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本文由中国论文联盟
Key words：lumbar spine; discectomy; finite element model; biomechanics
腰椎小关节与前部的椎间盘构成三关节复合体，共同维持腰椎的稳定性，并参与腰椎运动功能,小关节与椎间盘的其中一方破坏将引起另一方结构和力学性能的变化，目前多认为小关节的退行性改变是继发于椎间盘病变而发生[1、2]。本实验在建立了L4、5腰椎节段三维有限元模型的基础上，利用有限元分析方法研究正常腰椎节段、髓核摘除术后腰椎节段小关节的应力大小和分布，分析髓核摘除后腰椎小关节的应力改变情况，从而研究小关节与椎间盘在力学性能上的相辅相成关系。
1 材料与方法
1.1 L4、5节段小关节正常三维有限元模型的建立是选取新鲜成人腰椎尸体标本1具( L1～S5)，实验前行大体解剖检查及X线检查，排除腰椎退变、骨折、先天畸形等改变。用GH-Hispeed( NX/i Pro， GE Medical Systems， USA)螺旋CT对标本L4、5节段行层厚1 mm连续断层扫描，将输出图像转换为无损的BMP格式图像，后将BMP格式图像文件转输入PC系统，并对图像进行配准、边缘分割等处理。每层图像经初步处理完成后输入三维重建软件Mimics系统，进行格式转换，对腰椎节段进行三维立体图像重建。然后将重建模型导入三维自由造型系统Free Form plus(Sens Able公司)，对三维 计算 机模型进行光滑及除噪，并根据需要对模型进行切割、填充、缩放、变形等图像处理。利用有限元分析软件Ansys 5.4(Swanson analysis systems，Inc.，Houston，Tex.，USA)对腰椎运动节段中不同材料特性的组件分别进行造型，建立L4、5节段的三维有限元模型，并对模型进行网格划分[3]。模型各材料特性及单元划分见表1。 表1 L4、5腰椎节段有限元模型的单元划分和材料特性部位单元类型单元划分弹性模量
1.2 L4、5节段髓核摘除三维有限元模型的建立
将L4、5节段正常三维有限元模型当中的髓核部分材料特性进行处理，将髓核内压取值为零，模仿前路腰椎间盘髓核摘除术，从而建立髓核摘除术后L4、5腰椎节段模型。
1.3 加载方法和小关节应力分析方法
在以上两个有限元模型中均给予相同的加载方法，以对各个模型中的小关节应力情况进行相关分析。固定模型L5椎体下终板，在L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷，外加载荷均布于L4椎体上终板表面，保持模型L5椎体下终板固定。在L4椎体上终板分别向模型施加前屈、后伸和右旋转力，力矩大小均为6 Nm，在各个加载条件下分析两个模型左右两侧小关节的应力分布情况。
腰椎小关节的关节面是不规则形状，L4下关节突关节面呈凸形，而L5上关节突关节面呈凹形。在腰椎不同的运动状态，两侧小关节面的各个部位接触情况是不同的，应力分布也是变化的。在模型的各个加载条件下，分别分析每侧和两侧小关节的总体应力变化情况。
2 结果
建立了L4、5腰椎节段正常、髓核摘除术后的三维有限元模型，并计算分析了两个模型在各个加载条件下小关节的应力大小和分布。L4、5运动节段正常模型共划分为51 248个单元，81 919个结点，网格各结点之间相互联结。髓核摘除术后模型共分为50 892个单元，81 255个结点。
三维8结点固体单元用于模仿皮质骨壳、松质骨、终板、椎间盘基质和髓核。椎间盘模型包括外层的纤维环及其包绕的内部髓核，纤维环则又包括纤维环基质和嵌插于其中的纤维。纤维环纤维定义为三维缆绳单元，仅能对抗张力牵拉。髓核定义为不可压缩体。6组韧带均用三维缆绳单元模仿，只能对抗张力。
2.1 小关节的有限元模型
小关节处理为三维接触模型，线性、面接触单元，无摩擦，由上下关节突关节面及韧带结构组成(图1)。小关节面模拟生理形态，设计成表面凹凸不平的椭圆形界面。小关节高16 mm，宽8 mm。不同部位的小关节间隙也不同，关节间隙在0.2～1 mm之间。骨性关节面表面覆盖有关节软骨，关节软骨定义为8结点固体单元，关节软骨平均厚约0.2 mm。小关节外层包绕关节囊韧带。
2.2 L4、5腰椎节段正常模型小关节的应力分布情况
在L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷，并分别向模型施加6 Nm的前屈、后伸、右旋转力矩，左侧、右侧小关节的杨氏应力大小见表2。前屈、后伸、右旋时正常节段有限元模型中小关节的杨氏应力大小和分布情况分别见图2～4。 表2 L4、5正常节段小关节杨氏应力大小从小关节应力分布来看，正常模型两侧小关节在右旋转时均产生较大应力，而以左侧小关节产生应力更大。 本文由中国论文联盟
[5] Yorimitsu E, Chiba K, Toyama Y,et al.Long-term outcomes of standard discectomy for lumbar disc herniation: a follow-up study of more than 10 years[J].Spine,2001,26:652-657.
[6] Hoogland T, van den Brekel-Dijkstra K, Schubert M,et al.Endoscopic transforaminal discectomy for recurrent lumbar disc herniation: a prospective, cohort evaluation of 262 consecutive cas[1] [2] 下一页 |
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