正常胸腰骶脊柱三维有限元模型的建立与有效性验证.pdf

6 医药前沿 2024年1月 第14卷第3期 论著正常胸腰骶脊柱三维有限元模型的建立与有效性验证李 星1，龙云山1，韦亚军2，邓俊才2（通信作者）（1 成都中医药大学附属医院骨科 四川 成都 610000）（2 成都中医药大学附属第三医院脊柱外科 四川 成都 610000）【摘要】目的：建立包括胸椎、腰椎及骶骨在内的正常脊柱三维有限元模型，并验证其有效性，为生物力学研究和模拟手术提供可靠模型。方法：招募 1 名健康成年男性志愿者，对其脊柱进行 CT 扫描，针对其脊柱 CT 数据，通过Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS Workbench 软件重建三维有限元模型，并加载正常人体直立状态的载荷，通过计算机运算该模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转时的活动范围（ROM），与已有的大体标本实验结果对比，来验证该模型的有效性。结果：重建了包括胸椎、腰椎及骶骨在内的正常人体脊柱，并模拟了包括皮质骨、松质骨、椎间盘、关节软骨及韧带等结构的特性，基本反映了正常人体脊柱的力学特性，通过对比，该模型的 ROM 在尸体实验结果的 ROM 之内，验证了该模型的有效性。结论：建立的正常胸腰骶脊柱模型仿真度高，可用于深入分析复杂载荷下脊柱的生物力学研究，以及模拟手术对预估术后效果提供理论指导。【关键词】脊柱；有限元模型；胸椎；腰椎；骶骨【中图分类号】R681.5【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2024）03-0006-04Establishment and validation of three-dimensional finite element model of normal thoracolumbosacral spineLI Xing1,LONG Yunshan1,WEI Yajun2,DENG Juncai2(Corresponding author)1 Department of Orthopaedics,Affiliated Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu,Sichuan 610000,China2 Department of Spinal Surgery,The Third Affiliated Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu,Sichuan 610000,China【Abstract】Objective To establish a 3D finite element model of normal human spine including thoracic vertebra,lumbar vertebra and sacrum,and verify its validity,so as to provide a reliable model for biomechanical study and simulated surgery.Methods A healthy adult male volunteer was recruited to perform CT scan on his spine.Based on the CT data of his spine,a 3D finite element model was reconstructed using Mimics,Geomagic,Solidworks,and ANSYS Workbench software,and a normal upright human body load was loaded.The range of motion(ROM)of the model during forward bending,backward extension,left bending,right bending,left rotation and right rotation was calculated by computer and compared with the experimental results of the existing gross specimens to verify the validity of the model.Results The normal human spine including thoracic vertebra,lumbar vertebra and sacrum was reconstructed,and the structural characteristics including cortical bone,cancellous bone,intervertebral disc,articular cartilage and ligament were simulated,which basically reflected the mechanical