蔡國梁，蔡國鋒，莊 哲，李 嘉，張 穎，李雪艷，康建鑫，鄭金慧，張海燕，關(guān)富余，趙晨瓊，王春曉，任 杰，吳珍琦，鐘燕清，闞洪旭

不同負(fù)荷干預(yù)人體全脊柱模型脊柱穩(wěn)定性的有限元實(shí)驗(yàn)研究

蔡國梁1，蔡國鋒2，莊 哲2，李 嘉1，張 穎1，李雪艷1，康建鑫1，鄭金慧1，張海燕1，關(guān)富余1，趙晨瓊1，王春曉1，任 杰1，吳珍琦2，鐘燕清3，闞洪旭1

1.哈爾濱體育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱，150040；3.北京中學(xué)二分校，北京，100018。

目的：通過建立全脊柱模型，觀察在不同姿勢和不同載荷作用于人體脊柱時脊柱穩(wěn)定性的變化，向背包者建議較為合適背包姿勢和負(fù)重。方法：針對人體脊柱骨骼和韌帶系統(tǒng)開展了以人體脊柱CT掃描圖像為基礎(chǔ)的準(zhǔn)確幾何模型三維重建，并基于幾何模型劃分了有限元網(wǎng)格，采用有限元分析法對其開展了研究工作，觀測了不同載荷作用于人體時全脊柱模型椎體間位移變化特點(diǎn)。結(jié)果：采用有限元分析法構(gòu)建全脊柱模型并選取4種負(fù)荷（以體重的10%（10%BW）為單位增加）對全脊柱模型進(jìn)行穩(wěn)定性研究，結(jié)果顯示：T7，T12，L3三組的位移在負(fù)荷為10 %BW較小，均小于3mm；負(fù)荷加到20 %BW時，T7、T12組大于 3mm，但尚未達(dá)到3.5mm，而L3組為2.7mm；負(fù)荷高達(dá)30%BW后，T12位移稍大于3.5mm，T7組位移已達(dá)3.695mm，超出穩(wěn)定位移界限0.195mm，僅L3處位移最大值2.767mm，低于穩(wěn)定位移值。載荷達(dá)到40%BW后，T7和T12位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定位移臨界值，分別達(dá)到4.113和3.898mm，但L3組位移僅為3.047mm，依然在穩(wěn)定位移值范圍內(nèi)。結(jié)論：全脊柱模型驗(yàn)證表明，該研究構(gòu)建人體全脊柱模型構(gòu)建成功，并通過人體全脊柱有限元分析得出結(jié)論：背包負(fù)荷在10%BW-20%BW下，L3、T12、T7這3個位置的脊柱均處于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)背包負(fù)荷達(dá)到30%BW時，只有L3的位置脊柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；40%BW的負(fù)荷下也依然僅L3符合正常位移標(biāo)準(zhǔn)，這表明當(dāng)載荷大于30%BW時，將L3處定為載荷放置的位置最為合理，這樣可最大程度控制脊柱位移范圍，以降低人體脊柱損傷。

負(fù)荷；全脊柱模型；脊柱穩(wěn)定性；有限元

脊柱是人體活動的控制中心，具有支撐負(fù)重、保護(hù)脊髓的功能，在維持人體的形態(tài)、維持姿勢等方面也發(fā)揮至關(guān)重要的作用。當(dāng)我們進(jìn)行某項(xiàng)活動時，是利用肌肉的耐力與強(qiáng)度來維持脊柱保持平衡與穩(wěn)定。所以脊柱的穩(wěn)定性與人們生活、學(xué)習(xí)與工作的關(guān)系密不可分，當(dāng)脊柱的穩(wěn)定性強(qiáng)，就會減少脊柱側(cè)彎等疾病發(fā)生的可能性，相反，脊柱的過度活動和負(fù)荷會導(dǎo)致脊柱變形、疼痛甚至神經(jīng)組織壓迫損傷。

