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L_3-L_4活动节段有限元模型的建立及腰椎小关节分级切除的有限元分析

袁野  
【摘要】: 小关节在维持腰椎节段的稳定中起着重要的作用。小关节有时可因创 伤、疾病或椎管减压手术而受到损害。在退变性腰椎管狭窄中,神经根在 椎管的侧方受压,小关节中度或全部切除在后路神经根减压中被普遍采 用,它能较好地显示神经根及其周围结构。 以往的生物力学研究结果提示小关节切除有导致腰椎不稳和加速腰 椎退变的作用。然而,以往的体外实验研究多限于椎间关节的运动的变化, 仅反映关节间生物力学变化的部分面貌。 本实验利用L3-L4运动节段的三维有限元模型研究了单侧和双侧小关 节分级切除对腰椎稳定性的影响,通过力矩-旋转反映分析了不同程度小关 节切除的节段运动变化,同时分析了实验生物力学所不能测得的纤维环应 力的变化规律,为临床选择合适的小关节切除范围及手术设计提供生物力 学依据。 材料和方法 L3-L4活动节段的有限元模型:选取一正常志愿者L_3-L_4节段为研究 对象,实验前先行X线检查,排除节段表面有粗糙的病理改变存在。用 GH Hispeed CT/I型螺旋CT扫描机对标本进行层厚3mm的连续CT扫描, 然后再用扫描仪(Miccotek Scanmaker E6)扫描各断面,计算机放大处理 后输出。选择各断面的主要节点,在数字化仪(Sunmagraphics Ⅲ型)上进 行数字化处理,即可得到每张CT片上关键点X、Y坐标,通过层厚推算 Z坐标,并将各节点坐标输入计算机。 通过AutoCAD进行造型,不同层次点用不同颜色加以区别,并根据 需要适当划分网格,即形成L3工4活动节段的CAD模型。用SuPer-SAP (Algor公司,93版)有限元分析软件包的前处理系统将 CAD模型转换 成有限元分析模型。最后在模型上绘出韧带及小关节囊(以边界单元表D 示),其位置和方向通过实际测量得出。D 模型被处理为松质骨核心外面包裹着厚约1.stnm的皮质骨壳层,软骨l 终板厚为1刀turn,考虑为椎间盘的上、下表面。髓核处理为不可压缩的流 体,其弹性模量为0.ZMPA泊松比为0.49”8。D 材料特性:模型的各部分均采用线性各向同性材料,所有材料常数的D 数据资料均来自于文献报道。1 加载条件和边界条件:L3椎体的下表面在所有方向上完全固定,应 l 用于本实验的加载方式可分为两类:D l、轴向压缩载荷:应用700N垂直压力,均匀分布于活动节段上表面l 的各个节点。模拟人体直立时L3上表面所受到的压力。l 2、纯前屈、后伸、侧弯和旋转负荷:在L3椎体表面应用一对集中作I D 用力,形成没有轴向负荷的纯力矩。D 11、建立了L3L4活动节段的有限元模型,包括韧带和小关节的三维 I 结构。可用于进一步的生物力学研究。 12、模型的总节点数为2128包括1478个8节点块单元,16个边界 l 单元。髓核与整个椎间盘的横切面积之比为 35.5%。 13、从生理载荷下腰椎活动节段的应力分布情况看,椎体密质骨应力 D 集中于两椎弓根之间,松质骨应力集中于与皮质骨相邻的部位, D 而终板的应力集中于与密质骨相邻的部位。后部结构中,应力集 D 中的部位包括椎弓根、峡部和小关节等,而横突、棘突等部位则 l 应力水平很低。 I4、从椎间盘的应力分布情况看,纤维环区域的应力高于髓核区。在 D 模型的三层纤维环中,内层的应力最小,而外层的应力最大;外 ]缀髓 一。、。、5皆’ 层中以后侧及后外侧应力水平最高,其次为前侧。D 5.当L十L。节段间小关节全部去除时,椎间盘纤维环的最大应力出l 0.72MPa上升为0.81MPa,上升了 12.5%。表明小关节承载了一部 D 分轴向压缩载荷。’D 6、正常腰椎间盘的应力集中区域在纤维环的后外侧,而腰椎后伸使7 椎间盘纤维环应力水平明显大于直立位和前屈位,这提示腰椎间D 盘突出症的发生与其局部应力的异常增高有关。D 7、活动节段的运动范围从50%到75%单、双侧小关节切除时有明显l 增大,其最突出的倾向表现在轴向旋转和后伸旋转时,而前屈时D 最小。D 8、小关节不同程度切除后,腰椎活动节段纤维环最大 von Mises应力 l 的变化与其相对应的活动范围的变化呈明显的相关性,其中影响D 最大的是轴向旋转,其次为后伸旋转。I 9、一侧小关节主要是限制活动节段向对侧扭转和向对侧侧弯,而对l D 同侧的限制作用则较小。D


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