《Soil Science》：Biomechanical characteristics of first coronal reverse vertebrae in degenerative lumbar scoliosis: A study using finite element analysis
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本文通过有限元分析（FEA）探讨退变性腰椎侧凸（DLS）中首冠状反向椎体（FCRV）对邻近椎间盘的生物力学影响。研究发现，FCRV作为冠状面力学负荷的转折点，导致其远端邻近椎间盘（LD）在中立站立（NS）时承受更大应力，且应力集中于侧凸凹侧。该研究为理解DLS进展机制及制定手术方案（如近端融合水平选择）提供了重要生物力学依据，有助于预防术后邻近节段退变（ASD）。
引言
退变性腰椎侧凸（Degenerative Lumbar Scoliosis, DLS）是一种在骨骼成熟后出现的原发性冠状面畸形，其Cobb角大于10°，由不对称的椎间盘和小关节退变引起。该疾病在西方国家患病率为8.85%，在汉族人群中为13.3%，平均发病年龄为70.5岁，对患者的整体健康（如疼痛、僵硬和功能丧失）具有显著影响。首冠状反向椎体（First Coronal Reverse Vertebrae, FCRV）被定义为在主要弯曲内，其不对称Hounsfield单位比值方向与其他椎体相反的椎体。先前研究表明，FCRV可作为DLS患者上端固定椎（Upper Instrumented Vertebra, UIV）选择的可靠标准，但其对邻近节段的生物力学影响尚不明确。有限元（Finite Element, FE）方法在脊柱侧凸领域的应用日益成熟，为研究脊柱畸形的病因、预防、治疗及预测进展提供了重要工具。
材料与方法
本研究基于一名72岁女性DLS患者（体重70 kg，冠状面Cobb角41.3°）的T11–L1节段CT扫描数据，以T12作为FCRV，建立了精确的三维有限元模型。模型包含椎体皮质骨和松质骨、椎间盘纤维环和髓核、关节软骨以及6组主要韧带（如前纵韧带、后纵韧带、黄韧带等），材料属性依据文献设定。模型通过几何相似性（如Cobb角和前凸角）验证其可行性。加载条件模拟生理状态：在T11椎体施加450 N轴向载荷和5 Nm力矩，以模拟中立站立（Neutral Standing, NS）、左右侧屈（Left/Right Lateral Bending, LLB/RLB）和左右轴向旋转（Left/Right Axial Rotation, LAR/RAR）。统计分析采用配对t检验和方差分析。
结果
有限元模型
模型包含271,314个单元和398,724个节点，精细重建了T11–L1节段的解剖结构。根据CT图像的Hounsfield灰度值，为椎体和椎间盘设置了不同的弹性模量。例如，T12椎体从凹侧到凸侧的弹性模量分别为367–2523 MPa，T12–L1椎间盘为10.4–13.2 MPa，其变化趋势与Hounsfield单位一致。
椎间盘应力分布
将T11–12椎间盘定义为上邻近椎间盘（Upper Disc, UD），其轴向剖面（高度一半）为上半椎间盘（Half of the Upper Disc, HUD）；T12–L1椎间盘为下邻近椎间盘（Lower Disc, LD），其轴向剖面为下半椎间盘（Half of the Lower Disc, HLD）。
不同载荷下椎间盘的最大von Mises应力
旋转载荷（LAR/RAR）下的应力值最高，但日常活动中旋转多为瞬时动作。值得注意的是，在NS载荷下，LD承受的应力显著更大。例如，UD在旋转载荷下应力较高，但LD在NS下应力更突出。
侧屈、旋转和中立站立下椎间盘的应力分布
椎间盘应力主要集中于边缘。在LLB、RLB和NS载荷下，凹侧应力显著大于凸侧。例如，在NS下，UD、HUD和HLD的凹侧应力均显著高于凸侧（p < 0.05）。剪切应力在UD、HUD、LD和HLD之间无显著差异，但分凹、凸侧比较时差异显著。
讨论
DLS的病理过程始于椎间盘退变，导致椎间和小关节负荷异常，进而引发脊柱不稳和骨重塑。本研究通过FEA发现，FCRV作为力学转折点，使LD在NS时承受更大应力，且应力集中于凹侧。这解释了为何FCRV远端邻近节段更易发生退变，并为手术方案（如将融合水平定于FCRV近端）提供了依据。旋转载荷的高应力可能加速椎间盘裂隙形成，提示患者应避免过度负重和频繁旋转动作。侧屈和NS下的凹侧应力集中可能与FCRV凹、凸侧弹性模量差异增大有关，强调了姿势管理的重要性。
研究局限性包括未结合颈腰椎段分析整体负荷、未考虑肌肉载荷、韧带简化为弹簧单元等，模型仅反映趋势而非实际值。未来研究需通过实验数据进一步验证。
结论
FCRV是冠状面力学负荷的转折点，导致其远端邻近椎间盘（LD）在中立站立时承受更大应力，且应力集中于侧凸凹侧。这些发现为DLS的治疗规划提供了计算机辅助评估依据，有助于临床决策。
伦理声明
研究经河北医科大学第三医院伦理委员会批准（KS2022-040-1），患者知情同意。
利益冲突
作者声明无利益冲突。
资金来源
河北省自然科学基金（H2022206056）和河北省重大科技项目（22377707D）资助。