Dadgoo Mehdi[1]認(rèn)為脊柱的穩(wěn)定性能反映載荷與載荷所產(chǎn)生的位移間的相互關(guān)系，穩(wěn)定性強(qiáng)，在面對相同載荷時位移越小，對人體損傷程度越低。Panjabi MM以脊柱穩(wěn)定性為研究對象，提出脊柱穩(wěn)定性“三亞系模型”：被動亞系（韌帶與骨骼系統(tǒng)），主動亞系（肌肉系統(tǒng)），以及神經(jīng)控制亞系（反饋與控制系統(tǒng)）[2]。這3個亞系作為脊柱的3個獨(dú)立的組成部分，共同保持著穩(wěn)定性，一旦有其中之一失效，另外兩個也能代償，但是3個亞系無法互相代償時，脊柱穩(wěn)定性將必然受到損害，造成腰痛甚至脊柱側(cè)彎等疾病的發(fā)生。Beatriz Minghelli等[3]通過研究不同背包負(fù)重對于正常脊柱人群及患脊柱側(cè)彎人群的站姿與平衡有何差異，發(fā)現(xiàn)背包負(fù)荷對于軀干矢狀面與冠狀面之間的平衡有一定的影響。Skaggs，AlJanabi Nabil等[4]提出腰背部疼痛的主要原因之一可能在于背包負(fù)荷。Tomlow S[5]等研究發(fā)現(xiàn)雙肩包可以將背包給人體造成的傷害降到最低限度，若背包負(fù)荷與肌肉活動不對稱即說明軀干不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致腰背疼痛的發(fā)生。這些研究表明，背包重量過重會使青少年的脊柱穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。近年來，隨著生活壓力的增大，各年齡段背包的重量都在增長，因頸腰椎創(chuàng)傷、勞損、退行性病變等因素造成的脊柱不穩(wěn)基因，由此導(dǎo)致的下腰痛越來越受到廣泛的重視，導(dǎo)致有限元分析方法在脊柱的生物學(xué)調(diào)查中的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。有限元分析是數(shù)值計(jì)算中的一種離散化的方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用[6-7]。將復(fù)雜的問題分解為多個小問題來解決，并用多個小元素去模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)，對健康脊柱進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，檢查正常脊柱在各種條件下的應(yīng)力，模擬脊柱在各種負(fù)荷下的變化。為疾病的預(yù)防及治療提供方向。極大地推動了生物力學(xué)的發(fā)展。在這項(xiàng)研究中，首先使用有限元分析對人類脊柱穩(wěn)定性的被動亞系，即相關(guān)的韌帶和骨骼系統(tǒng)進(jìn)行建模，以模擬不同的背包負(fù)荷、位置條件下對脊柱穩(wěn)定性的影響。以此達(dá)到研究背包負(fù)荷以及背包位置對人體脊柱穩(wěn)定性影響的目的。明確人體科學(xué)正確的背包負(fù)荷與背包位置，為進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

1 研究材料與方法

（1）脊柱CT圖像自動分割，輪廓線的自動提取；

（2）脊柱椎體椎弓等重要解剖結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)獲??；

（3）精確幾何模型的有限元網(wǎng)格劃分，動態(tài)加載條件下的非線性分析與評價。

1.1 全脊柱三維模型的建立

圖1 全脊柱模型

1.1.1 本研究用螺旋CT以層厚1mm沿軸向連續(xù)掃描志愿者人體脊柱全長橫截面圖像，采用肖智韜[8]等人的方法，借助計(jì)算機(jī)輔助 CAD 軟件 SOLIDWORKS 和 MIMICS 相結(jié)合的方法建立椎間盤模型，并利用圖象處理軟件（Mimics 11.02）重建三維形態(tài)學(xué)模型，得到全脊柱的三維模型如圖1，其中包括26個椎體，23個椎間盤。

將建好的脊柱三維形態(tài)以IGES文件格式輸入到有限元分析軟件（ABAQUS 6.5）用有限元方法設(shè)定力學(xué)材料系數(shù)。綜合多個文獻(xiàn)[9-14]將所有模型的材料屬性都定義為彈性的，分為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤纖維環(huán)、椎間盤髓核、椎體終板、后部結(jié)構(gòu)6個部分，具體數(shù)值如表1。

表1 各部分材料屬性

1.1.2 綁定和彈簧模擬 由于每個模型都與其他節(jié)段有接觸，而且會影響有限元分析結(jié)果，故在模型中定義兩種接觸關(guān)系：椎間盤與上下椎體間的接觸定義為綁定，利用彈簧單元模擬脊柱周圍韌帶。