characteristics of normal human thoracolumbar sacral spine.By comparison,the range of motion of the model was within the range of motion of the cadaveric experiment results,which verified the effectiveness of the model.The stress distribution on the upper surface of waist 1 was observed by simulating the human body standing and 6 kinds of activities.Conclusions The established model of normal thoracolumbosacral spine has a high degree of imitation,which can be used for in-depth analysis of the biomechanical study of the spine under complex loads,and provide theoretical guidance for predicting the postoperative effect of simulated surgery.【Key words】Spine;Finite element model;Thoracic vertebra;Lumbar vertebra;Sacrum三维有限元分析是医学研究者广泛认可的一种生物力学研究方法，通过人体的影像学数据，在计算机上逆向重建模型，根据相关文献改变参数，尽可能地还原原有细节，基于计算机运算载荷造成的形变和应力分布，以此来预知骨骼在现实中受力的影响和变化。有限元分析具有可重复、无创、准确性高的优点1。目前除侧凸脊柱的研究外，正常脊柱有限元分析的研究大多只建模腰骶部节段，并不重建正常形态的胸椎模型2-4，根据以往的研究，人体脊柱是一个整体5，胸腰椎之间的曲度会相互影响6,7，但胸椎的顶部T1 斜率也是决定颈椎曲度的关键因素8-10。在腰椎的上方重建胸椎模型，能模拟胸椎对腰椎整体的影响，在腰椎的力学研究中，能更精确地模拟出现实中的腰椎所处的状态，也能观察到腰骶部对胸椎的影响，此外通过 T1 斜率的改变，也能间接地观察到腰椎、胸椎对颈椎曲度的影响，目前大部分研究建立的脊柱有限元模型仅着眼于短节段，仅重建腰椎或腰骶椎，忽略了脊柱整体与局部之间的相互影响，导致所构建的模型与真实人体骨骼的状态具有一定的差距，所以建立包含胸腰骶在内的脊柱模型对研究脊柱整体生物力学来说非常重要。因此，本研究拟建立一个正常胸腰骶脊柱三维有限元模型，使未来腰椎的生物力学基金项目：四川省中医药管理局科研专项课题面上项目（2023MS031）。医药前沿 2024年1月 第14卷第3期 论著 7研究，能包含胸椎对腰椎的影响，使腰椎的生物力学研究、手术模拟能更具整体性、准确性，为未来人体脊柱各部分之间相互影响的研究提供更精确有效的模型。1 资料与方法1.1 一般资料招募 1 名健康志愿者，男性，24 岁，身高 177 cm，体质量 120 kg，排除脊柱有其他疾病，并签署知情同意书。由成都中医药大学附属第三医院影像科采用德国西门子公司的 64 排螺旋 CT 机对纳入对象脊柱进行扫描，图像层厚 0.5 mm 并以 DICOM 格式保存。本研究已通过成都中医药大学附属第三医院伦理委员会的批准。设备和软件，AMD Ryzen7 5800H RTX3060；CPU 3.2 GHz 16 G；内存 32 G；Windows 10 操作系统计算机 1 台，Mimics21.0；Geomagic wrap 2017；Solidworks 2017；ANSYS Workbench 17.0 有限元软件。1.2 方法1.2.1 三维有限元模型的建立 将该志愿者的 CT 扫描数据导入 Mimics 21.0 软件中，设置 CT 值的阈值以分离其中不同密度的组织，完成脊柱模型的初步重建后导出“STL”格式文件。将“STL”文件导入 Geomagic wrap2017，对粗糙的模型进行初步处理，然后进入到Solidworks2017 软件对模型进行精细化处理并将模型以“XT”格式保存到本地。最后将“XT”格式的模型导入到 ANSYS Workbench17.0 软件中，添加材料属性、韧带等以完成对脊柱最后的模拟。整个对脊柱模型重建的过程中，我们建立了皮质骨、松质骨、关节突软骨、上终板、下终版、纤维环及髓核七 7 种组织来模拟脊柱的各个部分，并根据既往研究赋予材料属性杨氏模量、泊松比和韧带刚度值（表 1）11-13，以使本研究模型更加接近真实脊柱的生物力学特性。接着设置各组织间的接触类型14-16，关节突的关节软骨与上一椎体的接触为“friction”，摩擦系数 0.2，关节突的关节软骨与下一椎体的接触为“Bonded”，其余椎间盘与椎体的接触也定义为“Bonded”。