(qū)與外側(cè)區(qū)應力（×105 Pa，±s）

模型正常L4～5椎間盤纖維環(huán)后緣負重前屈后伸側(cè)彎扭轉(zhuǎn)退變L4～5椎間盤纖維環(huán)后緣負重前屈后伸側(cè)彎扭轉(zhuǎn)n 20 20應力中央?yún)^(qū)1.563±0.539 4.698±0.920 5.342±0.615 1.708±0.259 3.419±0.806 3.119±0.298 4.056±0.408 9.047±1.353 2.432±0.451 5.452±0.430外側(cè)區(qū)0.793±0.126 2.893±0.905 3.556±0.868 3.179±0.845 2.021±0.548 2.482±0.708 2.353±0.610 8.530±3.134 6.334±2.227 3.771±1.291

2.2 負荷狀態(tài)下正常與退變椎間盤的整體形變和應力 在300 N垂直載荷模擬負重狀態(tài)時，正常L4～5椎間盤整體形變前部較大，退變椎間盤整體形變減小，形變區(qū)域發(fā)生后移；退變L4～5椎間盤應力向邊緣聚集，纖維環(huán)應力在后緣處分布較為集中。正常L4～5椎間盤纖維環(huán)、髓核應力分別為（1.716 ± 0.682）、（0.516 ± 0.071）×105Pa；退變 L4～5 椎間盤纖維環(huán)、髓核應力分別為（2.665±0.583）、（0.463±0.700）×105Pa。與正常L4～5 椎間盤比較，退變 L4～5 椎間盤纖維環(huán)應力增大、髓核應力減小（P均<0.05）。

3 討論

椎間盤是脊柱重要的載荷中心和緩沖結(jié)構(gòu)，其生物力學特性包括承受和對抗載荷，并對相鄰椎體的運動進行限制，以保證脊柱的正常生理運動功能［6］。隨著機體的衰老以及各種外部理化因素損傷的影響，椎間盤發(fā)生退行性變并逐漸加重［7］。研究顯示，腰椎間盤退行性疾病的發(fā)病人群趨向于年輕化［8］。目前，導致腰椎間盤退變和突出的機制尚未明確，機械應力在其中所起的作用不可忽視［9］。三維有限元分析法是一種在可視化條件下通過數(shù)學運算形式進行應力和應變分析的研究方法，具有可控性和可重復性的優(yōu)勢，在脊柱生物力學的研究中得到了廣泛應用［10-11］。

本研究通過建立L4～5 椎間盤正常和退變?nèi)S有限元模型，并施加不同載荷模擬各種生理運動狀態(tài)，求解獲得椎間盤生物力學數(shù)據(jù)。常用的退變模型建立方法包括改變椎間盤的高度及面積、改變纖維環(huán)和髓核的材料屬性等。殷德振等［12］采用有限元法建立了頸椎椎間盤退變模型，發(fā)現(xiàn)脊柱的穩(wěn)定性在椎間盤退變過程中存在代償作用。文毅等［13］直接以腰椎間盤突出患者為志愿者，椎骨以骨密度賦值，椎間盤采取經(jīng)驗賦值，獲得的有限元模型更接近真實狀態(tài)，但不能形成可用于對照的正常模型。本研究的椎骨數(shù)據(jù)通過CT采集，髓核的數(shù)據(jù)通過MRI采集，并進行空間配準，保證了結(jié)構(gòu)的準確性。退變模型兼顧了椎間盤退變過程中纖維環(huán)和髓核形變及應力的變化，通過改變兩者的彈性模量和泊松比進行模擬，保證了模型的可信性。

本研究在纖維環(huán)后緣中央及左外側(cè)部近椎弓根處指定相應區(qū)域，分別命名為中央?yún)^(qū)和外側(cè)區(qū)。比較兩區(qū)域平均應力值，獲得了纖維環(huán)后緣生物力學分布特點。正常纖維環(huán)應力值在負重、前屈、后伸、扭轉(zhuǎn)生理運動狀態(tài)下中央?yún)^(qū)均高于外側(cè)區(qū)，但由于纖維環(huán)后緣中部有后縱韌帶的保護，纖維環(huán)中部的破裂較為少見；退變纖維環(huán)在5 種生理運動狀態(tài)下后緣外側(cè)區(qū)和中央?yún)^(qū)的應力均顯著增大，側(cè)彎時外側(cè)區(qū)應力高于中央?yún)^(qū)，纖維環(huán)后外側(cè)區(qū)應力顯著升高，當進行脊柱扭轉(zhuǎn)、側(cè)彎等運動時易誘發(fā)腰椎間盤突出［14］。通過對是否退變、不同區(qū)域以及不同生理運動狀態(tài)三組因素析因設(shè)計的方差分析，結(jié)果顯示，各因素間無交互作用，均對應力值有影響。因此，發(fā)生椎間盤突出后，應盡量避免負重，減少腰椎運動，降低椎間盤內(nèi)壓，以免加重病情。

本研究結(jié)果顯示，在給予垂直300 N 壓力模擬負重條件下，退變椎間盤纖維環(huán)應力有向周圍擴展的趨勢，纖維環(huán)外層應力集中，后部應力較正常椎間盤明顯增大；髓核應力較正常椎間盤顯著減小，分布發(fā)生改變，向邊緣傳導，這與纖維環(huán)發(fā)生退變后彈性減弱、剛性增強有一定關(guān)系。當承受相同軸向負重時，退變纖維環(huán)和髓核軸向形變能力減弱，纖維環(huán)分擔了髓核的部分應力，造成髓核應力減小，而纖維環(huán)的應力則增大，且分布不均，集中于纖維環(huán)外層，應力的這種改變與退變椎間盤生物組織學特點具有一致性。纖維環(huán)和髓核的主要化學成分為水、蛋白多糖和膠原纖維，正常椎間盤髓核中的各種成分比例適當，髓核不可壓縮但可形變，可以均勻傳導應力，保證了傳遞給纖維環(huán)的應力均勻分布，以避免椎間盤局部受力集中而發(fā)生破裂。椎間盤內(nèi)部應力的分布改變使椎間盤局部壓力升高，最終形成組織疝造成椎間盤突出。腰椎間盤退行性變后，組織表現(xiàn)為椎間盤細胞代謝紊亂，發(fā)生髓核脫水、蛋白多糖丟失、膠原纖維改變等變化，纖維環(huán)、髓核的生化成分及滲透性發(fā)生改變，含水量不斷下降，隨著退變程度的增加，彈性模量出現(xiàn)升高，傳導至纖維環(huán)的應力集中于后部，易引起纖維環(huán)破裂造成椎間盤突出。