彈簧單元的剛度=韌帶的截面積×彈簧長度。

脊柱各韌帶截面積（mm2），如表2。

表2 脊柱各韌帶橫截面積

脊柱各部分韌帶剛度[15-17]，如表3。

表3 脊柱各韌帶剛度

模型共用228個彈簧單元模擬了脊柱周圍的全部韌帶。

1.2 約束和載荷

約束的定義由兩部分組成，第1部分是第5個腰椎下為模型定義了6個約束，其自由度都為0，這個約束取代了骶椎，意味著有限元分析的模型中沒有骶椎部分。第2部分模擬頸部對脊椎的約束，于寰椎處定義的約束只有軸向位移。

載荷的定義同樣由兩部分組成，（1）身體重量給脊柱帶來的負(fù)荷，（2）測試中背包重量給脊柱帶來的負(fù)荷。正常情況下人體體重對脊柱的作用載荷本研究[18-19]取人體體重（BW，body weight）60kg的50%。我們在C2、T1、L1 三個椎體的上表面分別加上60N、100N、140N，一共300N，以其替代人體自身重量。

鑒于人體的載荷相對于脊柱來說是一個力矩，在本研究中，脊柱上的載荷也被模擬成一個力矩。由于脊柱存在數(shù)個生理曲度，故根據(jù)曲度分解負(fù)荷產(chǎn)生力矩的力臂，定義力矩的大小=（?背包長度）×sin（該節(jié)段曲度值）×背包的重量，將?背包厚度的值定為50mm，則每一節(jié)段的曲度值見于圖2。

圖2 T7、T12、L3各節(jié)段與水平面夾角

（1）第1步：在T7表面模擬4個負(fù)荷（10％BW、20％BW、30％BW以及40％BW），依次在ABAQUS中定義4個分析步進(jìn)行模擬。

例如：當(dāng)負(fù)荷為10％BW時，力矩大小=50×sin（91.95°）×600×10％=2998.26（N-mm），以此方式，每一個分析步中產(chǎn)生的力矩分別為2998.26N-mm、5996.52N-mm、8994.78N-mm、11993.04N-mm。

第1個分析步：當(dāng)負(fù)荷為10%BW，力矩為 2998.26 N-mm時，脊柱的位移改變情況如圖3。

第2個分析步：當(dāng)負(fù)荷為20%BW，力矩為5996.52 N-mm時，脊柱的位移改變情況如圖4。

圖4 在 T7位置加載 20%BW彎矩的脊柱位移變化

第3個分析步：當(dāng)負(fù)荷為30%BW，力矩為8994.78N-mm時，脊柱的位移改變情況如圖5。

圖5 在 T7位置加載 30%BW彎矩的脊柱位移變化

第4個分析步：當(dāng)負(fù)荷為40%BW，力矩為11993.04.78N-mm時，脊柱的位移改變情況如圖6。

圖6 在 T7位置加載 40%BW彎矩的脊柱位移變化

（2）第2步：在T12表面模擬四個負(fù)荷（10％BW、20％BW、30％BW以及40％BW），依次在ABAQUS中定義4個分析步進(jìn)行模擬。

以第1步為參照，T12表面模擬的四個負(fù)荷（10％BW、20％BW、30％BW以及40％BW）中，每一個分析步中產(chǎn)生的力矩分別為2873.62N-mm、5747.24N-mm、8620.86N-mm、11494.48N-mm。

（3）第3步：在L3表面模擬4個負(fù)荷（10％BW、20％BW、30％BW以及40％BW），依次在ABAQUS中定義4個分析步進(jìn)行模擬。

以第1步為參照，L3表面模擬的四個負(fù)荷（10％BW、20％BW、30％BW以及40％BW）中，每一個分析步中產(chǎn)生的力矩分別為2994.84N-mm、5989.68N-mm、8984.52N-mm、11979.36N-mm。

至此，載荷和約束定義完畢。

1.3 有限元模型驗(yàn)證

有限元分析中至關(guān)重要的一步就是有限元模型的分析驗(yàn)證，近幾年國內(nèi)外學(xué)者的研究對象大多以腰椎4、5節(jié)為主要的研究對象，所以本研究也選取模型的L4-5節(jié)段來驗(yàn)證模型是否可靠。首先將500N豎直向下的載荷加到第四腰椎的上表面，如圖7。

