費 駿 賴 震 魏 威 石仕元 沈 健 杭州市紅十字會醫(yī)院骨科 杭州310003

廖勝輝 中南大學信息科學與工程學院計算機科學系

·論 著·

軸向加載對腰椎結核模型穩(wěn)定性影響的三維有限元研究

費 駿 賴 震 魏 威 石仕元 沈 健 杭州市紅十字會醫(yī)院骨科 杭州310003

廖勝輝 中南大學信息科學與工程學院計算機科學系

目的：研究軸向加載對腰椎結核三維有限元模型穩(wěn)定性的影響，為臨床治療腰椎結核提供生物力學理論依據(jù)。方法：選取自愿者采集CT數(shù)據(jù)，采用專用生物力學軟件建立正常材質(zhì)的L2～L5節(jié)段腰椎模型和5種不同的結核模型，在相同的軸向加載條件下進行分析。結果：通過軸向加載發(fā)現(xiàn)，正常腰椎的平均剛度為277N/mm，A、B、C、D、E五型結核腰椎的平均壓縮剛度分別為233N/mm、239N/mm、275N/mm、253N/mm和217N/mm。腰椎結核模型平均剛度比正常模型最大減小近22%；在應力方面，結核破壞區(qū)域位于骨皮質(zhì)時影響最大，出現(xiàn)大的應力集中情況；同時，結核破壞對于椎間盤的力學傳導有很大影響。結論：腰椎結核破壞影響腰椎的穩(wěn)定性，不同部位的結核破壞產(chǎn)生相應的應力集中，研究結果對臨床治療有指導意義。

腰椎 結核 有限元方法 生物力學

根據(jù)全國結核病流行病學抽樣調(diào)查顯示，我國各種結核病患病例數(shù)居世界第二位，是世界結核病高負擔國家之一，結核病已成為我國傳染病第一殺手[1]。結核病治療以內(nèi)科治療為主，脊柱結核外科治療目的主要是清除病灶和重建穩(wěn)定，這就需要在制定手術計劃前對脊柱病灶內(nèi)膿腫死骨的發(fā)生發(fā)展作全面的動態(tài)評估，對病灶骨性結構和椎間結構破壞造成的脊柱穩(wěn)定性的影響做出較為準確的判斷，繼而結合患者體質(zhì)、全身狀況等制定個體化的治療方案[2]。三維有限元分析能較好地模擬復雜力學環(huán)境，提供其它實驗方法不能直接測量的內(nèi)部力學反應，在骨科生物力學中的實用性和科學性被廣泛認同。目前在脊柱外科力學研究中，腰椎有限元分析應用較廣[3]，但國內(nèi)外很少有相關文獻專門進行關于腰椎結核的力學仿真分析。為此，本研究構建高質(zhì)量的腰椎三維有限模型，對L3和L4節(jié)段的5種結核類型分別施加軸向垂直壓縮載荷，進行生物力學對比和分析。

1 材料與方法

1.1 計算機硬件配置和建模軟件系統(tǒng) 硬件使用計算機，配置為英特爾處理器Pentium Core 2，內(nèi)存為8G，硬盤為1 000G。建模軟件采用E-feature Biomedi-cal Modeler（上海輝擎信息科技有限公司）[4]，該系統(tǒng)方便交互設置椎間盤、韌帶、肌肉、關節(jié)軟骨等各種復雜的解剖結構和組織，應用于醫(yī)學有限元仿真的前處理。有限元分析軟件采用ANSYS 12.0（ANSYS公司，美國）。

