《Bioengineering》：Effects of Lumbar Lordosis Angle on the Magnitude and Vertebral-Level Distribution of Anterior Cortical Bone Stress in the Lumbar Vertebral Bodies: A Finite Element Analysis
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腰椎前凸影响腰椎中的载荷传递，但其对椎体前侧皮质骨中应力的影响仍不清楚。本研究调查了腰椎前凸角（lumbar lordosis angle, LL）如何影响椎体应力。研究人员基于一名66岁男性捐献者尸体的计算机断层扫描（computed tomography,
腰椎前凸影响腰椎中的载荷传递，但其对椎体前侧皮质骨中应力的影响仍不清楚。本研究调查了腰椎前凸角（lumbar lordosis angle, LL）如何影响椎体应力。研究人员基于一名66岁男性捐献者尸体的计算机断层扫描（computed tomography, CT）图像构建了从T12至骶骨的有限元模型。分析了骨几何形状和材料属性相同但LL值分别为50°、30°和15°的三个模型，在300 N压缩载荷以及该载荷与5 N·m屈曲力矩组合的条件下。研究人员评估了L1–L5前侧皮质骨的平均von Mises应力和von Mises应力第95百分位数，并将椎体水平分布归一化至L1。在两种载荷条件下，LL15°模型在所有椎体水平的von Mises应力均高于LL50°和LL30°模型。添加屈曲力矩进一步增加了所有模型中的应力。在LL50°和LL30°模型中，归一化应力在L3处最低，而LL15°模型在L2–L5的值仍相对接近L1。这些发现表明，LL较低的模型表现出更高的前侧皮质骨应力和改变的椎体水平应力分布。
腰椎前凸角是人体直立双足姿态的重要脊柱形态特征，对矢状面平衡和载荷传递具有关键作用。既往有限元分析和肌肉骨骼建模研究表明，腰椎前凸角度的改变会改变椎间盘和关节突关节上的压缩力与剪切力，从而影响脊柱前后柱结构之间的载荷分配。然而，由于姿势改变时多个脊柱参数同时变化，腰椎前凸角（lumbar lordosis angle, LL）差异对椎体皮质骨力学响应的具体影响尚未被充分研究。椎体前侧皮质骨在前方楔形压缩骨折的发生中具有重要的力学意义，因此评估该区域的应力对于理解脊柱序列改变后椎体的力学环境至关重要。为此，研究人员基于相同的骨几何和材料属性构建了不同LL值的有限元模型，旨在确定LL差异对腰椎椎体前侧皮质骨应力的影响，并比较压缩载荷及压缩载荷联合屈曲力矩下的椎体水平应力分布。
研究人员使用一名66岁男性捐献者（身高165 cm）的计算机断层扫描（computed tomography, CT）图像构建T12至骶骨的有限元模型，伦理批准号为21092401-3。通过网格收敛性测试确定2.0 mm网格尺寸。设定LL值为50°、30°和15°的三个模型，保持骨几何和材料属性一致，并参考Bae等报道的节段性前凸角进行分布调整。施加300 N压缩载荷及该载荷联合5 N·m屈曲力矩两种边界条件，骶骨耳状面完全约束。测量区域为L1–L5椎体前侧皮质骨，评估平均von Mises应力、95百分位数、最大主应力最大值和最小主应力最小值。重复测量误差为0.43%–1.77%。
3.1 300 N压缩载荷下的椎体应力
在仅施加300 N压缩载荷时，LL15°模型在L1–L5所有椎体水平的平均von Mises应力和95百分位von Mises应力均高于LL50°和LL30°模型。LL50°模型平均应力范围为1.42–2.30 MPa，LL30°为0.99–2.32 MPa，LL15°为2.07–2.81 MPa。LL15°模型的最大平均应力出现在L2和L5。最大主应力最大值在LL15°最高，而最小主应力最小值在L2–L5以LL15°最低。
3.2 300 N压缩载荷联合5 N·m屈曲力矩下的椎体应力
添加屈曲力矩后，所有模型在各椎体水平的平均von Mises应力和95百分位均进一步升高。LL15°模型仍高于其他模型，平均应力范围为5.22–6.91 MPa。三个模型的最大平均应力均出现在L5，分别为5.58、6.17和6.91 MPa。LL15°模型在所有椎体水平的主应力最大值最高，最小主应力最小值最低。
3.3 屈曲力矩载荷条件下归一化von Mises应力的椎体水平分布
将L2–L5应力归一化至L1后，LL50°和LL30°模型的平均von Mises应力从L1至L3逐渐下降，在L3达到最低，归一化值分别为0.54和0.61，随后向L5增加；95百分位也呈类似模式，L3处分别为0.44和0.59。LL15°模型在L2–L5的归一化平均应力范围为0.83–1.10，95百分位范围为0.84–1.04，L2–L4的降低幅度明显小于其他两个模型。
讨论部分指出，本研究结果支持研究假设，即较低的LL会增加椎体前侧皮质骨的应力并改变其椎体水平分布。LL15°构型代表较小的腰椎前凸，其前侧皮质骨承受更大的机械负担。屈曲力矩的叠加进一步增大应力，说明在相同压缩载荷下，额外的屈曲载荷会增加前侧皮质骨的负担。与既往Cho等的研究比较，本研究中L5应力最高，可能与测量区域（本研究仅取前侧皮质骨）、边界条件和材料设定差异有关。此外，本研究中LL50°模型在L3附近应力较低，与文献中椎体骨密度（bone mineral density, BMD）的分布趋势存在一定相似性，但模型未纳入BMD差异，因此该相似性只能作为假设来源。临床上，低LL相关的应力改变可能影响椎体骨折的力学环境，但本研究未评估骨折风险，不能推断因果关系。局限性包括：基于单一个体、均质材料假设、未纳入韧带和肌肉、椎间盘模型简化等。
结论：本研究显示，LL较低的模型增加了椎体前侧皮质骨的应力，并改变了椎体水平分布。添加屈曲力矩进一步增加了应力。这些发现表明，腰椎前凸角可能是影响椎体力学环境的重要因素，并为未来研究脊柱矢状面序列如何影响椎体载荷提供生物力学基础。需要进一步纳入骨质量和破坏准则的研究来确定这些力学效应是否与椎体骨折相关。
