本文基于有限元分析在脊柱生物力學應用中的背景和意義，回顧了有限元法在腰椎力學應用中的研究進展，并對其應用前景進行了展望。本文重點歸納整理了有限元法在腰椎本體建模、臨床應用研究和職業損傷防護等方面的研究進展，得出有限元法在腰椎生物力學應用中的主要研究方向：建模過程的精細化、仿真方法的更優化、適用臨床評估的多樣化和人工腰椎間盤的臨床化。最后結合最新的研究進展和熱點方向，對有限元法在腰椎建模的自動化和個性化、新型術式的評估和分析、損傷機理和動態響應仿真等方面的應用前景進行了展望。本文通過對有限元法在腰椎生物力學領域中的應用研究進行回顧和展望，以期為臨床腰椎問題提供更加全面系統的理論參考和實踐指導。
引用本文： 張振軍, 李陽, 廖振華, 劉偉強. 有限元法在腰椎生物力學應用中的研究進展和展望. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(6): 1196-1202. doi: 10.7507/1001-5515.20160189 復制
引言
脊柱生物力學主要是使用生物骨骼結構和機械力學理論來研究椎骨和相鄰軟組織的生物力學規律[1]。由于脊柱與神經和動脈等重要解剖位置非常接近，因此脊柱受力變化可能對毗鄰結構產生影響。由交通事故或運動造成的嚴重脊柱創傷以及現代人生活方式中久坐不動的習慣等，導致脊柱發生慢性退行性病變的概率增高。因此，應用脊柱相關的生物力學方法，開展分析脊柱損傷和退變機理、開發植入器械與防護裝置、防治各種脊柱相關病變的研究有著積極的意義。
針對脊柱生物力學的應用研究，通常采用體內和體外兩種方法，其中體外研究中最常用的方法則是有限元分析。通常研究的椎體類別分為頸椎、胸椎和腰椎，其中針對頸椎和腰椎的研究居多，主要是因為頸椎和腰椎更加容易發生損傷或病變。針對人體生物力學進行分析研究時，因其復雜的生理環境和承載特征，傳統的實驗方法很難直接應用。而有限元法(finite elecment methods,FEM)具備力學性能測試精準、客觀全面和可多次重復的優勢，即有限元數值模擬作為一種有效工具正好彌補了傳統力學實驗的不足。自從有限元分析方法被引入到脊柱生物力學研究中，近40多年來有限元模型經歷了從二維到三維、從線性到非線性、從活動節段到全脊柱節段的發展過程。
由于腰椎在人體中特殊的承重作用，以及具有較高的損傷率或退行性病變發病率等，目前有限元法在腰椎力學研究中已經得到了普遍應用，并取得了較大的成就。本文歸納整理了近年來國內外腰椎生物力學應用中有限元法的研究進展，重點闡述了有限元法在腰椎本體建模、臨床應用研究和職業損傷防護等幾個方面的應用現狀。根據最新的研究進展和熱點趨勢，對該領域的發展前景進行了展望，指出有限元法在腰椎建模的自動化和個性化、新型術式的模擬和評估、損傷機理和動態響應研究等方面具有廣泛深入的發展前景。本文對于有限元法在腰椎生物力學中的應用研究進行回顧和展望，以期為實際的臨床問題和腰椎健康提供參考和指導。
1 有限元法在腰椎生物力學中的應用研究
隨著有限元建模方法和臨床醫學技術的不斷進步，有限元法已經廣泛地應用于腰椎損傷分析和植入器械設計等領域。本文主要介紹有限元法在腰椎本體建模、臨床手術應用、職業損傷和腰椎防護等方面的研究進展。
1.1 腰椎本體建模
1.1.1 腰椎椎體
為了更加逼真而準確地模擬人體腰椎的生物力學特性，隨著圖像處理技術和計算機硬件技術的進步，基于腰椎椎體的有限元模型已經從單一活動節段擴展到全腰椎節段。顏文濤等[2]基于電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)圖像和專用軟件構建了L4~L5運動節段的有限元分析模型，并進行500~2 000 N不同壓力下的生物力學特性分析，產生的軸向位移為0.23~1.02 mm，與前人在相同條件下的離體實驗和有限元分析結果相近，驗證了模型的有效性。徐浩等[3]采用正常腰椎CT圖像建立了L3~L5節段的有限元模型，并對該模型進行前屈、后伸、側屈和旋轉工況下的活動范圍測定，仿真結果與已有的離體實驗結果基本一致。秦計生等[4]建立了全腰椎及骶椎的有限元模型，該模型在受到10 Nm載荷作用下發生前屈、后伸和側彎運動時的整體剛度與實驗結果基本吻合，驗證了已建模型的有效性和實用性。
多數情況下，由于椎體的損傷與骨質疏松相關，所以有必要建立骨質疏松功能節段的有限元模型。通常采用減小骨性材料的彈性模量來模擬不同程度的骨質疏松病變，而軟組織的彈性模量保持不變。通過正常椎體模型和病變椎體模型的有限元對比研究，可以為腰椎椎體的病變特別是骨質疏松癥的發生發展和臨床防治提供一定的理論指導。
1.1.2 腰椎間盤
