韧带损伤影响腰椎稳定性的生物力学特征
摘 要：
背景：韧带是维持腰椎稳定的重要结构，由于产生的机械应力这些结构容易退化，而对于韧带损伤的研究较少。目的：基于三维有限元模型模拟韧带损伤，确定各个韧带在运动状态下的活动度及应力方面的作用，系统探讨韧带受损对腰椎稳定性的影响和生物力学意义。方法：建立腰椎L4-L5有限元模型，约束L5下表面所有自由度，施加5 N·m力矩模拟腰椎的各个运动状态，通过改变韧带弹性模量模拟韧带渐进式受损。结果与结论：(1)大部分韧带损伤伸展活动度都出现了明显的增大；相比之下侧弯活动度无明显变化。(2)关节囊韧带受损后前屈、后伸和侧弯的活动度明显增大；前纵韧带受损后伸展活动度明显增大；横突韧带损伤导致侧弯活动度明显增大。(3)单韧带损伤后，伸展时活动度变化最为显著；单韧带受损后剩余韧带应力增大，尤其是关节囊韧带；整体来看棘间韧带和黄韧带应力变化最不明显；韧带应力在侧弯状态下变化最小，而扭转状态下变化最大。(4)韧带受损并未导致椎间盘压力发生重大变化，提示韧带损伤导致腰椎活动度增大，影响腰椎稳定性。(5)关节囊韧带稳定前屈、后伸和侧弯；前纵韧带稳定后伸；横突韧带稳定侧弯。(6)后伸运动对韧带损伤敏感，可通过后伸运动检查韧带病理变化。(7)单韧带损伤后剩余韧带给予应力补偿以维持腰椎稳定性。(8)棘间韧带和黄韧带损伤对周围韧带影响最小，关节囊韧带损伤对周围韧带影响最大。(9)韧带损伤对侧弯运动下的剩余韧带应力影响最小，而对扭转运动下的韧带应力影响最大，韧带损伤患者应避免扭转运动；韧带损伤不影响椎间盘压力。
关键词：有限元;腰椎;韧带;渐进性损伤;生物力学;
0引言Introduction
腰椎是由各种主动和被动结构组成的复杂结构，允许直立姿势及复杂的运动，并在日常活动中承受载荷。腰椎的主动结构主要是一些肌肉系统，腰椎的被动结构则是一些腰椎间关节及韧带。当主动神经肌肉成分控制运动时，腰椎的被动结构提供稳定性、限制和定义运动范围，并保护椎管内的神经结构[1,2]。除椎骨外，主要的解剖结构是连接椎体的椎间盘、覆盖椎体腹段的前纵韧带、附着于椎体背部的后纵韧带、连接脊柱椎板的黄韧带、横突韧带连接横突、棘间韧带和棘上韧带连接背部棘突、关节囊韧带包裹小关节。不同韧带的力学性质及功能也有所不同，前纵韧带很弱地附着于椎间盘的前面，抵抗椎间盘突出的能力有限；后纵韧带附着于椎间盘的后面和椎体的邻近缘，防止椎间盘向后移动；黄韧带具有较高比例的弹性蛋白，保证了在伸展运动时椎管不会过度弯曲；横突韧带加强椎体间连接的稳定性；棘间韧带和棘上韧带位于运动中心最远端[3]；关节囊韧带包裹在椎间关节的关节囊外部，以便于脊柱运动。由于其解剖位置和特定组成，每个被动结构都有助于在特定运动和特定载荷条件下保持稳定性。由于运动产生的机械应力，这些结构容易退化，从而改变其有效性并导致疼痛或故障，因此，了解每个脊柱结构的特殊功能并理解退行性的病理机制至关重要。在这方面，过去进行了几项横断面研究[4,5,6]，均在体外对脊柱节段施加弯矩，依次移除韧带结构，并测量活动度的变化。
有限元方法允许改变各种参数，可以系统了解每个结构和条件对脊柱生物力学响应的作用。因此腰椎有限元模型成为预测腰椎正常力学和病理力学的标准工具，它们提供了在不同临床条件下重复检测同一脊柱节段的机会，消除了临床检测和尸体检测中发现的高度受试者特异性变异。先前许多研究者利用腰椎有限元模型进行实验[7,8,9,10,11,12]。GUDAVALLI等[13]使用有限元模型检查韧带横断导致的屈曲载荷分担和韧带应变。BERMEL等[14]通过有限元模型研究了小关节囊韧带在脊柱稳定性中的作用，随着关节囊韧带的移除，活动度增加，弯曲刚度降低，并观察到运动轴的改变。
