退变对腰椎4~5节段椎间盘生物力学的影响

目的建立正常人体腰椎4~5节段(L4~5)有限元模型,基于正常模型建立退变椎间盘有限元模型,分析退变后L4~5椎间盘生物力学的变化。方法选择健康男性志愿者1名,采集其正常腰椎CT和MRI的影像数据,建立正常L4~5有限元模型;通过改变纤维环和髓核的材料属性,建立退变L4~5椎间盘的有限元模型。设定约束条件,并在L4椎体表面分别施加300 N的垂直载荷和10 N•m的力矩,模拟腰椎的负重、前屈、后伸、侧弯、扭转五种生理运动状态;运算求解获得椎间盘整体形变和应力分布云图;测量椎间盘表面应力,分析退变对腰椎间盘生物力学的影响。结果正常L4~5椎间盘纤维环后缘负重、前屈、后伸、扭转时中央区应力均高于外侧区,侧弯时外侧区应力高于中央区(P均<0.05)。退变L4~5椎间盘纤维环后缘不同生理运动状态下外侧区和中央区应力均较正常L4~5椎间盘纤维环后缘增大(P均<0.05);负重、前屈、扭转时中央区应力均高于外侧区(P均<0.05),侧弯时外侧区应力高于中央区(P均<0.05),后伸时外侧区与中央区应力比较差异无统计学意义(P>0.05)。析因设计的方差分析结果显示三因素(是否退变、测量部位、运动状态)的交互效应均有统计学意义(P均<0.05),各因素间无交互作用。在300 N垂直载荷模拟负重状态时,正常L4~5椎间盘整体形变前部较大,退变椎间盘整体形变减小,形变区域发生后移;退变L4~5椎间盘应力向边缘聚集,纤维环应力在后缘处分布较为集中。与正常L4~5椎间盘比较,退变L4~5椎间盘纤维环应力增大、髓核应力减小(P均<0.05)。结论退变后,L4~5椎间盘应力分布不均,纤维环应力增大,更易发生损伤。