在用有限元法進行腰椎間盤的生物力學分析時，椎間盤中髓核和纖維環建模的優劣將會影響到計算結果的準確性。Peng等[5]提出了一種考慮基質與纖維剪切相互作用的新型椎間盤纖維環模型，采用各向異性的超彈纖維材料進行有限元模擬，并利用尸體標本實驗數據進行了驗證。趙亮等[6]基于CT掃描構建了L4~L5活動節段的椎間盤三維有限元模型，對比正常狀態的椎間盤和退變狀態的椎間盤，進一步分析了腰椎間盤退變對軟骨終板的影響作用。Jacobs等[7]利用磁共振(magnetic resonance,MR)圖像建立了一個新型的L4~L5椎間盤有限元模型，進一步驗證了椎間盤在受力情況下髓核、軟骨終板和纖維環的材料屬性改變狀態。
綜上所述，為了對比正常和退變腰椎間盤的生物力學性能，需要建立退變腰椎間盤的有限元模型。因此我們建議，在正常腰椎間盤基礎上，可以通過改變纖維環和髓核的物理參數來模擬不同退變程度的腰椎間盤，而軟骨終板的生物材料特性可以保持不變。通過對于退變腰椎間盤模型的生物力學研究，分析評估腰椎間盤不同退變程度對于病變節段和鄰近節段的影響，進而可以為腰椎間盤疾病的臨床診療提供參考依據。
1.1.3 腰椎韌帶和肌肉
建立精確腰椎有限元模型的難點在于軟組織本構模型的確定，特別是韌帶和肌肉等對于腰椎的支撐作用不容忽視。為了模擬人類腰椎軟組織的拉伸力學性能，通常采用復合韌帶模型和肌肉束模型，通過改變復合韌帶和肌肉束的剛度和變形屬性，可以成功模擬不同腰椎的生物力學模型。Yin等[8]創新地提出利用有限元法對腰椎肌肉活動進行模擬，通過有限元模型分析腰椎肌肉活動和表面電位分布的相互關系，結果顯示后腰痛患者和健康受試者之間的肌肉活動存在明顯差異。Kim等[9]建立了包含肌肉束的腰椎退變有限元模型，利用有限元法和優化技術來計算肌肉力大小，模擬分析腰椎退變程度與肌肉力改變的相關性，結果顯示腰椎間盤退變將顯著增加表面肌肉的活化性，而減小深層肌肉的活化性。
綜上所述，關于腰椎本體的建模研究，腰椎有限元模型大多是基于單一的、固定的幾何形狀，而忽略了脊柱本身多變的幾何形狀的影響。有待于利用全腰椎節段的全幾何參數進行有限元分析，得出對于相鄰節段和周圍組織的主要影響參數，針對上述參數再進行精確地建模和仿真。當前，關于有限元分析的前處理如單元選擇、分網賦值等理論研究也在不斷的進步和發展，人們希望不僅要建立精確的有限元模型，更需要對整個有限元分析過程進行優化設計，從而達到更加滿意的仿真結果。
腰椎有限元建模是腰椎生物力學計算的基礎，為了保證幾何特征和材料屬性更加真實逼真，目前主流的方法是：采用X光(x-ray)圖像排除腰椎疾病，利用CT圖像進行斷層掃描，在醫學圖像基礎上采用計算機輔助設計(computer aided design,CAD)或逆向工程軟件建立幾何模型，然后采用有限單元法進行材料設置和網格劃分，完成有限元模型的建立。具體建模的方法和流程如圖 1所示。
圖1
腰椎有限元建模的方法和流程
Figure1.
Process of finite element modeling of lumbar spine
1.2 臨床應用研究
1.2.1 椎間融合術
針對腰椎間盤損傷或退變，椎間融合術是常用的臨床術式。融合術的主要適應癥有腰椎損傷、腰椎失穩、腰椎畸形(包括先天或后天畸形，通常需要配合矯形手術)或腰椎滑脫(特別是老年患者重度滑脫的治療)。相比傳統的后路腰椎椎間融合術(posterior lumbar interbody fusion,PLIF)，經椎間孔腰椎椎間融合術(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)通常采用椎弓根螺釘和內固定物來維持腰椎的穩定，其手術療效獲得了臨床研究和體外生物力學的證實[10]。腰椎融合術的示意圖如圖 2所示。張文等[11]利用有限元方法分析了臨床治療腰椎退行性病變時采用單側TLIF的可行性，結果顯示單側TLIF可作為退變性疾病的固定方法，但其系統穩定性不如雙側TLIF模型。李杰等[12]利用有限元法分析了TLIF椎間植入物融合前后固定節段的生物力學特性，結果提示融合后去除后路內固定對節段生物力學的優勢有限，考慮到再次手術的創傷性和經濟性，建議保留內固定物。Kim等[13]分別建立了不同程度椎板切除后椎弓根螺釘內固定模型，并進行有限元分析比較，結果顯示在半椎板切除減壓后，單側椎弓根螺釘內固定可以維持手術節段的穩定并減小臨近節段椎間盤的應力。Ambati等[14]分別建立了經椎間孔椎間植骨的單側和雙側內固定模型，利用有限元法分析了腰椎的穩定性和內固定的應力情況，結果提示單側內固定可以維持手術節段的穩定并減小內固定的應力，而且可以獲得滿意的手術效果。由于腰椎融合術的主要并發癥為加速鄰近節段的退變，所以研究者們利用有限元分析方法重點關注鄰近節段和小關節的應力狀態，以評估融合術前后對于鄰近節段的影響程度。
圖2
腰椎融合術和人工腰椎間盤置換術示意圖
Figure2.
