《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Comparison of intervertebral disc and nucleus pulposus stresses under different lumbar curvature configurations
编辑推荐：
背景：旨在比较不同腰椎曲度配置下椎间盘与髓核的应力。方法：针对八种姿势建立了健康腰椎的有限元模型（finite element model, FEM），包括：前倾站立位、中立站立位、后倾站立位、前倾放松坐位、中立端正坐位、后倾放松坐位、中立放松坐位以及带腰部支
背景：旨在比较不同腰椎曲度配置下椎间盘与髓核的应力。方法：针对八种姿势建立了健康腰椎的有限元模型（finite element model, FEM），包括：前倾站立位、中立站立位、后倾站立位、前倾放松坐位、中立端正坐位、后倾放松坐位、中立放松坐位以及带腰部支撑的中立放松坐位。在赋予不同材料属性后，选取中立站立位模型进行验证。施加400 N生理载荷后，分析了每种姿势下腰椎椎间盘与髓核的von Mises应力。结果：在三种站立姿势中，L3-L4、L4-L5和L5-S1节段椎间盘的峰值von Mises应力高于L1-L2和L2-L3节段。L3-L4、L4-L5和L5-S1节段椎间盘的最小峰值von Mises应力出现在中立站立位。中立站立位下L3-L4和L4-L5节段髓核应力最小，而L5-S1节段髓核应力在后倾站立位时最小。在五种坐姿中，L4-L5和L5-S1节段椎间盘的最小峰值von Mises应力与髓核应力均见于中立端正坐位和带腰部支撑的中立放松坐位。在所有姿势中，髓核应力均处于最低水平。结论：腰椎曲度配置显著影响L4-L5和L5-S1节段椎间盘及髓核von Mises应力的分布与大小。保持正常的脊柱力线并避免减小腰椎前凸（lumbar lordosis, LL）的姿势，通常更有利于降低这两个节段的应力水平。
**不同腰椎曲度配置下椎间盘与髓核应力特征的有限元分析解读**
**1 研究背景与问题提出**
机械载荷是下腰痛（low back pain）发生发展的重要致病因素，脊柱结构的构型以及腰椎矢状面曲度决定了其力学行为。阐明腰椎矢状位力线变化对腰椎椎间盘载荷的影响，对于下腰痛的评估至关重要，而针对性的姿势调整能够影响脊柱疾病患者的保守治疗方案与手术规划。在腰椎各节段中，L4-L5和L5-S1节段与脊柱问题的发生和进展临床相关性最高，因此明确不同姿势下腰椎曲度配置对这两个节段椎间盘载荷的影响具有重要的临床意义。腰椎椎间盘载荷的大小与分布受多种因素影响，包括性别、体重、姿势和解剖结构等。已有研究表明，在无支撑坐位下，椎间盘内压（intradiscal pressure, IDP）较直立站立位增加约30%；站立和坐位下IDP的变化均与躯干屈曲角度密切相关，且在同一屈曲角度下站立位IDP的增加更为显著。
然而，现有的研究手段存在明显局限。将压力传感器植入人体腰椎间盘以测量不同姿势下的IDP虽可获得较精确的数值，但该有创方法难以广泛应用，且无法全面反映椎间盘载荷的分布情况。基于尸体脊柱标本的生物力学测试虽能提供高水平的证据，但标本获取困难且难以复制真实的体内曲度；同时脊柱标本的生物力学测试必须在载荷或位移控制下进行，难以对同一标本施加重复或变化的载荷条件。有限元分析（finite element analysis, FEA）能够规避上述两种方法的局限性，通过为有限元模型（finite element model, FEM）的不同结构赋予材料参数来模拟腰椎解剖结构，进而计算腰椎内任意位置的载荷大小并获取任意给定值的全部力学场变量。von Mises应力是由主应力推导出的标量指标，用于简化多轴应力状态以便比较并输出应力分布。目前椎间盘与髓核的von Mises应力主要通过有限元分析获得。