圖7 在L4上加載500N后的示意圖

得到分析結(jié)果的位移圖，如圖8。

圖8

圖9 模型驗(yàn)證

圖9中曲線1為本有限元模型得出的軸向壓縮載荷與軸向位移曲線，從圖中我們可以看出本模型所得出的曲線與其他學(xué)者研究的結(jié)果[20-22]是一致的。

1.4 不同負(fù)荷下全脊柱模型的有限元分析

按照上述建模方法建模完成后，提交分析，3個大工況下共 12種小工況。分別是 T7 上表面分別施加4個彎矩載荷（10%BW、20%BW、30%BW 、40%BW），為了方便下文討論，將其分別定義為 T7- 1，T7-2，T7-3，T7-4。在T12上表面分別施加4個彎矩載荷（10%BW、20%BW、30%BW 、40%BW），并分別定義為T12-1，T12-2，T12-，T12-4 。L3上表面同樣分別施加4個彎矩載荷（10%BW、20%BW、30%BW、40%BW），并將其定義為 L3- 1，L3-2，L3-3，L3-4。并在以上每一種工況施加載荷的同時加以人體軀干重量的預(yù)載。

根據(jù)研究得知，脊柱穩(wěn)定的研究中判斷脊柱穩(wěn)定的依據(jù)大多通過位移的大小[8]，因此本研究的主要研究對象也以位移為參考標(biāo)準(zhǔn)。

在T7位置施加10%BW的載荷，其椎體之間的最大位移為 2.861mm，見于圖10。

圖10 T7-1 有限元分析結(jié)果位移圖

在T7位置施加20%BW的載荷，其椎體之間的最大位移為 3.278mm，見于圖11。

圖11 T7-2有限元分析結(jié)果位移圖

在T7位置施加30%BW的載荷，其椎體之間的最大位移為 3.695mm，見于圖12。

圖12 T7-3有限元分析結(jié)果位移圖

在T7位置施加40%BW的載荷，其椎體之間的最大位移為4.113mm，見于圖13。

圖13 T7-4有限元分析結(jié)果位移圖

T7組有限元分析的結(jié)果表明：T9-T3段的胸椎棘突是位移發(fā)生最大的位置，T5-T6段胸椎前緣的位移緊隨其后。這也證明胸曲段是好發(fā)脊柱最大的位移的位置?？梢钥吹阶畲笪灰频臄?shù)值如表4。

表4 T7 組最大位移

根據(jù)以往國內(nèi)外學(xué)者的研究文獻(xiàn)表明[24-25]，脊柱在正?；顒訝顟B(tài)下的位移范圍在 3mm-3.5mm，小于 3mm時是穩(wěn)定的，當(dāng)位移大于 3.5mm時則是不穩(wěn)定，會導(dǎo)致脊柱的變形與疾病的發(fā)生。

T7組的位移結(jié)果顯示，T7-1的位移值在3mm以下；T7-2的位移超過3mm但小于3.5mm；當(dāng)載荷大于等于人體自身重量的30%時，脊柱的位移超過了3.5毫米的穩(wěn)定位移值。

從T7組有限元分析結(jié)果可以得知，在 T7位置不是背包的合理位置，對脊柱的位移影響較大，當(dāng)負(fù)荷到達(dá) 40%BW時，位移達(dá)到4.113，可以看出如果 T7位置長時間背負(fù)較大負(fù)荷時，會對脊柱造成較大的損傷。

同法將4個載荷施加于T12位置，結(jié)果如下：

當(dāng)T12處的載荷為10%BW時，椎體之間的最大位移值為 2.818mm；

當(dāng)T12處的載荷為20%BW時，椎體之間的最大位移值為 3.175mm ；

當(dāng)T12處的載荷為30%BW時，椎體之間的最大位移值為 3.535mm；

當(dāng)T12處的載荷為40%BW時，椎體之間的最大位移值為 3.898mm 。

T12組的位移分布可以得知最大位移與T7組相似，集中于胸曲段的 T9-T4段，但最大位移卻大不相同，如下表5。

表5 T12 組最大位移

兩組比較中T7組的最大位移總體略大于 T12組。T12-1，T12-2，都未超過3.5mm，說明載荷10%BW-20%BW范圍內(nèi)，T7和T12位置脊柱處于相對穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)負(fù)荷增加至30%BW時，T12位移值達(dá)到3.535mm，略高于穩(wěn)定位移值，而T7的位移值高于T12；當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加至40%BW時，T12位移達(dá)到3.898 mm，此時T7組載荷為4.113mm，兩組皆遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定位移值的 3.5mm。觀察T12組的結(jié)果可以得知，當(dāng)負(fù)荷小于 30%BW放置于T12位置時，對脊柱的穩(wěn)定性影響并不大。但如果負(fù)荷超過30%BW，就會損傷脊柱的穩(wěn)定性。