Diagrammatic sketch of the lumbar fusion and artificial lumbar disc replacement
隨著生物醫學和材料科學的不斷進步，在傳統腰椎內固定方法的基礎上，出現了一系列新型的內固定技術，國內外學者也開展了相關的應用研究。陳為堅等[15]基于三維有限元建模技術，建立了腰椎椎弓根動態穩定系統的釘棒模型，分析了不同工況下腰椎的應力情況和各節段活動度。Song等[16]提出了一種新型的中間含有空心柱狀物的聚醚醚酮材質的棘突間植入物，并采用有限元模型進行了生物力學分析和驗證。Biswas等[17]將三種不同直徑的椎弓根螺釘植入腰椎模型，依據不同的骨質強度建立多個仿真模型并進行有限元分析，結果顯示對于大多數模型來說，直徑6 mm的椎弓根螺釘最為適合。
1.2.2 人工腰椎間盤置換術
腰椎間盤退變是導致下腰痛的主要病因之一，腰椎融合術曾被稱為治療方案中的“金標準”，但是融合術后的腰椎節段會喪失活動度，進而引起相鄰節段的退變。隨著人工腰椎間盤假體設計和置換技術的不斷進步，有限元法在植入假體的設計開發和臨床手術等方面顯現出愈加重要的作用，而關于人工腰椎間盤的臨床試驗和力學分析也證實了人工椎間盤的技術可行性[18-19]。人工腰椎間盤置換術的主要適應癥是退行性椎間盤疾病(且小關節無顯著退變、既往無前路腰椎手術史)，或融合術失敗后需二次手術的患者，特別注意老年患者需要慎重選擇置換術。人工腰椎間盤置換術的示意圖如圖 2所示。張蘭鳳等[20]提出一種改進的人工椎間盤置換假體，由于在上下蓋板內嵌入了硅膠人工髓核，通過其變形運動可以達成椎間盤的正常活動度，從而有效避免了人工腰椎間盤使用中的摩擦問題，同時將鈦噴涂處理技術應用于人工蓋板，有利于金屬蓋板和骨表面之間的相互長入。Garcia等[21]提出了一種具有約束和非約束選擇功能的椎間盤假體，通過校準的腰椎活動節段的有限元模型進行人工植入比較試驗，結果顯示具有約束功能的椎間盤假體比傳統的球窩狀假體更加接近于人體生理條件，使用無約束功能的椎間盤假體則更加有利于減小韌帶和小關節的受力。基于以上研究，我們認為由于人工腰椎間盤置換術可能增加腰椎活動度，所以有限元分析應重點關注置換手術前后腰椎活動度的變化范圍，防止腰椎活動過度或失穩。
人工腰椎間盤假體的開發通常需要借助有限元分析和其它體外輔助評估手段來確定其合理性和安全性。對于人工腰椎間盤假體的研究不僅包括基本結構設計和臨床研究，目前在椎間盤假體的材料改進和仿生設計等方面也取得了較大的進展。比如Noailly等[22]提出了一種仿生復合材料的人工椎間盤假體，這種假體包含有纖維增強型人工髓核，有限元分析結果顯示這種仿生復合材料型人工椎間盤比球窩狀具有更大的應用優勢。盡管不少研究顯示腰椎間盤假體的臨床效果良好，但是有關人工腰椎間盤的設計和優化仍然有待進一步改進。當然，隨著新興材料科學的發展，針對人工假體的材料種類不斷擴展，人工腰椎間盤假體的耐磨性和兼容性等生物特性也將會取得更大進步。
1.2.3 其它臨床應用
有限元法不僅可以應用于融合術和人工椎間盤置換等臨床術式研究，目前也廣泛地應用于其它腰椎相關的臨床評估和分析，比如腰椎骨折、髓核切除和穿刺造影等。朱海明等[23]建立了胸腰椎爆裂性骨折的三維有限元模型，分析有限元模型和尸體標本在后路不同固定方式時的生物力學特點，結果顯示經傷椎短節段固定具有更高的穩定性。陳華星等[24]創新性采用臨床中的真實病例，精確構建顯微鏡輔助下腰椎髓核摘除前后的有限元模型，力學特征分析的結果顯示，不同比例的髓核摘除后腰椎在屈伸狀態下的穩定性明顯降低。Lipscomb等[25]利用有限元法研究了腰椎間盤穿刺造影后椎間盤的位移和壓力變化，結果提示穿刺造影術可能加速腰椎間盤的退變。
綜合上述關于腰椎臨床應用中的有限元研究，有限元法可以有效地模擬臨床手術行為和術后影響，較為全面地了解融合術和置換術后的腰椎生物力學變化特征，同時也可為不同內固定的優化設計提供理論依據，預測臨床手術的療效并預防術后并發癥。已有學者對于人工腰椎間盤置換術的安全性和有效性、圍手術期經濟性、手術的禁忌癥與適應癥、中遠期并發癥和手術效果等進行了討論[26]。針對不同術式的對比研究，應該更加著眼于臨床案例和遠期隨訪，并且綜合考慮術中出血量、手術時間和住院周期等因素。