除此之外，还要参考正常人体解剖中脊柱韧带的附着位置17-18，添加前纵韧带、后纵韧带，黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带，添加韧带的方法是使用 ANSYS Workbench 17.0 软件中的“Spring”功能，设置为“仅收缩”以此来模拟韧带。在 ANSYS Workbench 17.0 软件中，以四面体为最小单元划分有限元网格，定义骨性物质网格边长为 4 mm，椎间盘、软骨的网格边长为 1 mm，划分网格。1.2.2 模型的有效性验证 为了验证构建的模型与真实脊柱的相似性，需要与既往的大体标本活动范围（range of motion,ROM）实验19-21进行对比。本实验将模型分为胸椎（T1 12）、腰椎-骶骨 2 个部分分别进行验证。仿照 Watkins 等22的实验，固定 T12 椎体下端，在 T1 椎体上表面施加 2 Nm 的力矩使胸椎做前屈、后伸、左侧屈和右侧屈的运动，在 T1 椎体上终板施加5 Nm 的力矩，使胸椎做左旋转和右旋转的运动，分别记录 6 种运动的 ROM1；仿照 Panjabi 等23的实验，固定 S1 椎体，在 L1 椎体上表面施加 10 Nm 的力矩使腰椎做前屈、后伸、左屈、右屈、左旋转和右旋转的运动，分别记录下 6 种运动的 ROM2。最后，胸椎的 ROM1 与Watkins R 的实验结果相对比，将腰骶椎的 ROM2 与Panjabi 等的实验结果相对比，以此来验证模型的有效性。表 1 模型的各部分材料属性组织杨氏模量/MPa泊松比刚度值/（Nmm1）结构类型皮质骨12 000.00.30-四面体结构松质骨100.00.20-四面体结构椎间盘（纤维环）4.20.45-四面体结构椎间盘（髓核）1.00.50-四面体结构终板100.00.40-四面体结构关节囊10.00.40-四面体结构前纵韧带-8.74弹簧（仅拉伸）后纵韧带-5.83弹簧（仅拉伸）黄韧带-15.38弹簧（仅拉伸）横突间韧带-0.19弹簧（仅拉伸）棘间韧带-10.85弹簧（仅拉伸）棘上韧带-2.39弹簧（仅拉伸）2 结果2.1 模型构建结果成功构建正常胸腰骶脊柱模型，并成功划分有限元网格，四面体 504 484 个，节点 910 459 个。该模型与真实胸腰骶脊柱模型的结构、形态相似，细节仿真度高，具有非常好的几何相似性，构建模型见图 1。2.2 有效性验证结果本研究将模型分两部分进行的前后屈伸、左右屈伸、左右旋转运动，并将 ROM 与文献结果相对比，对比结果见表 2。胸椎部分 ROM1、腰骶椎部分 ROM2 均在参考文献范围内，说明所构建的胸腰骶脊柱模型是有效的。2.3 L1 椎体上表面应力分布结果设定骶骨为约束对象，将它约束为固定。有研究报道，采用跟随负荷（即 T1 椎体上表面负荷 14%的体质量，随后每个椎骨的体质量负荷增加 2.6%）24-25。已知该名志愿者体质量为 60 kg，按跟随负荷施加，体质量载荷方向均为重力方向，以模拟人体站立姿势，有限元分析后记录 L1 椎体上表面的应力分布（图 2）。在直立状态时，模型 L1 椎体上表面应力分布主要集中在椎体中央；在T1 椎体上表面施加 2 Nm 的力矩使脊柱模型做前屈、后伸、左侧屈和右侧屈的运动，在 T1 椎体上终板施加 5 Nm 的力矩，使脊柱模型做左旋转和右旋转的运动，8 医药前沿 2024年1月 第14卷第3期 论著前后屈时，L1 椎体上表面应力分布的部位大致相同，集中在椎体中央偏后和中央偏前两部分，左右侧屈时，L1 椎体上表面应力分布部位大致相同，集中在椎体中央偏左和中央偏右两部分，左右旋转时，L1 椎体上表面应力分布部位大致相同，应力主要集中在椎体后方两侧。表 2 各模型的有效性验证结果（ROM 值）单位：模型前后屈左右屈左右旋转Watkins 等实验（胸椎）3.11 29.293.71 27.9611.95 67.55本研究（胸椎ROM1）11.9219.3455.79Panjabi 等实验（腰椎）25.20 76.0020.00 67.002.75 21.60本研究（腰椎ROM2）30.8430.6615.21图 1 正常胸腰骶脊柱三维有限元模型示意图图 2 L1 椎体上表面在 7 种姿势下的应力分布示意图3 讨论自从 1972 年 Brekelmans 等26将有限元分析法应用于脊柱生物力学分析领域，腰椎的生物力学一直是研究的热门，但是大部分研究运用的有限元模型都是仅包含腰椎或腰骶椎的短节段模型，现行的腰椎有限元分析，是将胸椎对腰椎的作用简单化为 L1 椎体上表面的载荷压力、扭矩等，其加载方式是载荷均匀地分布于L1 椎体上表面27-29,14，但实际上脊柱复杂的解剖结构会影响 T12 椎体与 L1 椎体之间力的分布情况，其载荷的分布在 L1 椎体上表面不一定是均匀的。有研究认为，胸椎的曲度变化会对腰椎的曲度产生影响30，L1 椎体上表面处在胸椎与腰椎的连接位置，所以在不同的脊柱形态中，或在不同的脊柱工况条件下，其载荷的分布必然是不会相同的。本研究的模型中，我们在腰骶椎的基础上重建了胸椎的脊柱结构，通过应力分布云图（图 2），直观地展现了人体在日常生活中的 7 种姿势即直立、前后屈曲、左右屈曲、左右旋转，胸椎带动腰椎活动时，对 L1 椎体上表面的生物力学影响。