腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响的有限元分析

李春超; 居来提·买提肉孜; 解学晨; 张乐; 王轶希; 帕尔哈提·热西提

doi:10.12307/2026.191

摘要：背景:基于有限元分析的腰椎生物力学建模技术,因能够量化评估腰椎活动度和椎间盘等结构的应力分布特征,已成为研究腰椎疾病发生机制和手术方案优化的重要工具.目前常见的腰椎有限元模型包含椎骨、椎间盘、终板、关节软骨和韧带等,现有研究中的腰椎有限元模型普遍未考虑腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎节段稳定性的影响. 目的:通过建立包含腰椎深层固有肌群的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型,并利用有限元分析比较腰骶椎骨骼有限元模型与腰骶椎骨骼肌肉有限元模型的生物力学差异. 方法:基于1名27岁健康志愿者的 CT 数据重建腰骶椎骨骼有限元模型,在此基础上重建腰椎深层固有肌群.通过有限元分析不同工况增加腰椎深层固有肌群被动支撑后腰椎活动度、椎间盘应力和椎体皮质骨应力的变化,评估腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎的调节作用. 结果与结论:施加相同的载荷后,在前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转、前屈与轴向旋转复合的工况下:①腰椎活动度:添加肌肉被动支撑的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型活动度均小于腰骶椎骨骼有限元模型,且肌肉种类越多活动度越小,其中包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌的腰骶椎骨骼肌肉模型活动度小于腰骶椎骨骼有限元模型,而包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌的腰骶椎骨骼肌肉模型活动度是最小的;②椎间盘和椎体皮质骨应力:腰骶椎骨骼有限元模型中,肌肉被动支撑因素的加入降低了椎间盘和椎体的最大应力值,但是它们的应力呈现出相似的分布,而且应力降低程度与肌肉数量相关,其中包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型椎间盘和椎体皮质骨最大应力值小于腰骶椎骨骼有限元模型,而包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌的腰骶椎骨骼肌肉模型椎间盘和椎体皮质骨最大应力值是最小的.提示腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎活动范围、椎间盘应力和椎体皮质骨应力都起到了减缓作用,尤其在前屈、后伸、左右侧弯、前屈与轴向旋转复合的工况下减缓效果较好.