針對不同術式的效果評估，需要根據術后隨訪數據進行對比分析，通常采取短期隨訪和長期隨訪相結合的方式。根據美國食品藥品監督管理局(food and drug administration,FDA)和瑞典羅林斯卡醫學院倫理委員會批準的幾種典型器械豁免實驗[26]，對于置換術和融合術的術后效果包括患者滿意度、目測類比評分改善和Oswestry功能障礙指數(oswestry dability index,ODI)改善進行統計分析，所得的對比數據如圖 3所示。短期隨訪結果顯示置換組明顯優于融合組，長期隨訪結果卻顯示置換組與融合組無統計學差異，所以目前非融合術還不能完全代替傳統融合術。
圖3
置換術和融合術的術后隨訪數據對比
Figure3.
Postoperative follow-up data of lumbar fusion and artificial lumbar disc replacement
1.3 職業損傷和腰椎防護
職業病學數據顯示，如果駕乘座椅質量不高的汽車，長期振動會造成椎間盤退變和腰背疼痛，而有近期文獻則對振動載荷如何傳導至脊柱以及傳導的比例提出質疑；如通過參量化的腰椎三維有限元模型分析機械振動與損傷風險因子(injury and risk factor,IRF)的關系，結果顯示30%的IRF被認為是疲勞極限[1]。項嬪等[27]采用三維有限元方法對全腰椎進行模態分析，確定了腰椎的固有頻率、振幅和振型等振動學參數，為腰椎的振動力學分析和人機工程優化設計提供了進一步的理論基礎。針對航空航天領域中存在的特殊工況，飛行員和宇航員的腰椎受力分析近幾年來也逐漸引起學者的關注。郭偉等[28]通過建立飛行員的腰椎有限元模型，模擬飛行員在高正加速度(positive acceleration along the z axis,+Gz)環境下的腰椎受力特點，并結合48名飛行員腰椎X線損傷的臨床案例進行對比研究，結果顯示飛行員的模擬腰椎應力和損傷狀態與臨床X線結果基本一致，L1楔形變高發。
胸腰段是人體脊柱損傷的常見部位，特別是老年人因跌倒和摔傷造成脊柱骨折的概率增加[29]，胸腰支具等防護裝置在預防和治療這類低能量損傷性脊柱骨折中具有重要的作用。何劍穎等[30]建立了胸腰段的三維有限元模型，通過有限元數值模擬對比分析了有無保護兩組模型軸向載荷的力學響應，結果顯示佩戴脊柱保護器能夠降低胸腰段的有害應力，即對胸腰段起到有效的防護作用。
綜合上述關于腰椎職業損傷和防護裝置方面的研究，有限元法可以應用于機械振動和特殊載荷響應引起的生物力學分析，將為腰椎損傷和職業疲勞等問題的預防、評估和防護提供有力的理論和技術支持。
1.4 有限元法應用研究小結
基于有限元法在生物力學中的應用研究，仿真分析軟件通常采用非線性仿真功能強大的ABAQUS(有限元分析軟件，美國達索SIMULIA公司)。網格劃分可以通過HyperMesh(有限元分析前處理軟件，美國Altair公司)或其它前處理軟件，通常采用六面體網格收斂性較好，邊界條件通常是限制最低節段底面的全部自由度。接觸方式通常根據不同的組織結構有所區別，多數情況采用面面接觸，小關節突關節之間通常采用小間隙滑動接觸。
目前建立的有限元模型不僅包括了椎體、椎間盤、韌帶等主要部分，對于椎間盤中的髓核和纖維環進行了更加精細化地建模，甚至還會考慮到肌肉對于整個腰椎的支撐作用。關于有限元的仿真方法也得到了迅速的發展，衍生出各種新的網格劃分形式和子程序模塊。隨著生物醫學技術的進步，有限元分析的臨床應用領域也不斷擴展。目前人工腰椎間盤置換術越來越多地應用于臨床實踐中，但是人工腰椎間盤的基體材料種類較少，需要不斷改善材料性能以接近于正常椎間盤的生物力學性能。歸納有限元法在人體腰椎生物力學中的應用進展，可以得知其研究重點主要集中于建模過程的精細化、仿真方法的更優化、適用臨床評估的多樣化和人工腰椎間盤的臨床化。
2 有限元法在腰椎生物力學中的未來展望
隨著有限元分析數值算法的發展，數字化圖像處理軟件的進步，多學科的相互融合和各種新材料的廣泛應用，在腰椎臨床應用需求的推動下，有限元法將在以下幾方面具有深入、廣泛的發展前景。