尽管已有研究采用有限元方法分析不同姿势下腰椎椎间盘应力，但受限于大多数计算机断层扫描（computed tomography, CT）或磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）均在仰卧位进行，轴向载荷下直立位的影像学表现与无载荷仰卧位存在显著差异，目前利用有限元分析系统比较不同站立和坐位腰椎曲度配置下椎间盘von Mises应力的研究仍十分有限。为此，本研究在基于CT数据构建有限元模型的常规方法基础上，参考不同站立和坐姿下腰椎侧位X线片所呈现的实际腰椎曲度配置，建立了腰骶椎骨-韧带有限元模型，通过分析日常生活中常见站立和坐姿下腰椎椎间盘的von Mises应力，为无下腰痛症状或其他脊柱疾患的人群采用正确姿势提供参考。
**2 主要关键技术方法**
本研究招募了一名44岁男性健康志愿者（身高168 cm，体重76 kg，身体质量指数26.9），排除标准包括脊柱畸形、旋转或滑脱的影像学证据，肿瘤、感染、骨质疏松、神经肌肉疾病或全身性疾病，精神或心理障碍或妊娠，以及髋、膝、踝关节异常或下肢不等长。研究人员首先采集志愿者仰卧位腰骶椎CT数据，并在CT扫描1个月后分两次间隔2周拍摄不同姿势的腰椎侧位X线片，获取三种站立姿势（前倾约30°站立位、中立站立位、后倾约15°站立位）和五种坐姿（前倾约30°放松坐位、中立端正坐位、后倾约15°放松坐位、中立放松坐位、带腰部支撑的中立放松坐位）的腰椎曲度配置。建模过程中，研究人员将仰卧位CT数据导入Mimics软件进行阈值分割与区域增长以提取腰骶椎区域，经wrap和smoothing处理后建立STL三角网格模型；随后导入Geomagic Studio进行多边形网格修复并生成非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS）曲面实体模型。为模拟不同姿势下的腰椎曲度，研究人员将L1-S1椎体模型导入SolidWorks转换为"部件单元"，参照侧位X线片中椎体角度与椎间隙高度重新排列腰骶椎椎体在矢状面的空间位置，从而快速构建反映不同姿势真实腰椎曲度的三维模型。在HyperMesh中对椎体采用四面体单元（C3D4）划分网格，外层1 mm定义为皮质骨，其余为松质骨；椎间盘组织根据椎体上下表面生成，上下最外层单元定义为终板，由外向内第1-8层单元定义为纤维环，中央部分定义为髓核。研究在完整椎间盘有限元模型中进行分析后将髓核作为子区域单独输出其von Mises应力。脊柱韧带（包括前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带、横突间韧带和关节囊韧带）采用弹簧单元模拟。对椎间盘进行网格收敛性分析后采用1 mm全局单元尺寸。模型验证采用中立站立位模型施加7.5 N·m力矩，测试L2-L3、L3-L4和L4-L5节段在矢状面、冠状面和横断面的主运动范围，结果与既往研究接近。加载条件为在L1椎体上表面耦合约束参考点施加400 N垂直载荷（等效于上半身体重的生理载荷），并约束骶骨两侧的平移和旋转。
**3 研究结果**
**3.1 不同站立腰椎曲度配置下椎间盘与髓核应力的分布与大小**
当躯干从站立位向前屈曲时，腰椎椎间盘和髓核的von Mises应力分布由后方向前方移动，且左右基本保持对称。在三种站立姿势中，L3-L4、L4-L5和L5-S1节段椎间盘的峰值von Mises应力高于L1-L2和L2-L3节段。L3-L4、L4-L5和L5-S1节段椎间盘的最小峰值von Mises应力出现在中立站立位。L3-L4和L4-L5节段髓核最小应力出现在中立站立位，而L5-S1节段髓核最小应力出现在后倾站立位。在所有站立姿势中，髓核应力均为最低。