正常模型可以反映人体正常生理载荷下的力学性质，但是一旦某个部位发生病变，则腰椎系统内结构的力学性质会随之改变，研究者越来越聚焦于具有临床意义的病理模拟研究。这些研究通过建立病态有限元模型来模拟人体病变，在模型上进行多次重复实验预测不同情况对解剖结构的影响，这对于腰椎疾病的诊断和治疗具有重要意义。ALEXANDER等[15]利用L3-L4有限元模型研究了前屈状态下韧带响应，发现前屈中的棘上韧带和棘间韧带以及伸展中的关节囊韧带存在失效风险。HEUER等[4,5]建立L4-L5有限元模型，通过逐步减少法依次去除韧带得到腰椎平移和运动范围增加的结论。PANJABI等[16]利用腰椎模型施加载荷计算韧带长度变化，研究了各韧带在各个运动状态下的应变，发现前屈过程中棘间韧带和棘上韧带应变最大；伸展过程中前纵韧带应变最大；侧弯过程中横突韧带、黄韧带和关节囊韧带张力最大；旋转过程中关节囊韧带是张力最大的韧带。ZANDER等[17]使用有限元模型模拟韧带横断导致的节段旋转和韧带载荷分担的变化。GUDAVALLI等[13]使用有限元模型预测韧带横断导致的前屈状态下载荷分担和韧带应变，实验结果表明棘间韧带承受载荷最大，其次是黄韧带、关节囊韧带、横突韧带和棘上韧带。韧带应变表明棘间韧带应变增加最大，其次是棘上韧带、黄韧带、关节囊韧带和横突韧带。然而过去往往直接横断韧带，对于韧带损伤的模拟研究尚且不足。并且，更多学者侧重于研究某种运动模式下的生物力学特性，然而腰椎系统作为一个整体共同分担载荷变化，因此应该进行更为系统的研究。
因此，此次研究的目的有：(1)开发并验证腰椎(L4-L5)的三维有限元模型；(2)系统地改变韧带特性，模拟韧带受损；(3)确定各个韧带在前屈、后伸、侧弯及扭转运动状态下的活动度及应力方面的作用，系统地探讨韧带受损对腰椎稳定性影响和生物力学意义。
此次研究的创新点和特色为：(1)以往软组织的研究大多集中在椎间盘，或者是单元运动状态和单一韧带，此次研究各运动状态下每个韧带的生物力学特性，是更为系统的研究；(2)此次研究有限元模型中的韧带建立为六面体单元韧带，更接近人体腰椎解剖学结构，更符合真实人体情况；(3)对于韧带病理研究，以往研究大多数直接横断韧带，此文则采用改变韧带参数的方法来模拟韧带渐进式损伤，更符合实际。作者假设韧带受损将导致活动度增大，韧带应力增大，韧带受损将影响腰椎稳定性。此外，由于超生理负荷(如运动项目和车辆碰撞)导致的腰椎韧带损伤很少进行手术治疗[18]。脊柱手术的侵入性，加上脊椎疼痛的非特异性使得修复脊椎韧带损伤的手术技术不够成熟。然而，治疗的缺乏并不意味着对韧带损伤后果的忽视，对腰椎韧带损伤后果的进一步了解可以阐明腰椎韧带在临床和腰痛中的作用，可为临床的干预治疗提供合理建议和有力依据。因而从根源上了解韧带受损的生物力学特性具有鲜明的临床意义。
1 材料和方法Materials and methods
1.1 设计
建立腰椎L4-L5有限元模型，约束L5下表面所有自由的，施加5 N·m力矩模拟腰椎各运动状态，改变韧带弹性模量模拟韧带渐进式受损。
1.2 时间及地点
实验于2022年9月在上海健康医学院医学影像学院完成。
1.3 材料
选择1名合格的健康志愿者的L4/5节段作为观察对象，男性，22岁，对志愿者进行影像检查排除脊椎病变及损伤。为确保模型完整性，对志愿者进行L3-S1节段CT横断面扫描(64排，层厚1 mm，西门子公司)，获取DICOM格式图像(图1)。