(1) 建模的自動化和個性化。有限元分析的精確性在相當程度上取決于科學的建模方法和高效的運算速度，建模發展的目標之一即是真正實現從影像提取到網格劃分過程的全自動。此外，針對不同的腰椎患者個體進行內固定和人工椎間盤的快速個性化設計，也將是未來有限元建模技術的發展方向。
(2) 新型術式的模擬和評估。當今社會人們生活方式和行為模式的變更，出現腰椎相關疾病的比率明顯增加。針對腰椎退行性病變，目前比較有效的治療方式即是非融合術，如人工腰椎間盤置換。隨著圖像處理技術和人工植入物的迅速進步，有限元法正逐步應用于雙節段融合、雙節段置換、人工腰椎間盤置換結合融合術的混合術等多種新型術式。此外，針對術前手術模擬、術中圖像監測和術后行為指導，有限元法與圖像處理技術的無縫結合，將會是未來發展的又一重要方向。
(3) 損傷機理和動態響應。隨著運動醫學的不斷發展，對于運動損傷情況的分析研究愈加深入。有限元法相對傳統力學實驗的優點就在于能夠模擬多種特殊情況下的力學響應和損傷機制，進而為運動保護裝置的開發提供技術支持。針對脊柱生物力學的動態響應主要包括沖擊響應和振動載荷響應等，使用有限元法對于動態響應引起的生物力學進行分析，將為運動損傷和職業疲勞等問題的預防、評估和防護提供系統的理論技術支持。
3 結語
有限元法作為腰椎生物力學的重要方法，由于其具有強大的仿真模擬功能，被廣泛應用于理論分析和臨床實踐中。有限元法在精細化建模、臨床術式模擬、職業損傷預防等方面均取得了很快的發展。隨著建模技術和圖像處理技術的進步，有限元法將會向自動化和個性化建模、新型術式評估和分析、損傷機理和動態響應仿真等方向發展。有限元法已經成為腰椎生物力學研究的重要工具，必將在未來的臨床應用研究中發揮不可替代的作用。但是有限元法作為一種數值仿真手段，需要結合臨床觀察和術后隨訪，才能為腰椎疾病或損傷的發生、發展和治療等提供更加全面準確的參考依據和理論指導。
引言
脊柱生物力學主要是使用生物骨骼結構和機械力學理論來研究椎骨和相鄰軟組織的生物力學規律[1]。由于脊柱與神經和動脈等重要解剖位置非常接近，因此脊柱受力變化可能對毗鄰結構產生影響。由交通事故或運動造成的嚴重脊柱創傷以及現代人生活方式中久坐不動的習慣等，導致脊柱發生慢性退行性病變的概率增高。因此，應用脊柱相關的生物力學方法，開展分析脊柱損傷和退變機理、開發植入器械與防護裝置、防治各種脊柱相關病變的研究有著積極的意義。
針對脊柱生物力學的應用研究，通常采用體內和體外兩種方法，其中體外研究中最常用的方法則是有限元分析。通常研究的椎體類別分為頸椎、胸椎和腰椎，其中針對頸椎和腰椎的研究居多，主要是因為頸椎和腰椎更加容易發生損傷或病變。針對人體生物力學進行分析研究時，因其復雜的生理環境和承載特征，傳統的實驗方法很難直接應用。而有限元法(finite elecment methods,FEM)具備力學性能測試精準、客觀全面和可多次重復的優勢，即有限元數值模擬作為一種有效工具正好彌補了傳統力學實驗的不足。自從有限元分析方法被引入到脊柱生物力學研究中，近40多年來有限元模型經歷了從二維到三維、從線性到非線性、從活動節段到全脊柱節段的發展過程。
由于腰椎在人體中特殊的承重作用，以及具有較高的損傷率或退行性病變發病率等，目前有限元法在腰椎力學研究中已經得到了普遍應用，并取得了較大的成就。本文歸納整理了近年來國內外腰椎生物力學應用中有限元法的研究進展，重點闡述了有限元法在腰椎本體建模、臨床應用研究和職業損傷防護等幾個方面的應用現狀。根據最新的研究進展和熱點趨勢，對該領域的發展前景進行了展望，指出有限元法在腰椎建模的自動化和個性化、新型術式的模擬和評估、損傷機理和動態響應研究等方面具有廣泛深入的發展前景。本文對于有限元法在腰椎生物力學中的應用研究進行回顧和展望，以期為實際的臨床問題和腰椎健康提供參考和指導。
1 有限元法在腰椎生物力學中的應用研究
隨著有限元建模方法和臨床醫學技術的不斷進步，有限元法已經廣泛地應用于腰椎損傷分析和植入器械設計等領域。本文主要介紹有限元法在腰椎本體建模、臨床手術應用、職業損傷和腰椎防護等方面的研究進展。
1.1 腰椎本體建模
1.1.1 腰椎椎體