通过上述结果可以看出，真实情况下的人体不管是在直立或是 6 种脊柱运动状态下，L1 椎体上表面的骨质因对抗形变而产生的应力，其在 L1 椎体上表面的分布并不均匀，即胸椎在 L1 椎体上表面的载荷并不是均匀分布的，而在有关腰椎的生物力学研究中，这些情况如果没有被考虑到，那么有限元模拟的准确性将会大打折扣，与真实的脊柱情况有较大差别，将会影响到最后的分析结果。在研究腰椎的有限元分析时，需要尽可能地模拟腰椎真实的载荷情况，本研究建立的胸腰骶脊柱模型，使腰椎生物力学的研究中已被简单化的胸椎载荷具体化，使腰椎生物力学的研究更加真实、准确。近年来三维有限元模型越来越强调准确性，除了通过反复优化材料数值、精细化构建模型以外31-32，对于有限元模型准确度的提高并无其他更加突出的手段。本研究为提高腰椎模型有限元模拟的准确度，提供了一个新的思路。本模型在腰骶椎的基础上进一步构建了胸椎模型，模拟了真实情况下胸椎对腰椎的生物力学影响，使腰椎的有限元分析更加地贴近真实情况，为未来的腰椎有限元研究提供了更加精细与更加仿真的三维有限元模型。该模型贴近真实，且结构相对完整，可用于临床手术的模拟研究，在术前规划时，将手术方式应用于该模型，然后施加站立位或屈曲、旋转等载荷，计算机运算模型形变及应力分布变化，根据输出的结果来预估手术效果，与以往的短节段腰椎或腰骶椎模拟相比，运用本研究构建的模型模拟，可以观测到胸椎活动对术后的腰椎带来的生物力学影响，比以往的短节段腰椎、腰骶椎模型更具准确性，优势更加突出。脊柱各部分之间是相互影响的，运用本研究中所构建的模型，可以观测到胸椎对腰椎施加载荷产生的影响，也能对腰椎模拟外科手术，观测其对胸椎的曲度、应力分布产生的影响，所以本研究的模型使未来有限元分析的研究更具整体性。考虑到颈椎与腰椎的距离相隔太远，其对 T1 椎体上表面的力学影响经过 T12 椎体及其椎间盘的传递，对腰椎的影响已十分微弱。本研究已将颈椎对 T1 椎体的影响简化为对 T1 椎体上表面的压力载荷，结合上述因素，本医药前沿 2024年1月 第14卷第3期 论著 9研究没有进一步地将颈椎结构包含进模型中。然而，微弱的影响在实际研究中始终是无法被忽略的，所建立模型与脊柱真实情况还有一定的差距，将颈椎的影响简化为压力载荷依然是本研究的不足之处，为了尽可能地还原脊柱整体对腰椎的生物力学影响，在未来的研究中应当建立包含颈椎在内的全脊柱模型，使其更进一步地贴近真实情况。【参考文献】1 田飞，杨一帆，丁桃青少年脊柱侧凸的生物力学因素相关性研究 J中国康复理论与实践，2018,24(4):453-456.2 张景贺，窦永峰，许世东，等有限元模拟单通道分体内镜下双侧腰椎管减压对腰椎生物力学的影响 J中国组织工程研究，2024,28(12):1849-1854.3 陈柳旭，杨函，杨剑，等椎间融合与双侧经椎弓根经椎间盘螺钉置入后腰椎生物力学的有限元分析 J中国组织工程研究，2024,28(12):1815-1822.4 周月勇，马荣，蔡则成，等一种新型腰椎峡部裂修复装置生物力学性能的三维有限元分析 J中国脊柱脊髓杂志，2023,33(2):155-162.5 LE HUEC J C,THOMPSON W,MOHSINALY Y,et al.Sagittal balance of the spine J.Eur Spine J,2019,28(9):1889-1905.6 VAN ROYEN B J,TOUSSAINT H M,KINGMA I,et al.Accuracy of the sagittal vertical axis in a standing lateral radiograph as a measurement of balance in spinal deformities J.Eur Spine J,1998,7(5):408-412.7 ROUSSOULY P,NNADI C.Sagittal plane deformity:an overview of interpretation and management J.Eur Spine J,2010,19(11):1824-1836.8 KNOTT P T,MARDJETKO S M,TECHY F.The use of the T1 sagittal angle in predicting overall sagittal balance of the spine J.Spine J,2010,10(11):994-998.9 LEE S H,KIM K T,SEO E M,et al.The influence of thoracic inlet alignment on the craniocervical sagittal balance in asymptomatic adults J.J Spinal Disord Tech,2012,25(2):E41-E47.10 赵文奎，于淼，韦峰，等无症状成人颈椎矢状位曲度分析及其与全脊柱矢状位参数的关系 J中国脊柱脊髓杂志，2015,25(3):231-238.11 JONES A D.Biomechanical and Finite Element Analyses of Alternative Cements for Use in Vertebral Kyphoplasty D.Toledo,OH:University of