1.2 構建腰椎三維有限元模型 選取一名腰椎正常的自愿者（男性，24歲，對實驗內(nèi)容知情同意，并簽署知情同意書）采集數(shù)據(jù)，采用SOMATOM SENSATION 16螺旋CT機對腰椎L2～L5段腰椎進行薄層掃描，層厚0.75mm。獲取相關數(shù)據(jù)，將CT導入E-feature Bio-medical Modeler中進行腰椎圖像分割與L2～L5模型重建，生成實體模型。生成各節(jié)段椎體后部結構與腰椎椎體區(qū)域的分界面；測量腰椎骨皮質(zhì)平均厚度為2.2mm，使用交互工具，生成骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)分界面，進行有限元網(wǎng)格劃分，生成高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格。其中，對于L3和L4椎體的骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)，進一步劃分，以方便后面設置結核分布的不同類型。然后使用交互建模工具生成關節(jié)突軟骨層，關節(jié)表面接觸選用面面接觸單元模擬，上下關節(jié)突軟骨的初始間距設置為0.6mm。纖維環(huán)纖維由多層只承受張應力的索單元構建，各層纖維的橫截面積自外向內(nèi)逐漸減小。最后采用索單元生成腰椎的主要韌帶組織，包含棘上韌帶、棘間韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、小關節(jié)突和鉤椎關節(jié)的關節(jié)囊韌帶。各韌帶單元根據(jù)當前實際模型結合解剖知識進行設置，韌帶組織采用非線性的材質(zhì)參數(shù)[5-6]。將三維有限元模型導入ANSYS 12有限元分析軟件，為提高數(shù)值計算的精度，其中的線性單元全部轉換為非線性的二次節(jié)點單元。腰椎三維有限元模型各部分的材質(zhì)設置參考課題組前期文獻[7]。

1.3 腰椎有限元模型驗證 與實際的腰椎生物力學實驗結果進行對比，對正常模型的有效性進行驗證。本研究選取國內(nèi)外的典型實驗結果[8-9]進行對比，陳更新等[8]研究發(fā)現(xiàn)在10N/m的加載力矩載荷下正常腰椎在前屈、后伸、側彎、旋轉工況的平均活動度范圍分別為（44.95±8.34）°、（23.74±4.63）°、（30.14± 5.04）°和（23.27±4.1）°；Yamamoto等[9]研究結果分別為38.7°、25.9°、8.9°和28.8°；本實驗為36.9°、24.3°、23.5°和26.3°，與實際生物力學實驗的結果接近，可以認為本實驗所建有限元模型是有效的，可以進行后續(xù)研究。

1.4 五種典型腰椎結核的模擬 在構建的L2～L5節(jié)段正常腰椎三維有限元模型基礎上，修改L3～L4節(jié)段相關區(qū)域的有限元網(wǎng)格材質(zhì)，模擬5種典型的腰椎結核類型：A型：L3椎體及前壁骨結核，L3椎體前柱骨質(zhì)破壞包括骨皮質(zhì)及骨松質(zhì)，但不包括上下終板；B型：L3椎體及后壁骨結核，L3椎體中柱破壞包括松質(zhì)骨及椎體后壁，不包括上下終板；C型：L3椎體中央型骨結核，骨質(zhì)破壞在椎體內(nèi)部松質(zhì)骨區(qū)，不破壞上下終板及骨皮質(zhì)。D型：L3椎體及L3～4椎間盤結核，L3椎體中下部分骨質(zhì)破壞包括松質(zhì)骨、下終板及L3～4椎間盤，不包括L3椎體前后壁骨皮質(zhì)及L4椎上終板；E型：L3和L4椎體和椎間盤結核，包括L3椎體中下部及L4椎體中上部的松質(zhì)骨和前后壁皮質(zhì)骨、相鄰椎間盤全部破壞。

1.5 邊界條件和加載模擬設置 對于正常腰椎模型和5種典型的L3～L4節(jié)段結核腰椎模型，施加相同的邊界固定條件和力加載條件：完全約束L5椎體底面所有節(jié)點，在L2椎體上面節(jié)點施加600N軸向垂直壓縮載荷。

2 結果

整個三維有限元模型包括248 075個實體單元，455個索單元，2 884個目標單元和接觸單元，總計共251 414個單元，363 741個節(jié)點。所建的有限元模型，包括精細重建的各種韌帶、椎間盤、關節(jié)突軟骨等組織結構。見圖1（插頁）。

在軸向垂直壓縮情況下，正常腰椎模型和5種典型結核腰椎模型的最大位移如表1所示，進一步分析相鄰椎體功能活動段的剛度，正常腰椎的平均壓縮剛度277N/mm，A、B、C、D、E型結核腰椎的的平均壓縮剛度分別為233N/mm、239N/mm、275N/mm、253N/mm和217N/mm，可見E型結核的平均剛度受影響最大，比正常模型減小近22%，A型結核和B型結核的平均剛度也分別減少了16%和13%，而C型結核和D型結核的平均剛度受影響相對較小。可見如果骨皮質(zhì)區(qū)域發(fā)生結核病變，腰椎的穩(wěn)定性受影響比較大，同時，結核病灶在椎體骨皮質(zhì)前壁比在椎體后壁的影響較大，因此，椎體前柱骨皮質(zhì)破壞對椎體的力學穩(wěn)定性影響更大。