為了更加逼真而準確地模擬人體腰椎的生物力學特性，隨著圖像處理技術和計算機硬件技術的進步，基于腰椎椎體的有限元模型已經從單一活動節段擴展到全腰椎節段。顏文濤等[2]基于電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)圖像和專用軟件構建了L4~L5運動節段的有限元分析模型，并進行500~2 000 N不同壓力下的生物力學特性分析，產生的軸向位移為0.23~1.02 mm，與前人在相同條件下的離體實驗和有限元分析結果相近，驗證了模型的有效性。徐浩等[3]采用正常腰椎CT圖像建立了L3~L5節段的有限元模型，并對該模型進行前屈、后伸、側屈和旋轉工況下的活動范圍測定，仿真結果與已有的離體實驗結果基本一致。秦計生等[4]建立了全腰椎及骶椎的有限元模型，該模型在受到10 Nm載荷作用下發生前屈、后伸和側彎運動時的整體剛度與實驗結果基本吻合，驗證了已建模型的有效性和實用性。
多數情況下，由于椎體的損傷與骨質疏松相關，所以有必要建立骨質疏松功能節段的有限元模型。通常采用減小骨性材料的彈性模量來模擬不同程度的骨質疏松病變，而軟組織的彈性模量保持不變。通過正常椎體模型和病變椎體模型的有限元對比研究，可以為腰椎椎體的病變特別是骨質疏松癥的發生發展和臨床防治提供一定的理論指導。
1.1.2 腰椎間盤
在用有限元法進行腰椎間盤的生物力學分析時，椎間盤中髓核和纖維環建模的優劣將會影響到計算結果的準確性。Peng等[5]提出了一種考慮基質與纖維剪切相互作用的新型椎間盤纖維環模型，采用各向異性的超彈纖維材料進行有限元模擬，并利用尸體標本實驗數據進行了驗證。趙亮等[6]基于CT掃描構建了L4~L5活動節段的椎間盤三維有限元模型，對比正常狀態的椎間盤和退變狀態的椎間盤，進一步分析了腰椎間盤退變對軟骨終板的影響作用。Jacobs等[7]利用磁共振(magnetic resonance,MR)圖像建立了一個新型的L4~L5椎間盤有限元模型，進一步驗證了椎間盤在受力情況下髓核、軟骨終板和纖維環的材料屬性改變狀態。
綜上所述，為了對比正常和退變腰椎間盤的生物力學性能，需要建立退變腰椎間盤的有限元模型。因此我們建議，在正常腰椎間盤基礎上，可以通過改變纖維環和髓核的物理參數來模擬不同退變程度的腰椎間盤，而軟骨終板的生物材料特性可以保持不變。通過對于退變腰椎間盤模型的生物力學研究，分析評估腰椎間盤不同退變程度對于病變節段和鄰近節段的影響，進而可以為腰椎間盤疾病的臨床診療提供參考依據。
1.1.3 腰椎韌帶和肌肉
建立精確腰椎有限元模型的難點在于軟組織本構模型的確定，特別是韌帶和肌肉等對于腰椎的支撐作用不容忽視。為了模擬人類腰椎軟組織的拉伸力學性能，通常采用復合韌帶模型和肌肉束模型，通過改變復合韌帶和肌肉束的剛度和變形屬性，可以成功模擬不同腰椎的生物力學模型。Yin等[8]創新地提出利用有限元法對腰椎肌肉活動進行模擬，通過有限元模型分析腰椎肌肉活動和表面電位分布的相互關系，結果顯示后腰痛患者和健康受試者之間的肌肉活動存在明顯差異。Kim等[9]建立了包含肌肉束的腰椎退變有限元模型，利用有限元法和優化技術來計算肌肉力大小，模擬分析腰椎退變程度與肌肉力改變的相關性，結果顯示腰椎間盤退變將顯著增加表面肌肉的活化性，而減小深層肌肉的活化性。
綜上所述，關于腰椎本體的建模研究，腰椎有限元模型大多是基于單一的、固定的幾何形狀，而忽略了脊柱本身多變的幾何形狀的影響。有待于利用全腰椎節段的全幾何參數進行有限元分析，得出對于相鄰節段和周圍組織的主要影響參數，針對上述參數再進行精確地建模和仿真。當前，關于有限元分析的前處理如單元選擇、分網賦值等理論研究也在不斷的進步和發展，人們希望不僅要建立精確的有限元模型，更需要對整個有限元分析過程進行優化設計，從而達到更加滿意的仿真結果。
腰椎有限元建模是腰椎生物力學計算的基礎，為了保證幾何特征和材料屬性更加真實逼真，目前主流的方法是：采用X光(x-ray)圖像排除腰椎疾病，利用CT圖像進行斷層掃描，在醫學圖像基礎上采用計算機輔助設計(computer aided design,CAD)或逆向工程軟件建立幾何模型，然后采用有限單元法進行材料設置和網格劃分，完成有限元模型的建立。具體建模的方法和流程如圖 1所示。
圖1
腰椎有限元建模的方法和流程
Figure1.