Toledo,2013.12 COOK D J,YEAGER M S,OH M Y,et al.Lumbar intrafacet bone dowel fixation J.Neurosurgery,2015,76(4):470-478.13 VENKATARAMANA M P,HANS S A,BAWAB S Y,et al.Effects of initial seated position in low speed rear-end impacts:a comparison with the TNO rear impact dummy(TRID)model J.Traffic Inj Prev,2005,6(1):77-85.14 赵赓，王连雷，王宏卫，等不同负重方式对腰椎生物力学的影响 J山东大学学报（医学版），2023,61(6):70-78.15 盛孙仁 中上胸椎皮质通道螺钉的影像解剖学和生物力学研究D广州：南方医科大学，2017.16 赵改平，方新果，王晨曦，等脊柱颈胸结合部 C5T2 三维有限元建模与验证 J医用生物力学，2015,30(1):56-61.17 张玉芳，吕蒙，梅钊青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证 J中国组织工程研究，2022,26(9):1351-1356.18 方建国腰椎及其周围结构的解剖 J中国临床医生，1999,27(8):12.19 田甜，秦明芳，陈龙豪，等复合运动对颈椎间盘生物力学影响的有限元分析 J中国中医骨伤科杂志，2023,31(10):35-39.20 胡智强经皮骨水泥椎间盘成形术联合经皮椎体成形术的有限元分析 D广州：南方医科大学，2023.21 黄吉军，张恒柱，王永祥，等正常颈椎有限元模型建立及有效性验证 J中国医学物理学杂志，2023,40(4):487-495.22 WATKINS R 4TH,WATKINS R 3RD,WILLIAMS L,et al.Stability provided by the sternum and rib cage in the thoracic spine J.Spine,2005,30(11):1283-1286.23 PANJABI M M,OXLAND T R,YAMAMOTO I,et al.Mechanical behavior of the human lumbar and lumbosacral spine as shown by three-dimensional load-displacement curves J.J Bone Joint Surg Am,1994,76(3):413-424.24 SCHULTZ A,ANDERSSON G B,ORTENGREN R,et al.Analysis and quantitative myoelectric measurements of loads on the lumbar spine when holding weights in standing postures J.Spine,1982,7(4):390-397.25 MATSUMOTO K,SHAH A,KELKAR A,et al.Sagittal imbalance may lead to higher risks of vertebral compression fractures and disc degeneration-a finite element analysis J.World Neurosurg,2022,167:e962-e971.26 BREKELMANS W A,POORT H W,SLOOFF T J.A new method to analyse the mechanical behaviour of skeletal parts J.Acta Orthop Scand,1972,43(5):301-317.27 赵希云，温萌，高国栋，等腰椎间盘退行性变及不同载荷影响的生物力学研究进展 J中国医学物理学杂志，2023,40(8):1026-1032.28 唐福波，钟远鸣，李智斐不同钉棒内固定方式在腰椎侧路融合中的有限元力学分析 J中国组织工程研究，2024,28(21):3293-3298.29 李银倩，吕杰，王多多，等三维有限元法分析前纵韧带对腰椎生物力学的影响 J生物医学工程学进展，2023,44(2):176-183.30 VIALLE R,LEVASSOR N,RILLARDON L,et al.Radiographic analysis of the sagittal alignment and balance of the spine in asymptomatic subjects J.J Bone Joint Surg Am,2005,87(2):260-267.31 辛大奇，胡侦明，汉迪，等Lenke3 型成人特发性脊柱侧凸有限元模型的参数修正及有效性验证 J中国组织工程研究，2017,21(31):4975-4982.32 彭路，段治理，李振宇，等青少年特发性脊柱侧凸有限元模型建立与验证的研究现状及进展 J中国组织工程研究，2023,27(27):4393-4400.