同法將4個載荷施加于L3位置，結(jié)果如下：

當(dāng)L3處的載荷為10%BW時，椎體之間的最大位移值為2.570mm；

當(dāng)L3處的載荷為20%BW時，椎體之間的最大位移值為2.692mm；

當(dāng)L3處的載荷為30%BW時，椎體之間的最大位移值為2.858mm；

當(dāng)L3處的載荷為40%BW時，椎體之間的最大位移值為3.047mm。

從L3組的位移分布來看，胸曲段依然是椎體最大位移位置，但是通過觀察模型的整體的變形情況我們可以得知，L3組的位移值最小，意味著椎體間變形的程度也越小，這也意味著L3在處施加載荷結(jié)果比較穩(wěn)定，比較L3組的最大位移值，如表6。

表6 L3 組最大位移

通過實(shí)驗(yàn)中3組的比較可以看出在L3處加載負(fù)荷，其最大位移值最小。在4種逐漸遞增的負(fù)荷下依然沒有超過穩(wěn)定位移值，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3.5mm穩(wěn)定位移值。即使負(fù)荷增加到40%BW時，其最大位移值也僅僅只有3.047，稍微大于穩(wěn)定位移范圍的最低值。這不僅證實(shí)了施加載荷的方式的科學(xué)合理性，同樣證明了L3是最為合理的位置，也是對脊柱的穩(wěn)定性有相對最小的影響。

圖14 相同載荷下不同的背包方式脊柱位移的比較

從圖14中可以看出，T7、T12的位移隨著載荷的增加也不斷變大，超過穩(wěn)定位移值，僅L3組變化不明顯，而且最大位移值均在保持在 3mm的最小穩(wěn)定位移值，并都小于3.5mm。三組對比來看，在載荷為10%BW左右時，T7、T12、L3三組的最大位移皆處于穩(wěn)定位移值3mm以下；載荷為20%BW左右時，T7、T12兩組雖小于3.5mm，但已超過3mm，唯有L3組穩(wěn)定在2.7左右，由此可知當(dāng)載荷小于20%BW時，三個位置均可接收，但是穩(wěn)定性排名T7＜T12＜L3。當(dāng)載荷為30%BW時，L3的最大位移值為2.767mm，遠(yuǎn)低于穩(wěn)定值；T12位移為3.535mm，略高于3.5mm；而T7高達(dá)3.695mm，超過穩(wěn)定界限0.195mm。這也說明了若T12、T7處長期遭受大負(fù)荷壓迫，必然會影響脊柱的穩(wěn)定性，也會加大脊柱病變的發(fā)生概率。脊柱的位移值隨著負(fù)荷的增加逐漸變大，當(dāng)負(fù)荷高達(dá)40%BW時，只有L3組的位移遠(yuǎn)低于穩(wěn)定位移值，僅有3.047mm，T12的位移值為3.898mm，而T7更高達(dá)4.113mm，遠(yuǎn)高于正常穩(wěn)定范圍。這也表明了若載荷較高，達(dá)到40%BW以上時，L3位置是最佳承擔(dān)載荷的位置，只有這樣才能維持脊柱的穩(wěn)定性，使其處于相對合理范圍。若由T7、T12的位置承擔(dān)載荷，脊柱將由于承擔(dān)載荷不當(dāng)發(fā)生較大位移，從而影響脊柱的健康甚至發(fā)生脊柱病變。