Process of finite element modeling of lumbar spine
1.2 臨床應用研究
1.2.1 椎間融合術
針對腰椎間盤損傷或退變，椎間融合術是常用的臨床術式。融合術的主要適應癥有腰椎損傷、腰椎失穩、腰椎畸形(包括先天或后天畸形，通常需要配合矯形手術)或腰椎滑脫(特別是老年患者重度滑脫的治療)。相比傳統的后路腰椎椎間融合術(posterior lumbar interbody fusion,PLIF)，經椎間孔腰椎椎間融合術(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)通常采用椎弓根螺釘和內固定物來維持腰椎的穩定，其手術療效獲得了臨床研究和體外生物力學的證實[10]。腰椎融合術的示意圖如圖 2所示。張文等[11]利用有限元方法分析了臨床治療腰椎退行性病變時采用單側TLIF的可行性，結果顯示單側TLIF可作為退變性疾病的固定方法，但其系統穩定性不如雙側TLIF模型。李杰等[12]利用有限元法分析了TLIF椎間植入物融合前后固定節段的生物力學特性，結果提示融合后去除后路內固定對節段生物力學的優勢有限，考慮到再次手術的創傷性和經濟性，建議保留內固定物。Kim等[13]分別建立了不同程度椎板切除后椎弓根螺釘內固定模型，并進行有限元分析比較，結果顯示在半椎板切除減壓后，單側椎弓根螺釘內固定可以維持手術節段的穩定并減小臨近節段椎間盤的應力。Ambati等[14]分別建立了經椎間孔椎間植骨的單側和雙側內固定模型，利用有限元法分析了腰椎的穩定性和內固定的應力情況，結果提示單側內固定可以維持手術節段的穩定并減小內固定的應力，而且可以獲得滿意的手術效果。由于腰椎融合術的主要并發癥為加速鄰近節段的退變，所以研究者們利用有限元分析方法重點關注鄰近節段和小關節的應力狀態，以評估融合術前后對于鄰近節段的影響程度。
圖2
腰椎融合術和人工腰椎間盤置換術示意圖
Figure2.
Diagrammatic sketch of the lumbar fusion and artificial lumbar disc replacement
隨著生物醫學和材料科學的不斷進步，在傳統腰椎內固定方法的基礎上，出現了一系列新型的內固定技術，國內外學者也開展了相關的應用研究。陳為堅等[15]基于三維有限元建模技術，建立了腰椎椎弓根動態穩定系統的釘棒模型，分析了不同工況下腰椎的應力情況和各節段活動度。Song等[16]提出了一種新型的中間含有空心柱狀物的聚醚醚酮材質的棘突間植入物，并采用有限元模型進行了生物力學分析和驗證。Biswas等[17]將三種不同直徑的椎弓根螺釘植入腰椎模型，依據不同的骨質強度建立多個仿真模型并進行有限元分析，結果顯示對于大多數模型來說，直徑6 mm的椎弓根螺釘最為適合。
1.2.2 人工腰椎間盤置換術
腰椎間盤退變是導致下腰痛的主要病因之一，腰椎融合術曾被稱為治療方案中的“金標準”，但是融合術后的腰椎節段會喪失活動度，進而引起相鄰節段的退變。隨著人工腰椎間盤假體設計和置換技術的不斷進步，有限元法在植入假體的設計開發和臨床手術等方面顯現出愈加重要的作用，而關于人工腰椎間盤的臨床試驗和力學分析也證實了人工椎間盤的技術可行性[18-19]。人工腰椎間盤置換術的主要適應癥是退行性椎間盤疾病(且小關節無顯著退變、既往無前路腰椎手術史)，或融合術失敗后需二次手術的患者，特別注意老年患者需要慎重選擇置換術。人工腰椎間盤置換術的示意圖如圖 2所示。張蘭鳳等[20]提出一種改進的人工椎間盤置換假體，由于在上下蓋板內嵌入了硅膠人工髓核，通過其變形運動可以達成椎間盤的正常活動度，從而有效避免了人工腰椎間盤使用中的摩擦問題，同時將鈦噴涂處理技術應用于人工蓋板，有利于金屬蓋板和骨表面之間的相互長入。Garcia等[21]提出了一種具有約束和非約束選擇功能的椎間盤假體，通過校準的腰椎活動節段的有限元模型進行人工植入比較試驗，結果顯示具有約束功能的椎間盤假體比傳統的球窩狀假體更加接近于人體生理條件，使用無約束功能的椎間盤假體則更加有利于減小韌帶和小關節的受力。基于以上研究，我們認為由于人工腰椎間盤置換術可能增加腰椎活動度，所以有限元分析應重點關注置換手術前后腰椎活動度的變化范圍，防止腰椎活動過度或失穩。