表1 軸向加載工況下的腰椎最大位移和平均剛度

使用ANSYS軟件后處理模塊分析等效應力顯示，骨皮質(zhì)區(qū)域和骨松質(zhì)區(qū)域呈最大等效應力。其中A型結核和B型結核的L3椎體骨皮質(zhì)無病變區(qū)域的應力達到正常腰椎模型的3倍和3.9倍，E型結核的L4骨皮質(zhì)無病變區(qū)域的應力達到正常腰椎5.6倍，而骨皮質(zhì)區(qū)域中發(fā)生結核病變區(qū)域的應力只有正常腰椎模型3%～17%，可見結核病變對骨皮質(zhì)區(qū)域的影響非常大，會出現(xiàn)嚴重的應力集中。對于骨松質(zhì)區(qū)域，結核病變對其影響相對較小，其中B型結核的L3椎體沒有病變區(qū)域的應力達到正常腰椎2.4倍，而骨松質(zhì)區(qū)域中發(fā)生結核病變區(qū)域的應力為正常腰椎模型13%～77%。見圖2～3（見插頁）。

圖4（見插頁）顯示椎間盤終板的最大等效應力，可以看到L3上終板、L4下終板由于相距病變區(qū)域相對較遠，應力變化不是很大。而對于L3下終板在結核未累及的A型、B型模型的終板應力為正常模型50%左右，發(fā)生結核的D型、E型模型的終板應力為正常模型的5%左右，表示終板的力傳遞功能受到較大影響，而C型模型比較正常。L4上終板情況也基本相同，結核未累及的A型、B型模型的終板應力為正常模型50%左右，發(fā)生結核的E型模型的為正常模型的9%左右，而C型模型比較正常。圖5（見插頁）顯示椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)和髓核的最大等效應力。可以看到L2～L3之間的椎間盤的應力變化不大。而對于L3～L4之間的椎間盤,發(fā)生結構病變的D型、E型模型的應力可能達到正常模型的2～4倍。圖6（見插頁）顯示椎間盤的應力云圖。

3 討論

脊柱結核是最常見的也是多發(fā)的肺外結核之一。脊柱結核由于潛伏期長，發(fā)病時難于發(fā)現(xiàn)，早期診斷困難，是引起后凸畸形、截癱的常見原因，致殘率高，治療難度大。脊柱結核的手術治療應綜合分析結核病變部位、病變程度、合并癥等因素，選擇最佳的個體化手術方案。因此，研究不同類型腰椎結核對脊椎穩(wěn)定性及應力變化的影響具有重要的臨床意義。

傳統(tǒng)實驗研究由于實驗條件等多方面的限制往往導致脊柱結核生物力學實驗無法進行，主要存在取得標本困難、標本差異性大、不能模擬各種結核類型等弊端，同時非活體實驗條件與活體有很大差別。而有限元法卻能克服實驗條件的限制，準確設置對比模型，運用計算機分析研究內(nèi)部力學變化。因此，運用有限元法進行骨科生物力學的研究已經(jīng)廣泛應用。

本研究結果顯示，當腰椎3、4節(jié)段發(fā)生結核破壞時，對脊椎軸向垂直壓縮情況下的穩(wěn)定性及應力變化的影響非常大。在穩(wěn)定性方面，E型結核的平均剛度受影響最大，比正常模型減小近22%，A型結核和B型結核的平均剛度也分別減少了16%和13%，而C型結核和D型結核的平均剛度受影響相對較小。由此可見，椎體骨皮質(zhì)的完整性對椎體的軸向穩(wěn)定的影響較大，尤其是椎體前柱皮質(zhì)的完整性比中柱更為重要。在應力方面，骨皮質(zhì)無病變區(qū)域的應力達到正常腰椎模型的3～5.6倍，而骨皮質(zhì)區(qū)域中發(fā)生結核病變區(qū)域的應力只有正常模型3%～20%左右。如此大的力學不平衡將嚴重影響脊椎的力學穩(wěn)定性，如果得不到及時修復，很可能產(chǎn)生局部的塌陷。同時，結核病變對于椎間盤的力學傳導改變影響很大，發(fā)生結核的終板應力不到正常模型的10%，而發(fā)生結核病變的纖維環(huán)基質(zhì)和髓核的應力則可能達到正常模型的2～4倍，表明椎間盤的力傳遞功能受到很大影響。纖維環(huán)基質(zhì)和髓核的應力集中可能加速椎間盤的退變、破裂，進而加速結核膿腫的擴散至椎間隙。

