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摘要：近年来，计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持，有限元模型的精确性和可靠性显著提高为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。目前采用CT扫描，计算机辅助的有限元分析已成为医学研究组织结构生物力学的热门。有限元分析的力学改变恰恰是脊柱外科中需要研究的一系列生物力学改变，其能够表明脊柱内部结构的应力情况及部分结构改变后应力改变情况，甚至可以指导我们进一步的改进目前我们的治疗方案。腰椎间盘突出症是腰腿痛最常见的原因之一。近年来，随着脊柱基础理论、生物力学与脊柱外科技术的发展、内窥镜的可视化和手术器械的微创化，内窥镜手术在治疗腰椎间盘突出症（LDH）的应用上日趋成熟，手术效果亦逐渐得到广泛认可。本文就腰椎间盘突出症的有限元分析相关现状、研究进展、面临的问题及未来研究的主要方向作以下综述。
关键词：腰椎间盘突出症；有限元分析；现状；进展；综述
本文引用格式：西尔艾力·买买提,吐尔洪江·阿布都热西提,穆合塔尔·阿卜杜热合木,等.有限元分析在腰椎间盘突出症中应用的现状及进展[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(96):78-79.
0引言
腰椎间盘突出症是临床常见病、多发病，男性多于女性，目前逐渐年轻化趋势，大多好发于L4~L5、L5~S1阶段。该病是因腰椎间盘退行性改变后，在外力的作用下，纤维环破裂，髓核突出刺激或压迫神经根、血管和硬膜囊等组织所引起的腰痛，并且伴有坐骨神经区域反射性疼痛等症状的一种疾病。腰椎间盘突出压迫神经根目前很少有证据表明药物治疗能有效治愈，或不能彻底解除压迫[1]。目前我们已经从分子生物学的角度研究了较多关于髓核退变的特点及机制，但在宏观上尚无整体认识，且对腰椎间盘突出的生理应力结构变化及手术后结构改变带来的后续影响研究欠缺。如何研究腰椎间盘突出症术前及术后的生物力学改变，如何平衡腰椎间盘手术后的脊柱稳定度及活动度，如何降低术后复发甚至临近节段再发的机率，是放在我们面前迫切需要解决的问题。随着计算机技术的发展，采用计算机CT扫描，三维重建，有限元软件导入，分割赋值分析，力学加载，应力分析，位移研究的三维有限元的方法使得生物力学的研究进入体外模拟阶段，并逐渐成为目前研究的热点。现将腰椎间盘突出症的有限元分析相关现状、研究进展、面临的问题及未来研究的主要方向作以下综述。
1有限元分析的概念及脊柱生物力学中的应用
有限元法是继机械法、电测法和光弹法等传统的实验生物力学测试技术之后的一种新的生物力学测试方法，属于计算生物力学测试技术的范畴。Brekelmans等[2]1972年首次将该方法引入生物力学领域，在其后的30多年，无论是该方法的建模技术，还是其应用范围都有了长足的发展。有限元模型已由二维线性发展到三维非线性，由单个运动节段发展到整个脊柱，甚至整个人体。模型中不仅包括了骨性的被动结构，也加入了肌肉的主动特性。同时有限元分析由静态响应向动态响应过渡。有限元方法用来分析生理和病理过程中的力学变化，为设计和改进手术器械提供理论依据，可以术前模拟手术过程，预测手术效果，优化手术方案。
1.1椎间盘
椎间盘的主要生物力学功能是传递载荷，其功能受到弹性力、黏性力和渗透压力的影响。相邻椎间盘的功能是紧密相关的Ruberte等[3]研究发现，单一水平的椎间盘退变会增加与其邻近椎间盘损伤的风险。Guo[4]等研究认为如果在去除载荷时终板的渗透性增加，则在轴向和径向应变增大，丢失的液体将以更快的速度恢复。El-Rich等[5]研究表明，俯屈时应力集中于L2椎弓根区域的上面，其次是L2下方的终板。伸展时最大应力分布于L2椎弓根区域的下面。椎间盘应力在俯屈时增大，而关节接触应力在伸展时增加。
1.2椎体
椎体中松质骨起主要承载作用，而皮质骨则承载10%，如果松质骨由于骨密度丢失导致骨强度下降,皮质骨就会承载余下的负荷。Eswaran等[6]认为皮质骨最大的承载比例是54%，出现在横切面最小的部位，松质骨则是89%，出现在靠近终板的部位。皮质骨承载功能还与其距离终板的位置相关，靠近终板约承担34%，而在上下终板之间约为63%。
1.3后部结构