此次研究经上海健康医学院医学伦理委员会批准(医院伦理批件号：2022-SWJWLC-03-310109198608301517，审批时间：2022-08-27)，志愿者知情同意并自愿参与此次研究。
台式计算机辅助建模平台(电脑配置：处理器：Intel(R)Core(TM) i7-10700F CPU@2.90 GHz 2.90 GHz;RAM 48.0 G;Windows 10);Mimics 20.0建模软件进行原始模型的提取与转化；3-matic 20.0建模软件进行部分附属结构建立、网格生成及模型优化；Hyper Mesh 14.0进行零件结构的组装、网格生成、韧带结构建立，Ansys Workbench 2020软件添加材料属性、边界条件、坐标及载荷设定及进行生物力学分析。
1.4 方法
1.4.1 有限元模型的建立
使用Mimics进行图像预处理，选择默认骨骼灰度阈值初步分割椎体。再利用编辑蒙版(Edit Masks)命令对图层进行逐层分离，分别对L4/L5椎骨与毗邻软组织进行准确分割。选择恰当的分离工具圆形(Circle)、拉索(Lasso)及方形(Square)等，提取过程中不同的解剖部位选用不同的分离工具，以创建脊椎和所有骨骼特征的实体面罩。应用形态学操作和区域增长的方式，生成L4-L5节段椎体3D模型。将得到的三维几何边界数据以stl格式文件导出。
由于椎间盘的灰度值与周围软组织极其相近，不宜采用区分灰度阈值的方法建立其几何模型。将stl格式文件导入3-matic软件对椎间盘进行初步建模。利用抽壳(Hollow)功能区分骨松质及骨皮质，椎体定义为被0.5 mm厚皮质骨外壳包围的松质骨核心。划分椎体四面体网格，生成igs格式文件。单元的划分类型直接影响计算精度，在相同情况下，六面体网格密度较四面体网格密度小，且更易收敛。此文有限元模型中，对特别关注的韧带及椎间盘采用六面体单元。将igs格式文件导入Hypermesh划分六面体纤维环基质及髓核，通过rods下的linear soild功能建立纤维环纤维，其中髓核占整个椎间盘面积的50%。腰椎模型韧带为厚度1 mm的前纵韧带、后纵韧带、横韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带和关节囊韧带(图2)[19,20,21]。
将模型的cdb文件导入Ansys进行材料赋予、接触设置及边界属性加载等，并进行计算及结果查看。所有材料均简化为各向同性材料，用弹性模量和泊松比2个参数描述。各个部分的材料参数由既往文献获得[22,23](表1)。关节囊韧带与L4关节突为不分离接触，椎骨与椎间盘、椎骨与其他韧带为绑定接触。
1.4.2 模型有效性验证
约束L5椎体下表面所有自由度，对特定节点施加相应力矩，模拟腰椎的前屈、后伸、侧弯和扭转4种运动状态。对健康腰椎模型施加10 N·m力矩，以确保与参考文献载荷条件一致，通过活动度验证腰椎模型的有效性。其中，侧弯和扭转分为左右两侧，数据取平均值。由验证结果得，前屈、后伸、侧弯和扭转下的活动度数据分别为6.08°，3.55°，4.19°及2.71°(图3)。通过将有限元分析结果与文献中的实验数据进行定量比较[16,24,25]，侧弯数据略小于文献，其他数据均在文献数据范围内。
在椎骨L4上表面施加500,1 000,1 500,2 000 N的均匀轴向载荷，得到L4的轴向位移分别为0.29,0.58,0.86,1.15 mm。与已通过验证的腰椎模型进行比较[25,26,27]，验证结果显示，此模型数据均在合理的范围内(图4)。所建模型可以用于生物力学研究。
