腰椎间盘摘除三维有限元模型的生物力学分析

目的:建立腰椎运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型,分析椎间盘摘除后腰椎生物力学的改变。方法:实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成。以1名健康男性志愿者作为模拟对象,对其脊柱T12～S1节段进行层厚2mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15°进行三维重建。将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型,用有限元分析软件转换成有限元模型。在此模型上去除L4～5椎间盘右后侧1/4的纤维环中部全层及约1/4的髓核,以模拟腰椎间盘摘除手术。分别在椎体、椎间盘及小关节选取节点进行计算。结果:①2000N垂直压缩载荷下椎间盘摘除后运动节段应力与正常运动节段的比较:与正常运动节段比较,垂直压缩时上下椎体、纤维环及髓核右后方压力均升高,其余部分压力降低;双侧小关节内压力升高(P均<0.01)。②10N·m前屈载荷下椎间盘摘除后运动节段应力与正常运动节段的比较:与正常运动节段比较,前屈时上下椎体、髓核左前方压力均升高;纤维环前方压力、后方张力均升高;双侧小关节内压力降低(P均<0.01)。③10N·m后伸载荷下椎间盘摘除后运动节段应力与正常运动节段的比较:与正常运动节段比较,后伸时上下椎体、纤维环前方张力、后方压力均升高;髓核前方压力降低,后方压力升高;双侧小关节内压力升高(P均<0.01)。④10N·m侧弯载荷下椎间盘摘除后运动节段应力与正常运动节段的比较:与正常运动节段比较,侧弯时上下椎体、纤维环、髓核右侧压力均升高,左侧压力降低;右侧小关节内压力升高,左侧小关节承受的张力改变为压力(P均<0.01)。结论:成功建立了L4～5腰椎运动节段椎间盘摘除的新型三维有限元模型,应力分析证实腰椎间盘摘除改变了腰椎运动节段正常的承载方式,小关节等部位存在较高的应力,提示这可能是术后邻近部位发生继发性退行性变的原因。

Biomechanical analysis of three-dimensional finite element models of lumber intervertebral disc removal