研究不同Castellvi分类法中腰骶过渡椎的生物力学差异

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Investigating biomechanical differences in lumbosacral transitional vertebrae among different Castellvi classifications

本研究通过有限元分析对比了Castellvi分类的7种LSTV类型与正常腰椎-骨盆复合体的力学差异，发现Type IIIA/III B/IV在整体位移和椎间盘应力方面显著降低，但Type IIIB/IV的骶髂关节应力显著升高，可能导致关节功能障碍；Type IA/IIA因局部椎间盘应力增加和应力分布不均，易引发退行性腰椎疼痛；而Type IB/IIB对力学指标影响较小，风险较低。为LSTV相关腰痛的分型诊断和干预提供 biomechanical reference。

　　本研究通过有限元分析技术，系统探讨了不同Castellvi分类的腰骶过渡椎（LSTV）在腰骶-骨盆复合结构中的生物力学差异。腰骶过渡椎是一种先天性脊柱变异，其特征在于腰骶交界处的解剖结构异常，包括骶骨化最低腰椎和腰椎化最高骶椎。这种结构变化可能对脊柱和骨盆的力学特性产生影响，进而导致慢性腰痛、骶髂关节功能障碍等临床问题。目前，关于LSTV与相关症状之间的具体机制仍不明确，因此本研究旨在通过建立不同LSTV类型的有限元模型，分析其在不同力学条件下的应力分布和整体位移情况，从而为LSTV相关疾病的诊断和干预提供生物力学依据。

在研究方法上，研究者基于一位健康亚洲成年男性的CT数据，构建了正常的腰骶-骨盆三维有限元模型，并进一步建立了七种LSTV模型，分别对应Castellvi分类中的IA、IB、IIA、IIB、IIIA、IIIB和IV型。所有模型均采用相同的边界条件和载荷施加方式，即对双侧髋臼进行固定，模拟人体重量的400牛顿轴向压缩力，以及8.0牛米的扭矩以模拟屈曲、伸展、侧弯和轴向旋转等运动。通过对比不同模型在这些条件下的整体位移和最大Mises应力，研究者希望揭示LSTV对脊柱和骨盆结构的影响机制。

研究结果表明，不同类型的LSTV对腰骶-骨盆复合结构的生物力学特性产生了显著差异。在整体位移方面，IIIA、IIIB和IV型的模型在所有载荷条件下表现出比正常模型更小的位移，而IA、IB、IIA和IIB型的模型则仅在部分运动条件下（如侧弯和旋转）显示出显著的位移减少。这一现象可能与这些类型中骨性融合的程度和位置有关，IIIA、IIIB和IV型由于存在明显的骨性连接，使得L5-S1节段变得更加稳定，从而限制了其运动范围。相反，IA和IIA型虽然也存在一定程度的结构异常，但其对整体位移的影响相对较小，仅在特定运动条件下有所变化。

在椎间盘的最大Mises应力方面，IIIB和IV型模型在所有载荷条件下均表现出显著降低，而IIIA型模型则在除纯压缩外的所有条件下均出现应力降低。这表明，IIIB和IV型的骨性融合结构可能将原本由椎间盘承担的部分负荷转移到了周围结构，从而减轻了椎间盘的压力。相比之下，IA和IIA型模型在某些运动条件下（如屈曲和旋转）表现出椎间盘应力的增加，这可能是由于其结构的不对称性导致的局部负荷集中。IB和IIB型模型则在纯压缩、伸展和侧弯等条件下显示出椎间盘应力的显著降低，这表明它们对椎间盘的负荷影响较小，从而降低了与椎间盘相关疾病的风险。

对于骶髂关节的最大Mises应力，IIIB和IV型模型在所有条件下（除了伸展）均表现出显著增加，尤其是IIIB型在屈曲条件下增加了约40%的应力。这一结果可能与IIIB和IV型的骨性融合结构改变了骶髂关节的力学环境有关，使得关节需要承担更多的负荷，从而增加了关节表面的应力集中，可能导致关节炎或关节脱位等病变。而IIIA型模型则表现出不对称的应力变化，左侧骶髂关节的应力增加，右侧则减少，这可能是因为骨性融合仅存在于左侧，使得左侧关节承担更多的负荷，而右侧则依赖椎间盘进行负荷分散。IB和IIB型模型在所有条件下均表现出显著的应力降低，说明它们对骶髂关节的影响较小，从而降低了相关疾病的发病风险。