1.4.3 测试条件
限制下椎体所有自由度，在L4椎体特定位置施加5 N·m力矩，模拟前屈、后伸、侧弯及扭转4种运动状态。蒋强等[28]通过改变弹性模量来模拟韧带受损程度，此文参照这种方式来模拟韧带受损，如将弹性模量降低10%即该韧带损伤10%，此文模拟韧带健康及受损10%-50%的情况。改变5次L4-L5之间的前纵韧带弹性模量，分别执行4种运动状态测试，并记录椎间盘压力、活动度及韧带应力结果以进行比较。对后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、关节囊韧带及横突韧带重复同样的过程。每模拟一次韧带损伤状况就进行4种运动状态的测试并记录数据。在任何给定的测试中，只有一种韧带的一个受损程度，一共完成了1 368个数据的记录。
1.5 主要观察指标
椎骨的活动度以及韧带的应力，椎骨活动度值通过运动前后空间坐标计算获得，应力指标由软件结果观察所得。
2 结果Results
2.1 椎骨活动度结果
韧带的损伤通常会导致腰椎活动度的增加。图5显示了140个活动度结果，在“T型图”上，表示了图表中每个分支的加载模式(侧弯和旋转的左右运动取平均值)。列出了不同程度上由于不同韧带受损而导致的腰椎(L4-L5)活动度的变化百分比。每个单元格显示了某运动状态下该韧带损伤一定程度时的腰椎节段活动度。比如，在前屈状态下，关节囊韧带损伤50%时腰椎节段活动度变化百分比为9.65%。
此外，这些单元格中的文本表示4种运动状态下的活动度随韧带受损程度的加深而增大。其中，后伸时活动度变化趋势最为明显，大部分韧带损伤后活动度都出现了明显的增大；相比之下侧弯活动度无明显变化，大部分韧带受损后活动度几乎不变，整体来看侧弯最不容易受韧带损伤的影响。关节囊韧带受损导致前屈的最大变化的发生，相比健康韧带，关节囊韧带受损程度50%的情况下活动度增加9.65%。对于后伸而言，关节囊韧带和前纵韧带受损对活动度影响最大，其变化百分比分别为32.37%和8.95%。扭转变化最为明显只发生在关节囊韧带受损后，活动度增大10.16%。侧弯活动度的变化最不明显，最大变化发生在关节囊韧带受损后，为6.15%。
2.2 韧带应力结果
韧带的损伤通常会导致剩余韧带最大应力增加。图6显了每组模拟结果，受损韧带显示在每个“T形图”的中心。在T型图上，表示了图表中每个分支的加载模式(横向弯曲和轴向旋转的左右运动取平均值)，列出了不同程度上由于韧带受损而导致的剩余韧带最大应力的变化百分比。每个单元格显示了某运动状态下该韧带损伤一定程度时的剩余韧带最大应力变化百分比。比如，T型图中标记为“XALL”，这意味着这一组实验中受损韧带为前纵韧带。这些单元格中的文本表明，在前屈状态下，前纵韧带损伤10%-50%时关节囊韧带最大应力变化百分比为0.55%-2.98%。结果显示一种韧带受损将导致剩余韧带应力增加。任何一种韧带受损都会在扭转期间导致关节囊韧带最大应力明显增大。关节囊韧带受损会在扭转期间增大棘上韧带、棘间韧带和黄韧带的应力(24.56%,15.39%,12.99%)；在前屈和后伸期间则增大所有韧带应力。韧带受损后棘间韧带在侧弯运动状态下出现了不同程度的应力减小，然而棘间韧带应力明显增大发生在横突韧带受损后的侧弯状态下。棘上韧带在后纵韧带受损50%时的扭转状态下有一个明显应力的突变，由-0.31%增加到20.32%。整体来看韧带应力在侧弯状态下最不容易受影响，最大应力变化百分比大部分都不超过1%。而扭转状态下的剩余韧带最大应力变化最大。