本實(shí)驗(yàn)通過對人體脊柱的CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，根據(jù)建立整個脊柱的三維模型，并對模型進(jìn)行有限元分析，研究脊柱在不同位置和不同載荷大小下的穩(wěn)定性。整個研究大體分為12個工況，將位置選定在第七胸椎、第12胸椎和第3腰椎，并在這3個椎體上分別加以逐漸遞增的四個載荷（10％BW、20％BW、30％BW以及40％BW），來模擬面對不同載荷時三個椎體的位移變化，從而觀察相應(yīng)位置的穩(wěn)定性。為了使整個實(shí)驗(yàn)中的模型更加準(zhǔn)確具有真實(shí)性，在模型中同時斟酌了人體自身重量對于椎體的影響，將人體軀干的重量分為3部分，分別施加在AXIS，C1，L1上，并對脊柱周圍的韌帶以228個彈簧單元來模擬。待成功建立模型后，將其導(dǎo)入于有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行有限元分析。

2 結(jié)果與分析

近年來，因國內(nèi)外學(xué)者用以判定脊柱穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)大多為位移，所以本次實(shí)驗(yàn)中的模型也利用有限元分析結(jié)果中的位移值分布來判定其穩(wěn)定性。對比3組的結(jié)果，位移最大的是T7組，其次是T12。當(dāng)載荷較小時，3組位移均處于合理位移范圍內(nèi)，一旦載荷超過30％BW，T7、T12的穩(wěn)定性便降低，位移值超出正常范圍3.5mm。一旦脊柱失去穩(wěn)定性，鄰近活動都會對骨骼產(chǎn)生一定程度的磨損，脊柱的血運(yùn)也會受到影響，長此以往身體負(fù)荷逐漸增加，會導(dǎo)致脊柱退行性病變的發(fā)生和進(jìn)程加速，也會增加病人患腰椎狹窄，腰椎間盤突出等疾病的概率。而觀察L3組，無論載荷增加至多少，位移值的改變都很微小，且控制在穩(wěn)定位移值以內(nèi)。這也可以證實(shí)L3位置是對脊柱穩(wěn)定性影響最微弱的位置。可以得出類似結(jié)論的還有關(guān)于模型應(yīng)力的情況。綜上所述，關(guān)于人體脊柱穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)，按穩(wěn)定性排序L3＞T12＞T7。

3 討 論

本次研究在順利建成全脊柱模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元分析軟件來模擬不同的背包重量作用于人體脊柱T7、T12和L3三個位置，并觀察各個部位的變化。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得知，T7、T12、L3這三個位置都隨著載荷的增加不斷增加其位移值，唯有L3組的變化最小，最大位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3.5mm，且穩(wěn)定在3mm左右。

縱向?qū)Ρ?組的研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷小于10％BW時，T7、T12、L3組的位移值均穩(wěn)定在3mm內(nèi)，即使載荷為20％BW，3組的位移也未超過3.5mm的穩(wěn)定值，但是對比三組的穩(wěn)定性，L3組＞T12組＞T7組。而當(dāng)載荷升高至30％BW可以看得出T7、T12超過穩(wěn)定范圍，只有L3處僅有2.767，遠(yuǎn)未達(dá)到穩(wěn)定位移值，T7、T12皆發(fā)生較大位移。載荷為40％BW時結(jié)果與30％BW基本保持一致。綜上結(jié)論表明為了使脊柱長期保持在合理位移范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)荷大于30％BW時，應(yīng)將負(fù)荷位置放在L3處，這樣有利于保護(hù)脊柱健康。如果T7、T12處長期受到較大力量的載荷，久而久之則會破壞脊柱的穩(wěn)定性，對脊柱造成難以修復(fù)的損傷。

4 結(jié) 論

（1）在對全脊柱模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，可以證明本研究順利地建呈了人體全脊柱模型；

（2）經(jīng)過利用有限元分析法對比人體全脊柱，發(fā)現(xiàn)當(dāng)背包載荷小于20％BW時，在L3，T12，T7三個位置承載重量，脊柱都處于穩(wěn)定狀態(tài)；

（3）當(dāng)背包載荷增加至30％BW時，脊柱穩(wěn)定的位置只有在L3上，T7、T12皆在穩(wěn)定范圍以外。由此可知，若載荷達(dá)到30%BW以上時，最好辦法是將背包的位置選擇在L3處，這樣這樣有利于保護(hù)脊柱健康，使脊柱維持在相對安全的范圍內(nèi)，降低對人體脊柱的長期損傷。

[1] Seyedhoseinpoor Tahere, Dadgoo Mehdi, Taghipour Mohammad, Ebrahimi Takamjani Ismail, Sanjari Mohamad Ali, Kazemnejad Anoshirvan, Ebrahimi Hadi, Hasson Scott. Combining clinical exams can better predict lumbar spine radiographic instability[J]. Musculoskeletal Science and Practice, 2022(prepublish).