**3.2 不同坐位腰椎曲度配置下椎间盘与髓核应力的分布与大小**
与前倾放松坐位和后倾放松坐位相比，中立端正坐位下腰椎椎间盘与髓核的von Mises应力分布主要集中在后方区域；中立放松坐位的应力分布较中立端正坐位更偏向前方；当提供腰部支撑时，应力分布主要集中在后方区域并保持近似双侧对称。在五种坐姿中，L4-L5和L5-S1节段椎间盘的最小峰值von Mises应力与最小髓核应力均出现在中立端正坐位和带腰部支撑的中立放松坐位。在所有坐姿中，髓核应力同样处于最低水平。
**4 讨论与结论**
有限元模型的计算参数主要反映变化趋势，其绝对值可能不够精确，但所反映的应力分布模式能够有效解释疾病发生和发展的生物力学机制。本研究发现的不同站立腰椎曲度配置下腰椎椎间盘应力分布及变化趋势与既往研究一致。研究表明，从站立位转变为坐位会导致腰椎前凸减少（主要发生在L4-S1节段）和椎间盘载荷增加；腰椎前凸减小与椎间盘退变的发生存在潜在关联。本研究中五种坐姿里，前倾放松坐位、中立放松坐位和后倾放松坐位下L4-S1节段椎间盘出现较高的峰值von Mises应力和髓核应力，这与腰椎前凸减少有关。值得关注的是，本研究发现坐位下腰椎椎间盘和髓核的峰值von Mises应力低于站立位，这一结果与既往间接分析质疑"坐位椎间盘载荷高于站立位"的观点相符。既往有研究通过将压力传感器植入志愿者L4-L5椎间盘髓核进行测量，测得放松站立时IDP为0.5 MPa，前倾站立时为1.1 MPa，无腰部支撑的放松坐位为0.46 MPa，端正坐位为0.55 MPa，提示坐位IDP可能低于直立站立位。此外，保持腰椎前凸的坐姿与较低的椎间盘应力相关，带腰部支撑的放松坐位有助于维持腰椎前凸、增加脊柱高度并增强腰椎间盘水合作用。
在方法学方面，本研究在基于CT数据建模的传统有限元方法基础上，根据X线片中椎体角度和椎间隙高度重新排列腰骶椎椎体在矢状面的空间位置，模拟了日常常见站立和坐姿下的重力塌陷效应，所建模型的脊柱空间结构与生理曲度更接近实际，克服了CT扫描通常仅能获取仰卧位数据的局限。研究还单独分析了髓核的von Mises应力。既往有限元研究虽比较了不同坐姿下的椎间盘应力和IDP并得出相似结论，但有的仅建立了L4-L5运动节段的模型，无法再现不同坐姿下该节段的真实曲度；有的虽采用不同坐姿的影像学图像建模，但建模过程依赖专用软件，通用性受限。
本研究存在以下局限性：第一，仅基于单一志愿者的数据进行建模和测试，模型所用材料参数来自既往有限元研究的验证而非来源于该个体，结论的信度和效度需谨慎解读并通过更大样本验证，数据意义仅限于观察变化趋势；第二，未分析椎间盘高度、横截面积、体积和形变等间接反映椎间盘载荷的指标，不同姿势的预测结果基于常见的运动范围，不能外推至极限范围，且模型未考虑肌肉因素以及姿势改变引起的身体节段质量和质心变化；第三，模型的空间结构主要取决于矢状面，由于缺乏三维影像数据，无法完全排除轴向旋转和冠状面平移对椎间盘应力和髓核应力的影响；第四，运动范围（range of motion, ROM）验证虽表明模型整体运动行为合理，但不能保证椎间盘内部力学参数的准确性。
研究结论：腰椎曲度配置显著影响L4-L5和L5-S1节段椎间盘及髓核von Mises应力的分布与大小。保持正常的脊柱力线并避免减小腰椎前凸的姿势，通常更有利于降低这两个节段的应力水平。具体而言，站立位时中立姿势对L4-L5和L5-S1最有利；坐位时中立端正坐位和带腰部支撑的中立放松坐位对L4-L5和L5-S1最为有利，在这两种坐姿下，L4-L5和L5-S1节段的峰值von Mises应力与髓核应力均保持在最低水平。