如图7所示，韧带受损并未导致椎间盘的压力发生重大变化。在负载情况下椎间盘通常承受80%-82%的载荷。尽管周围组织中的载荷分布发生了变化，但椎间盘内的压力保持稳定。
3 讨论Discussion
3.1 单韧带损伤下的腰椎运动分析
此次研究证实了作者的初步假设，渐进性韧带损伤会导致腰椎活动度增加。先前的研究已经调查了韧带断裂在单个L4-L5脊柱单元上的作用，并且类似地报道了随着周围稳定结构的丧失，运动增加[29,30,31,32]。牛陆等[33]通过增大韧带参数模拟韧带硬化，其利用三维有限元分析探讨后纵韧带硬化后对颈椎生物力学的影响，分析探讨其可能引起的颈部稳定性改变；发现后纵韧带硬化后，前屈及旋转运动使后纵韧带承载更多的力，可能加重已有病变或引起继发损伤；仰伸运动会使最大受力部位转移到小关节，导致继发性小关节损伤的可能性增加。蒋强等[28]降低弹性模量参数模拟退变腰椎，利用退变腰椎有限元模型评估分析全内镜下不同分区精准椎板开窗减压手术对腰椎活动度及应力分布的影响。
此文图5结果表明，渐进式韧带损伤导致所有运动方向的活动度增加。屈曲的最大变化发生在关节囊韧带损伤后，而关节囊韧带和前纵韧带的损伤导致了后伸时活动度的明显增加，这表明它们在矢状面运动(屈曲和伸展)中各自的重要性。屈曲和伸展提供了更多的运动，并且因为它与脊柱健康有关，是许多临床检查的焦点。先前BERMEL等[14]通过三维模型模拟研究发现前纵韧带及关节囊韧带在腰椎运动中的重要作用：关节囊韧带在前屈、后伸和侧弯中的主要作用和前纵韧带在后伸运动中的重要贡献，关节囊韧带的横断不仅导致活动度增大，而且使得弯曲刚度降低、旋转轴发生改变，关节囊韧带功能下降使得其大幅度拉伸以保持腰椎稳定。近来WIDMER等[34]针对腰椎韧带在腰椎中的作用进行了体外实验，通过位移控制的逐步复位研究，对22具人类尸体的腰椎节段进行生物力学测试，实验得腰椎间盘在侧弯运动中承担主要载荷(67%)，横突韧带、棘上韧带和棘间韧带在所有载荷方向上的贡献都很小(分别小于2%和小于6%)，前纵韧带对稳定后伸运动贡献最大，关节囊韧带为主要运动载荷承担者，关节囊韧带对扭转运动起到稳定作用，与此次实验结果有良好的一致性。此外，该研究还发现除椎间盘外，黄韧带和后纵韧带主要在屈曲中起作用(分别为22%和16%)。
此次研究表明后伸对韧带损伤敏感，因此通过此运动更容易发现韧带细小活动度变化。韧带损伤后，侧弯只发生很小的活动度变化，因此侧弯受韧带损伤的影响最小，则冠状面运动(侧弯)对韧带病理变化不敏感。ELLINGSON等[35]有相似的研究结果，除此之外他们的研究提出通常韧带退化和椎间盘病理变性伴随发生。ELLINGSON等[35]发现后伸运动对韧带损伤敏感，此外侧弯运动对椎间盘病理变化敏感，更容易检测到与退化相关的细微变化，而不会被周围稳定结构的相关变化所掩盖。在韧带损伤的治疗措施中，诊断和康复最为重要。此文研究单韧带损伤后腰椎运动，得到各韧带损伤对腰椎稳定性影响的直观数据，得到每种韧带在运动中的作用，这将为医生在临床诊断和康复治疗中起到重要参考意义。
3.2单韧带损伤下的生物力学分析
