基于腰椎三維有限元模型的踩蹺法時(shí)效參數(shù)研究.pdf

1、目的：
　　構(gòu)建健康者（正常人）與腰椎間盤(pán)突出癥（患者）L1～S1節(jié)段三維有限元模型，觀察不同踩蹺時(shí)效參數(shù)（周期、時(shí)長(zhǎng)）對(duì)L1～S1整體節(jié)段及L4～5脊柱功能單元的生物力學(xué)效應(yīng)（應(yīng)力、應(yīng)變），優(yōu)化踩蹺時(shí)效參數(shù)，探索正常人與患者踩蹺時(shí)效差異，為踩蹺治療LDH機(jī)理及優(yōu)化研究提供客觀依據(jù)。
　　方法：
　?。?）采用GE Discovery MR7503.0T磁共振儀獲取正常人與患者腰部MRI圖像，利用Mimics、Geom

2、agic、Patran及Nastran等有限元軟件建立L1～S1節(jié)段三維有限元模型。取模型中單獨(dú)的L4～5節(jié)段，分別施予250N至1500N，步長(zhǎng)為250N豎直向下靜態(tài)力對(duì)模型進(jìn)行軸向壓縮，將計(jì)算結(jié)果與相同邊界條件下實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證模型材料參數(shù)。利用自主研發(fā)MRI床內(nèi)腰椎局部加壓裝置，分別獲得受試者L4～5橫突間隙，脊柱正中旁開(kāi)5cm處，垂直向下施予0kgf、144kgf、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)踩蹺20S后三種工況作用下腰段MRI圖像，

3、比較相同載荷下，L1～S1有限元模型MRI圖像上腰椎曲度（L2下緣和L5上緣延長(zhǎng)線(xiàn)的夾角，下簡(jiǎn)稱(chēng)“Cobb角”），以驗(yàn)證模型有效性。
　?。?）根據(jù)羅才貴教授踩蹺實(shí)際力學(xué)數(shù)據(jù)分析整理，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編程模擬，擬合成計(jì)算機(jī)力學(xué)函數(shù)數(shù)據(jù)，分別在L4～5橫突間隙，正中旁開(kāi)5cm處，垂直向下分別施予動(dòng)態(tài)力學(xué)加載，模擬踩蹺力學(xué)參數(shù)。根據(jù)羅才貴教授實(shí)際踩蹺時(shí)效特點(diǎn)，在已驗(yàn)證的有限元模型上模擬6種周期、6種時(shí)長(zhǎng)共12種踩蹺時(shí)效工況，模擬踩蹺時(shí)效

4、參數(shù)。周期工況為0.89S、1.25S、1.5S、1.8S、2.25S、3.25S，分別稱(chēng)為周期A、B、C、D、E、F，其中1.25S為羅教授踩蹺實(shí)際周期；時(shí)長(zhǎng)工況為10S、20S、30S、40S、50S、60S，分別稱(chēng)為時(shí)長(zhǎng)A、B、C、D、E、F，其中20S為羅教授踩蹺實(shí)際時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)模擬不同踩蹺時(shí)效工況，觀察不同工況下正常人與患者有限元模型L4～5節(jié)段神經(jīng)根與椎間盤(pán)相對(duì)位移，最大位移點(diǎn)Cobb角，確立最優(yōu)踩蹺周期與時(shí)長(zhǎng)參數(shù)。比較分析最

5、優(yōu)踩蹺周期、時(shí)長(zhǎng)工況下正常人與患者L4～5椎間盤(pán)、神經(jīng)根、椎體、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力；比較分析最優(yōu)踩蹺周期、時(shí)長(zhǎng)工況下正常人與患者L4～5椎間盤(pán)位移、神經(jīng)根位移、相對(duì)位移及最大相對(duì)位移點(diǎn)Cobb角變化率。
　　結(jié)果：
　?。?）本實(shí)驗(yàn)建立正常人與患者L1～S1節(jié)段三維有限元模型：正常人L1～S1三維有限元模型包括106242個(gè)實(shí)體單元，98個(gè)線(xiàn)單元，總計(jì)27453個(gè)結(jié)點(diǎn)；患者L1～S1三維有限元模型包括120277個(gè)實(shí)體單元，12