本實驗結果證實，當腰椎發(fā)生結核破壞時影響腰椎的穩(wěn)定性，不同部位的結核破壞產(chǎn)生相應的應力集中，對于力學穩(wěn)定影響輕微的結核患者可以采取腰托支具固定或臥床制動的方法減輕病灶周圍的應力集中，降低對脊柱穩(wěn)定性的破壞；對于存在嚴重力學不穩(wěn)定的患者，應積極抗結核治療的同時通過手術重建脊柱的穩(wěn)定性，恢復脊柱的生理功能。

［1］全國結核病流行病學抽樣調(diào)查技術指導組.第四次全國結核病流行病學抽樣調(diào)查報告［J］.中華結核和呼吸雜志，2002，25（1）：3-7.

［2］Luk-Keith DK.Spinal tuberculosis［J］.Curr Opin Orthop，2000，11（3）：196-201.

［3］郝劍，樸哲，李繼海，等.基于CT圖像和逆向工程方法建立正常人體腰椎三維有限元模型［J］.中國組織工程研究，2012，16（4）：593-596.

［4］Liao S-H.E-feature biomedical modeler manual[J/OL]. 2011.http://www.e-feature.net/content/fea.

［5］鄭琦，廖勝輝，魏威，等.復雜性腰椎管狹窄癥減壓和椎間融合手術的有限元分析［J］.中國生物醫(yī)學工程學報，2012，31（4）：23-28.

［6］Kim H，Lim DH，Oh HJ，et al.Effects of nonlinearity in the materials used for the semi-rigid pedicle screw systems on biomechanical behaviors of the lumbar spine after surgery［J］.Biomedical Materials，2011，6（5）：055005.

［7］賴震，費駿，魏威，等.應用三維有限元分析髖臼骨結核軟骨下骨塌陷的風險［J］.生物醫(yī)學工程學進展，2010，31（4）：198-201.

［8］陳更新，于柏龍，杜勁松，等.青老年腰椎三維運動范圍的實驗研究［J］.生物醫(yī)學工程學雜志，1999，16（4）：438-440.

［9］Yamamoto I，Panjabi MM，Crisco T，et al.Three-dimen-sional movements of the whole lumbar spine and lumbosacral joint［J］.Spine，1989，14（11）：1256-1260.

Axial Load Effect on the Stability of Lumbar Spinal Tuberculosis in a Three-dimensional Finite Element Model

FEI Jun，LAI Zhen，WEI Wei，et al.Red Cross Hospital of Hangzhou,Hangzhou（310003），China

Objective：To study the influence of axial load on lumbar spine tuberculosis stability with a three-dimensional finite element model,and to provide the necessary biomechanical theoretical basis for the treatment of spinal tuberculosis.Methods：A normal material FE model of L2～L5 Lumbar model and 5 different types of tuberculosis models were generated by using specially designed modeling system after CT data collected from a volunteer subject and then the same axial loading conditions were applied to do comparison.Results：After axial loading，lumbar tuberculosis stability was affected by tuberculosis：the average stiffness of A，B，C，D，and E lumbar spinal tuberculosis models were 233，239，275，253，and 217 N/mm，with a 22%reduction at most when compared to 277 N/mm of the normal model.For stress result,tuberculosis located in the cortical bone brought serious impact,with large stress concentration.Tuberculosis also seriously influenced the mechanical conduction of the intervertebral disc.Conclusion：Tuberculosis can affect lumbar stability；different locations of tuberculosis produces the corresponding stress concentration.These findings may have guiding significance on the clinical diagnosis.

lumbar spine tuberculosis finite element method biomechanics

2013-08-01

杭州市科技發(fā)展計劃項目（No.20091233Q22）

通迅作者：費駿，E-mail：jamfee67@163.com