韧带的损伤通常会导致该节段剩余韧带的最大应力增加，韧带损伤扰乱了腰椎内部载荷分布。为了保持腰椎稳定，单一韧带受损时其他韧带协同补偿。图6结果得出单韧带损伤后剩余韧带应力发生不同程度的增加，其中关节囊韧带在单韧带受损时总是给出显著力学补偿，表明关节囊韧带受损对周围韧带影响最大，对于维持腰椎运动稳定性极为重要。BERMEL等[14]和NASERKHAKI等[36]就此做出验证，其研究发现横断任何韧带都导致关节囊韧带给出最大力学补偿，随着关节囊韧带的移除，弯曲刚度降低，螺旋轴模式发生改变。此外，在关节囊韧带机械能力下降的情况下，关节囊韧带拉伸大幅增加。另外，横断关节囊韧带并没有影响前屈运动，可能是因为棘间韧带、棘上韧带和横突韧带给出力学补偿。
此外，此次研究结果显示关节囊韧带受损后棘间韧带、棘上韧带和横突韧带在扭转期间最大补偿了力学改变。整体来看棘间韧带和黄韧带应力变化最不明显。后纵韧带受损后的扭转状态下棘上韧带应力发生突变，后纵韧带损伤程度为40%-50%，棘上韧带应力增长百分比从-0.31%上升到20.32%。总之，以上情况都将导致关节囊韧带、棘上韧带、棘间韧带、棘上韧带和横突韧带在扭转期间被过度使用，因此，韧带受损患者应格外注意避免扭转运动。当其余单韧带受损时，剩余韧带同样也会在其他运动状态下给予应力补偿。横突韧带受损后侧弯期间有且仅有棘间韧带给出明显应力补偿，棘间韧带应力增大30.72%。GREGORY等[37]发现，横断韧带、剩余韧带最大应力增加，所有生物力学变化均发生在同一水平，而对相邻节段影响较小。同时，在L3-L4腰椎节段后纵韧带横断对周围韧带应力的影响最小。
韧带损伤后，剩余韧带应力增加，但由图7的结果可知椎间盘压力几乎不变。GREGORY等[37]发现韧带的横断增加其他韧带的应变、所有其他韧带的负荷以及椎间盘上的力矩，但不会显著影响椎间盘的压缩载荷。究其原因可能是韧带横断时，椎间盘力矩受到影响，韧带位置和力臂可以使旋转中心不受引起垂直压缩和水平剪切的载荷垂直分量的影响，从而产生前向平移。虽然韧带损伤不会改变椎间盘压力，但是长期韧带损伤造成腰椎失稳会引起椎间盘损伤[38,39]。韧带损伤对椎间盘应力无明显改变。尽管整个周围组织的剩余负荷分布发生了变化，但椎间盘的压力保持相当稳定。
大多数研究采取直接横断韧带的方法，此文认为渐进式损伤更符合韧带退化或受损现象。而关于渐进式损伤的研究比较少，因而此次研究在韧带相关疾病的检查、预防及康复等方面具有重要参考价值。正如所有的研究一样，几何结构的简化可能导致理想化的结果。此外，使用了简化的材料特性，在未来的研究中将包括更合适的材料特性。
3.3 结论
渐进性韧带损伤将影响腰椎稳定性，改变韧带力学分布，剩余韧带应力增大以进行协同补偿。其中，关键性的补偿机制如下：关节囊韧带给予每个韧带损伤时扭转运动下的力学补偿；剩余韧带给予关节囊韧带损伤时各个运动方向上的力学补偿，其中棘间韧带和棘上韧带在扭转期间给予最大力学补偿。后纵韧带受损后的扭转状态下由棘上韧带给出最大应力补偿，横突韧带受损后侧弯期间由棘间韧带给出明显应力补偿。棘间韧带和黄韧带损伤对周围韧带影响最小，关节囊韧带损伤对周围韧带影响最大。
关节囊韧带稳定屈曲和伸展，前纵韧带稳定后伸运动。后伸对韧带病理变化敏感，通过后伸运动更容易发现韧带细小病变。韧带损伤对侧弯运动下的剩余韧带应力影响最小，而对扭转运动下的韧带应力影响最大，韧带损伤患者应尽量避免扭转运动，以防过度使用韧带。韧带受损对椎间盘压力无明显影响，椎间盘压力保持稳定。
参考文献：[1]李银倩,吕杰,丁立军等.韧带损伤影响腰椎稳定性的生物力学特征[J].中国组织工程研究,2024,28(21):3286-3292.
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