[2] Panjabi M M. The stabilizing system of the spine. Part I. Function, dysfunction, adaptation, and enhancement[J]. Journal of spinal disorders, 1992, 5(04).

[3] Beatriz Minghelli, Carla Nunes, Raul Oliveira. Effectiveness of a Back School and Postural Education Program on the improvement of literacy about postures and low back pain in adolescents: A 1-year follow-up study[J]. Journal of Orthopaedic Science, 2020, 26(prepublish).

[4] AlJanabi Nabil, Olesen Anne Estrup, Straszek Christian Lund, Guldhammer Clara, Rathleff Michael Skovdal, Andreucci Alessandro. Pain medication use for musculoskeletal pain among children and adolescents: a systematic review[J]. Scandinavian journal of pain, 2021, 21(04).

[5] Motmans R R E E, Tomlow S, Vissers D. Trunk muscle activity in different modes of carrying schoolbags.[J]. Ergonomics, 2006, 49(02).

[6] 楊名生.有限元網(wǎng)格自動生成的組合處理方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（05）：507～512.

[7] 葉宇星，劉嘉源，黃大耿.有限元分析方法在脊柱生物力學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].國際外科學(xué)雜志，2021，48（07）：499～504.

[8] 肖智韜.腰椎—椎弓根螺釘固定系統(tǒng)的建模與有限元分析[D].吉林大學(xué)，2009.

[9] 曾小麗，彭 亮，白 凈.基于CT數(shù)據(jù)的人體L3-L4腰椎節(jié)段的三維有限元建模和分析[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2007（03）：266～269.

[10] 胡明濤，韋 興，趙紅平，等.后路椎弓根螺釘系統(tǒng)治療特發(fā)性腰椎側(cè)凸的有限元分析[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2007（04）：367～372.

[11] 敖 俊，方國芳，馮 偉，等.以三維有限元模型分析短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘系統(tǒng)固定后螺釘應(yīng)力的分布[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2008（39）：7601～7604.

[12] Rezaei Asghar, Tilton Maryam, Giambini Hugo, Li Yong, Hooke Alexander, Miller II Alan L., Yaszemski Michael J., Lu Lichun. Three-dimensional surface strain analyses of simulated defect and augmented spine segments: A biomechanical cadaveric study[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2021, 119.

[13] Ji Xiaoxu, Piovesan Davide, Arenas Maria & Liu He.(2022).Analysis of Healthcare Push and Pull Task via JACK: Predicted Joint Accuracy during Full-Body Simulation. Applied Sciences(13).

[14] Park Jin-Sung, Park Ye-Soo. Reply to a letter to the editor: “Survival analysis and risk factors of new vertebral fracture after vertebroplasty for osteoporotic vertebral compression fracture”[J]. The Spine Journal, 2022, 22(03).

[15] 汪學(xué)松. PUMC ⅡD_Ⅱ型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸仿真模型和有限元模型的建立和相關(guān)生物力學(xué)分析[D].中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)，2008.

[16] 劉耀升，陳其昕，廖勝輝，等.腰椎L4-L5活動節(jié)段有限元模型的建立與驗(yàn)證[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（06）：665～669.

[17] Purushothaman Yuvaraj, Yoganandan Narayan, Jebasselan Davidson, Choi Hoon, Baisden Jamie. External and internal responses of cervical artificial disc replacement, and anterior cervical discectomy and fusion: A finite element modeling study[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2020, 106（prepublish）.

[18] Tamoud Abderrahman, Za?ri Fahmi, Mesbah Amar, Za?ri Fahed. A fully three-dimensional model of interpenetrating collagen fibrillar networks for intervertebral disc mechanics[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 223.

[19] Qin Da Ping, Zhang Xiao Gang, Son Ming, Zhang Hua, Cao Lin Zhong, Zhao Wen Tao, Wang Zhi Peng, Xu Shi Wei. Effect of different attributes of the mimic human lumbar spine biomechanics material structure change by finite element analysis[J]. SN Applied Sciences, 2021, 3(12).