研究还指出，LSTV的生物力学影响可能与脊柱-骨盆的负荷分布模式有关。例如，IIIB和IV型由于骨性融合，使得L5-S1节段的运动受到限制，从而将部分负荷转移到了骶髂关节，增加了其承受的应力。这种应力变化可能与临床观察到的LSTV患者中骶髂关节炎和骶髂关节功能障碍相关。而IA和IIA型则由于结构的不对称性，可能导致局部椎间盘应力的增加，从而增加椎间盘退变和腰痛的风险。IB和IIB型由于其对脊柱和骨盆的结构影响较小，因此其相关的疾病风险也相对较低。

从临床角度来看，LSTV的生物力学特性对疾病的诊断和治疗具有重要意义。例如，对于IA和IIA型患者，若出现与屈曲或旋转相关的腰痛，可能需要进一步评估是否存在椎间盘病变，如椎间盘突出或纤维环撕裂。而对于IIIB和IV型患者，若出现髋部或大腿区域的疼痛，可能需要进行骶髂关节刺激试验（如Faber试验）或MRI检查以排除骶髂关节炎的可能性。此外，由于IIIB和IV型患者存在较高的慢性骶髂关节退变风险，建议每年定期进行X光或MRI检查，以便早期发现和干预相关病变。相比之下，IB和IIB型患者由于其对脊柱和骨盆的影响较小，因此可以适当减少影像学复查的频率。

尽管本研究提供了重要的生物力学数据，但仍存在一些局限性。首先，模型基于单一位健康亚洲男性的CT数据构建，未考虑个体差异（如年龄、体重、骨密度和椎间盘退变程度）对生物力学特性的影响。因此，未来的研究可以采用多受试者的模型，以更全面地反映不同人群中的生物力学差异。其次，本研究仅模拟了静态载荷条件下的力学响应，而实际人体的腰骶运动是动态且多样的，包括行走、弯腰取物等复杂动作。因此，未来的分析可以引入动态载荷模拟，以更真实地反映LSTV在日常活动中的生物力学行为。此外，模型在某些方面进行了简化，如未考虑周围肌肉的作用和对韧带的复杂模拟。肌肉在脊柱稳定性中起着重要作用，其缺失可能导致部分应力值的低估，尽管整体趋势仍与临床观察一致。随着有限元技术的进步，未来有望更精确地模拟肌肉和韧带的特性。最后，本研究主要关注了L5-S1节段和骶髂关节，而LSTV可能对邻近节段（如L4-L5）产生影响，因此未来的研究应扩展模型范围，以分析整个腰骶区域的应力变化。

本研究的结果不仅有助于理解LSTV的生物力学特性，也为临床医生提供了重要的参考依据。通过识别LSTV的亚型，可以更精准地判断患者可能面临的疾病风险，并制定相应的干预措施。例如，对于IIIB和IV型患者，由于其较高的骶髂关节应力，可能需要更多的关注和治疗，以防止关节炎或关节脱位的发生。而对于IA和IIA型患者，由于椎间盘应力的增加，应重点监测椎间盘退变情况，并采取相应的预防和治疗策略。IB和IIB型患者由于其对脊柱和骨盆的影响较小，因此其治疗方案可以相对简化，减少不必要的影像学检查和干预措施。

总的来说，本研究通过有限元分析技术，系统地探讨了不同Castellvi分类的LSTV对腰骶-骨盆复合结构的生物力学影响。研究结果揭示了各亚型在不同运动条件下的应力分布和位移变化，为LSTV相关病症的分类诊断和个体化治疗提供了理论支持。未来的研究可以进一步拓展模型范围，引入动态载荷和肌肉模拟，以更全面地评估LSTV的生物力学特性，并为临床实践提供更加科学的指导。