后部结构生理状态下，小关节突承载3%~25%，发生关节炎时，承载达到47%。在屈曲时，出现小关节向上移动和屈曲旋转的耦联动。小关节与水平面形成的角度影响耦联动的发生率，颈椎小关节面越接近水平面，耦联动发生的概率越高。Shirazi.Adl[7]的有限元分析认为腰4-5小关节的接触面在关节表面的侧后方，关节间隙的大小是对抗扭转效率的主要因素。在矢状面和横切面上，双侧或单侧关节上加载恒定的压力，最大应力分布在椎弓根峡部的前表面。应力的大小和方向依赖于工作侧小关节的载荷，小关节越接近额状面，腰4-5后部结构的应力就越小。小关节承受载荷的方向对峡部裂的发生和部位有力学效应。模型分析认为应力集中的区域和临床观察到的椎体滑脱分离的部位相同，小关节突的应力增加可能是椎体滑脱的高危因素。
1.4肌肉在有限元模型中的应用
目前关于肌肉力对脊柱生物力学的影响知之甚少。Goel等[8]腰3-4模型在接受相同负荷的情况下，于增加肌肉作用力前后分别作了有限元分析，亦证实肌肉的存在有助于脊柱的稳定。Zander[9]等将肌肉作用力加入腰椎的三维非线性有限元模型中，设计了不同的上身屈曲角度，评估在上身前倾过程中，肌肉作用力对腰椎间盘纤维环的应力分布的影响。在肌肉作用力加入前后，椎间盘的应力分布差异显著。
2腰椎间盘突出术后的生物力学改变的有限元分析
腰椎间盘突出症(Lumbar disc herniation，LDH)是骨科临床常见病之一，大约80%的人一生当中都经历过不同程度的腰退痛[10]，部分腰椎间盘突出严重可出现大小便功能障碍，甚至瘫痪。大部分患者可由保守治疗而治愈或好转，保守治疗无法取得理想的疗效后，通常需要外科手术干预。传统开放手术，可切除病变椎间盘组织达到神经减压、解除疼痛的目的，临床疗效确切。但传统开放手术的损伤较大，可能会导致脊柱稳定性的破坏、术后合并症多[11-12]近年来，随着微创脊柱外科技术的迅猛发展，腰椎间盘突出症的微创外科治疗取得了较大的发展与进步，微创脊柱外科技术在脊柱手术中占据越来越重要的地位，该技术具有创伤小、恢复快、并发症少、疗效确切、经济、安全等优点，其中以经皮椎间孔镜手术技术最具代表性。各种外科手术都有破坏部分组织为代价，脊柱外科手术要考虑术后临床症状恢复、复发等问题的同时也要考虑术中切除部分组织，术后影响脊柱的稳定而造成脊柱失稳导致的一系列问题。单纯椎板开窗减压已经成为一种广泛接受的治疗术式，但减压范围至关重要，周跃[13]等通过生物力学实验发现当腰椎小关节突外侧切除范围不超过1/2时，脊柱侧弯运动范围与正常对照组之间无明显差别，一侧小关节切除超过1/2后，脊柱的轴向旋转范围明显增加。因此，从关节突生物力学角度来看，如何在充分减压的同时尽可能保存关节突，或在关节突破坏较重时辅以内固定或融合增加脊柱稳定性是手术的关键。
脊柱运动时前、中柱的椎体间关节以及后柱的小关节发挥重要作用。当椎间隙变窄或一侧关节突破坏时，脊柱中、后柱结构破坏，小关节对合关系及应力分布发生变化，从而影响到脊柱稳定性，加速对侧关节突退变。国外Kohatsu ND[14]等，国内张继业[15]等通过相关临床数据和实验研究证实，关节突应力增加是关节突退变加速的主要因素之一。张继业[16]等人通过对兔腰椎小关节模拟加载应力研究发现小关节退变与小关节加载应力明显相关，并且退变程度与加载时间成正相关，而腰椎小关节矢状位改变是腰椎小关节骨性关节炎重塑引起的继发性改变。
Ambati等[17]通过研究经椎间孔椎体间融合术的不同术式及内固定物数量和方式的有限元分析指出，在所有重建方式下L4/L5的活动度均减小，在左侧屈曲时，双侧后路椎弓根螺钉固定的稳定性高于单侧固定。Newcomb等[18]通过研究螺钉位置对腰椎椎弓根螺钉内载荷传递的影响的有限元分析指出椎弓根螺钉的位置在影响螺钉松动及体内断钉的风险方面起着重要作用，包括矢状面和轴面的角度。放置一颗在轴面的横向螺钉可以通过减少松质骨应力及螺钉应力来降低断钉与螺钉松动的风险。Tang通[19]过比较后路椎间融合与经椎间孔椎间融合对腰椎退变性变化的有限元分析指出PLIF和TLIF两种模型下的椎间盘内压力与邻近节段间的旋转度均高于正常。但TLIF模型在各个方向载荷下时其椎间盘内压力与椎间旋转度均低于PLIF组，并认为椎间孔椎间融合术优于后路椎间融合术。
杨洋等[20]切除后纵韧带及纤维环，发现腰椎稳定性显著下降和椎间盘压力骤降，缝合切口后可部分恢复腰椎稳定性。陈雪明等[21]对35例单侧髓核摘除术后10年以上的单阶段腰椎间盘突出症患者进行随访，大多数患者术后腰腿痛，推测手术破坏了纤维环的完整性，导致腰椎稳定性下降和小关节压力增大。
3总结
综上所述，我们可以采用三维有限元的分析方法对腰椎间盘突出症的发病病因，手术方案及术后进行生物力学模拟，得出相应的理论分析，但更重要的需要同时结合我们现有的临床资料，与有限元模型进行验证，得出相关结论，并提出改进及预防意见，有相应的参考价值，必将成为今后发展的主流。有限元分析可以作为未来脊柱微创手术发展方向的理论基础，并对临床操作有指导作用。
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