6、4個(gè)線(xiàn)單元，總計(jì)31193個(gè)結(jié)點(diǎn)；包含接觸非線(xiàn)性，幾何非線(xiàn)性2種非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)。在正常人與患者模型L4～5節(jié)段分別施予250N至1500N，步長(zhǎng)為250N豎直向下靜態(tài)力，其L4～5節(jié)段軸向壓力—軸向位移曲線(xiàn)與相關(guān)文獻(xiàn)中的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果吻合。正常人與患者0kgf、144kgf、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)踩蹺20S作用下,腰段MRI圖像與L1～S1有限元模型相同工況模擬加壓下所獲得的腰椎曲度（Cobb角）相比較，其差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

7、>　?。?）有限元模型模擬踩蹺6種周期工況：（2.1）正常人與患者各工況皆能明顯增加相對(duì)位移及Cobb角，B工況下相對(duì)位移曲線(xiàn)最穩(wěn)定，正常人平均相對(duì)位移大于患者。（2.2）最大相對(duì)位移點(diǎn)Cobb角分析：正常人B與C、F比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），與A、D、E比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；患者B與A、C、D、E、F比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。（2.3）各周期平均相對(duì)位移分析：正常人B與A、C、D、E、F比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P

8、>0.05）；患者B與A、C、D、E、F比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。
　?。?）有限元模型模擬踩蹺6種時(shí)長(zhǎng)工況：（3.1）正常人與患者相對(duì)位移曲線(xiàn)圖呈現(xiàn)一定規(guī)律，以20S為周期循環(huán)。（3.2）最大相對(duì)位移點(diǎn)Cobb角分析：正常人B與C、D、E、F比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；患者B與A比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），與C、D、E、F比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。（3.3）各時(shí)長(zhǎng)相對(duì)位移分析：正常人B與A、C、D、E

9、、F比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；患者B與A、C、D、E、F比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。
　　（4）正常人與患者L1～S1有限元模型模擬最優(yōu)踩蹺時(shí)長(zhǎng)、周期下的應(yīng)力分析：（4.1）應(yīng)力集中在L4～5節(jié)段椎間盤(pán)前后緣、椎體上下緣、左右神經(jīng)根，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力較小。（4.2）L4～5椎間盤(pán)應(yīng)力分析：正常人與患者椎間盤(pán)前后緣組間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）,正常人椎間盤(pán)前后緣組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），患者椎間盤(pán)前后

10、緣組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。(4.3）L4～5神經(jīng)根應(yīng)力分析：正常人與患者雙側(cè)神經(jīng)根組間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），患者神經(jīng)根組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），正常人神經(jīng)根組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。(4.4）L4～5椎體上下緣應(yīng)力分析：正常人與患者L4～5椎體上下緣組間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），患者組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），正常人組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。(4.5）L4～

11、5關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力分析：正常人與患者關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)組間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；正常人與患者L4下關(guān)節(jié)左右組內(nèi)比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），患者L5上關(guān)節(jié)組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。
　?。?）正常人與患者L1～S1有限元模型模擬最佳踩蹺時(shí)長(zhǎng)、周期下的應(yīng)變分析：（5.1）正常人與患者L4～5椎間盤(pán)平均位移比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；（5.2）正常人與患者L4～5神經(jīng)根平均位移比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001）

12、；（5.3）正常人與患者L4～5椎間盤(pán)/神經(jīng)根平均相對(duì)位移比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001）；（5.4）最大位移點(diǎn)Cobb角變化率比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001）。
　　結(jié)論：
　?。?）本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的正常人與患者L1～S1節(jié)段三維有限元模型反映了該節(jié)段腰椎解剖形態(tài)及生物力學(xué)特性，模型仿真度高，具有有效性，能用于踩蹺法時(shí)效參數(shù)的生物力學(xué)研究。
　?。?）模擬踩蹺的12種時(shí)效工況皆能增大腰椎曲度、L4～5節(jié)段神經(jīng)根與椎間

13、盤(pán)相對(duì)位移，改善腰椎生理曲度及根性壓迫為踩蹺治療腰椎間盤(pán)突出癥生物效應(yīng)之一。
　?。?）模擬踩蹺的12種時(shí)效工況中，周期1.25S、時(shí)長(zhǎng)20S工況下操作更安全、療效更穩(wěn)定，為最優(yōu)踩蹺時(shí)效參數(shù)。
　?。?）最優(yōu)踩蹺時(shí)效參數(shù)下，正常人與患者L4～5節(jié)段各結(jié)構(gòu)應(yīng)力不同，椎間盤(pán)、神經(jīng)根、椎體上下緣應(yīng)力大于關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。患者應(yīng)力較正常人欠“均勻”，說(shuō)明患者腰椎力學(xué)順應(yīng)性、穩(wěn)定性降低。
　?。?）最優(yōu)踩蹺時(shí)效參數(shù)下，正常人腰椎曲度變