[20] Sung Won, Hicks Gregory E, Ebaugh David, Smith Susan S, Stackhouse Scott, Wattananon Peemongkon, Silfies Sheri P. Individuals With and Without Low Back Pain Use Different Motor Control Strategies to Achieve Spinal Stiffness During the Prone Instability Test.[J]. The Journal of orthopaedic and sports physical therapy, 2019, 49(12).

[21] Sonntag V K, Marciano F F. Is fusion indicated for lumbar spinal disorders?[J]. Spine, 1995, 20(24 Suppl).

[22] El Bojairami Ibrahim, Driscoll Mark. Formulation and exploration of novel, intramuscular pressure based, muscle activation strategies in a spine model[J]. Computers in Biology and Medicine, 2022, 146.

[23] Goel, V. K., Kong, W., Han, J.S., Weinstein, J. N. And Gilbertson, L. G A combined. Nite element and optimis ation investigation of lumbar spinal mechanics with and without muscles. Spine, 1993, 18, 1530～1542.

[24] Widmer Jonas, Fornaciari Paolo, Senteler Marco, Roth Tabitha, Snedeker Jess G, Farshad Mazda. Kinematics of the Spine Under Healthy and Degenerative Conditions: A Systematic Review.[J]. Annals of biomedical engineering, 2019, 47(07).

[25] SCOTT BODEN, SAM WIESEL. Lumbosacral Segmental Motion in Normal Individuals Have We Been Measuring Instability Properly?[J]. Spine, 1990, 15(06).

Finite Element Experimental Study on Spine Stability in Human Whole Spine Model with Different Loads

CAI Guoliang1, CAI Guofeng2, ZHUANG Zhe, et al1

1.Harbin Sport University, Haerbin Heilongjiang, 150001, China;2.Heilongjiang University of Chinese Medicine, Haerbin Heilongjiang, 150040, China;3.The Second Branch of Beijing Middle School, Beijing, 100018, China.

By establishing the whole spine model, observe the changes of its stability in different postures and different loads, and advise the backpack packer more suitable backpack posture and weight bearing. Method: for human spine bone and ligament system is based on the human spine CT scan images of accurate geometric model 3 D reconstruction, and based on the geometric model divided the finite element grid, using the finite element analysis method for the research work, observed the different load on the whole spine between the vertebral body model displacement change characteristics. Results: Whole-spine model was constructed and selected four loads（increasing in 10%BW）for the stability study, Results show: T7, T12, The displacement of the L3 trio was smaller at a load of 10%BW, All of these are less than 3mm; When the load is added to 20%BW, The T7 and T12 groups were greater than 3mm, However, it has not yet reached 3.5mm, While the L3 group was 2.7mm; After a loading of up to 30%BW, The T12 displacement is slightly greater than 3.5mm, Group T7 displacement has reached 3.695mm, Beyond the stable displacement limit of 0.195mm, Max. displacement at L3 only, 2.767mm, Below the stable displacement value. After the load reaches 40%BW, the T7 and T12 shifts are much greater than the stable displacement critical value of 4.113 and 3.898mm, respectively, but the L3 group displacement is only 3.047mm, still within the range of the stable displacement value. Conclusion: The idation of whole spine model shows that This study constructed a human whole spine model constructed successfully, The finite element analysis concluded that the backpack load was at 10%BW-20%BW, The spines in L3, T12 and T7 are all in a stable state; When the backpack load reaches 30%BW, Only the L3 position of the spine is stable; At 40%BW load, only L3 still meets the normal displacement standard, This indicates that when the loading is greater than 30%BW, The loading position at L3 is the most reasonable position, This maximizes the control of the spine displacement range, To reduce the human spinal injury.

Load; Total spinal model; Stability of the spine; Finite element analysis

1007―6891（2023）05―0034―07

10.13932/j.cnki.sctykx.2023.05.07

G804.22

A

2022-08-23

2022-09-03

1.國家社會科學(xué)基金西部項(xiàng)目（20XTY001）；2.黑龍江省自然科學(xué)基金聯(lián)合引導(dǎo)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：不同負(fù)荷干預(yù)青少年脊柱穩(wěn)定性的生物力學(xué)研究，項(xiàng)目編號：LH2020H008。

闞洪旭（1973-），男，學(xué)士，高級工程師，研究方向：圖書館學(xué)。