退变性腰椎滑脱三维有限元模型的生物力学实验研究

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[目的]探讨退变性腰椎滑脱的应力分布和变化,通过对椎间盘和小关节剪切应力的研究,探讨二者在防止腰椎滑脱中的作用,为后续研究和临床治疗提供力学参考。 [方法]临床选取一名退变性腰椎滑脱的患者,将其已发生了退变性滑脱的L4-L5腰椎运动节段予以CT扫描,各层图像经计算机处理后,按有限元网格划分的原则,划分节点1162个,单元662个,运用SUPER-SAP(93)有限元计算程序,建立腰椎滑脱的三维有限元模型。计算出人体在正常操作中的负荷情况,将这些负荷加载于相应的节点,模拟脊柱正常活动范围内退变性滑脱的腰椎运动节段在前屈、中立、后伸三种工况,分别计算相应载荷下退变性滑脱的腰椎运动节段各部位的动态应力分布状况,尤其是椎间盘、小关节的剪切应力和椎弓峡部的M氏应力,探讨各部位对腰椎稳定的作用。 [结果]在中立位,根据三柱理论对L4、L5椎体在Z轴上应力进行研究,L4椎体前部与后部无明显差异(P>0.05),L5椎体前部的压缩应力分布明显高于后部(P<0.01)。椎间盘的剪切应力分布从后伸至前屈位逐渐加大,但后伸位与中立位无明显统计学差异(P>0.05),椎间盘的剪切应力主要分布在纤维环,髓核上的剪切应力非常小。在中立、后伸位纤维环前部和后部剪切应力分布无明显差异(P>0.05),而在前屈位前部剪切应力十分明显地高于后部(P<0.01)。无论在何种工况下,小关节的平均剪切应力均明显高于椎间盘(P<0.05),在前屈和后伸位左右两侧小关节也存在着明显差异(P<0.05),左侧大于右侧。无论前屈位还是后伸位,小关节的剪切应力分布均高于中立位(P<0.05),左侧小关节三种工况间差异尤为显著(P<0.01),而右侧前屈位与后仲位间的差异却不显著(P>0.05)。无论在何种工况下,峡部的M氏应力与于椎弓根和椎板分别有明显差异(P<0.05)和十分明显的差异(P<0.01),峡部在前屈和后伸时M氏应力均有增大,以后伸为最大,但只有在后伸位与前屈位、中立位的比较中存在显著差异〔P<0.05)和十分显著的差异 (P<0 .01)。 【结论11、腰段脊柱发生滑脱后,下位椎体在Z轴上的应力前移,也即重力对椎体的作用前移,椎体的中柱不再是对重力的主要承担者。 2、脊柱前屈时滑脱部位椎间盘的剪切应力加大,后伸时椎间盘的剪切应力虽在减小但与中立位无明显差异,椎间盘的剪切应力主要分布在纤维环,前屈时椎间盘纤维环前缘所受剪切应力最大。 3、无论在前屈位还是在后伸位小关节的平均剪切应力都明显高于椎间盘。因关节面角度的不同,左、右侧的小关节的剪切应力相互间也存在着差异,关节面接近矢状位的小关节所受剪切力大。无论前屈位还是后伸位,小关节的剪切应力都增大。 4、无论在何种体位下,峡部在m氏应力均明显高于椎弓根和椎板,也即退变性腰椎滑脱发生后在脊椎后部结构中峡部所受综合应力最大,也最具有被破坏的可能性。向前屈和向后伸时,峡部的m氏应力均明显增大,但以后伸时的应力最大。
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