提物后伸狀態(tài)下L3～L4椎間盤載荷的在體研究

掌握人體腰椎椎體在體負荷的相關(guān)知識，對于理解腰椎功能、改善腰椎手術(shù)治療效果非常重要。諸多研究采用實驗檢測和計算機模擬方法來研究在體椎間盤的載荷狀態(tài)，但無創(chuàng)性測量技術(shù)的實現(xiàn)仍然是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一個挑戰(zhàn)。本研究旨在通過有限元方法研究在體椎間盤在提物后伸狀態(tài)下的負荷情況。

首先構(gòu)建3名健康無癥狀男性受試者的腰椎MRI三維重建模型，建立包括前后、左右、遠近軸在內(nèi)的空間坐標系。每一名受試者雙臂水平伸展，手持重物，右手負重8 lbs、左手7 lbs，模擬功能性日?；顒樱仙砘顒臃秶汕皟A45°到過伸20°，這一過程中臂和肩膀幾乎不運動（圖1）。采用脈沖為8 ms、幀頻為30幀/s的雙熒光透視圖像系統(tǒng)（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）捕獲沿運動軌跡的腰椎圖片，獲得動態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)，MRI三維重建椎體模型亦被導(dǎo)入虛擬DFIS，匹配注冊后在虛擬攝影機下重現(xiàn)腰椎的三維運動。測量虛擬環(huán)境下三維重建模型6個自由度（圖2）的運動學(xué)參數(shù)，檢測椎間盤每個運動節(jié)段單元上終板與下終板之間的相對運動，選擇沿運動軌跡的3個位置（20°前傾位、直立位、20°過伸位）進行L3～L4椎間盤有限元分析。

結(jié)果提示，3名受試對象屈曲位前剪切移位最大（0.5～2.2 cm），直立位L3～L4椎間盤受到最大的壓縮（1.4～1.7 mm）。直立位L3～L4椎間盤內(nèi)壓力最大，平均1.4 MPa（1.0～1.6 MPa）；前傾20°時壓力最小，平均0.6 MPa（0.4～0.8 MPa）。在脊柱節(jié)段受力與力矩方面，直立位椎間盤受到最大的壓縮力(1 544 N)，前傾位與過伸位分別為518、672 N；前傾位時獲得最大的前后剪切力（233 N），直立位與過伸位最大前后剪切力分別為70、119 N；前傾位力矩最?。ā?.0 Nm），直立位與過伸位相似，分別為—4.2、—4.1 Nm。

研究結(jié)果表明，在提物后伸狀態(tài)下，身體前傾位時椎間盤承受更高的剪切力，而直立位時則受到更強的壓縮負荷。沿著從前傾到過伸的運動路徑，連續(xù)運動使椎間盤所承受的負荷加大。

（摘自Wang SB,Park WM,Kim YH,et al.In vivo loads in the lumbar L3-4 disc during a weight lifting extension.Clin Biomech,2014,29:155-160.http://dx.doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2013.11.018.黃文漢譯，夏虹審校）

圖1 受試者握持15英鎊狀態(tài)下3個位置的腰椎三維重建模型 1A前傾位 1B直立位 1C過伸位圖2腰椎及椎間盤6自由度