人工腰椎間盤假體的開發通常需要借助有限元分析和其它體外輔助評估手段來確定其合理性和安全性。對于人工腰椎間盤假體的研究不僅包括基本結構設計和臨床研究，目前在椎間盤假體的材料改進和仿生設計等方面也取得了較大的進展。比如Noailly等[22]提出了一種仿生復合材料的人工椎間盤假體，這種假體包含有纖維增強型人工髓核，有限元分析結果顯示這種仿生復合材料型人工椎間盤比球窩狀具有更大的應用優勢。盡管不少研究顯示腰椎間盤假體的臨床效果良好，但是有關人工腰椎間盤的設計和優化仍然有待進一步改進。當然，隨著新興材料科學的發展，針對人工假體的材料種類不斷擴展，人工腰椎間盤假體的耐磨性和兼容性等生物特性也將會取得更大進步。
1.2.3 其它臨床應用
有限元法不僅可以應用于融合術和人工椎間盤置換等臨床術式研究，目前也廣泛地應用于其它腰椎相關的臨床評估和分析，比如腰椎骨折、髓核切除和穿刺造影等。朱海明等[23]建立了胸腰椎爆裂性骨折的三維有限元模型，分析有限元模型和尸體標本在后路不同固定方式時的生物力學特點，結果顯示經傷椎短節段固定具有更高的穩定性。陳華星等[24]創新性采用臨床中的真實病例，精確構建顯微鏡輔助下腰椎髓核摘除前后的有限元模型，力學特征分析的結果顯示，不同比例的髓核摘除后腰椎在屈伸狀態下的穩定性明顯降低。Lipscomb等[25]利用有限元法研究了腰椎間盤穿刺造影后椎間盤的位移和壓力變化，結果提示穿刺造影術可能加速腰椎間盤的退變。
綜合上述關于腰椎臨床應用中的有限元研究，有限元法可以有效地模擬臨床手術行為和術后影響，較為全面地了解融合術和置換術后的腰椎生物力學變化特征，同時也可為不同內固定的優化設計提供理論依據，預測臨床手術的療效并預防術后并發癥。已有學者對于人工腰椎間盤置換術的安全性和有效性、圍手術期經濟性、手術的禁忌癥與適應癥、中遠期并發癥和手術效果等進行了討論[26]。針對不同術式的對比研究，應該更加著眼于臨床案例和遠期隨訪，并且綜合考慮術中出血量、手術時間和住院周期等因素。
針對不同術式的效果評估，需要根據術后隨訪數據進行對比分析，通常采取短期隨訪和長期隨訪相結合的方式。根據美國食品藥品監督管理局(food and drug administration,FDA)和瑞典羅林斯卡醫學院倫理委員會批準的幾種典型器械豁免實驗[26]，對于置換術和融合術的術后效果包括患者滿意度、目測類比評分改善和Oswestry功能障礙指數(oswestry dability index,ODI)改善進行統計分析，所得的對比數據如圖 3所示。短期隨訪結果顯示置換組明顯優于融合組，長期隨訪結果卻顯示置換組與融合組無統計學差異，所以目前非融合術還不能完全代替傳統融合術。
圖3
置換術和融合術的術后隨訪數據對比
Figure3.
Postoperative follow-up data of lumbar fusion and artificial lumbar disc replacement
1.3 職業損傷和腰椎防護
職業病學數據顯示，如果駕乘座椅質量不高的汽車，長期振動會造成椎間盤退變和腰背疼痛，而有近期文獻則對振動載荷如何傳導至脊柱以及傳導的比例提出質疑；如通過參量化的腰椎三維有限元模型分析機械振動與損傷風險因子(injury and risk factor,IRF)的關系，結果顯示30%的IRF被認為是疲勞極限[1]。項嬪等[27]采用三維有限元方法對全腰椎進行模態分析，確定了腰椎的固有頻率、振幅和振型等振動學參數，為腰椎的振動力學分析和人機工程優化設計提供了進一步的理論基礎。針對航空航天領域中存在的特殊工況，飛行員和宇航員的腰椎受力分析近幾年來也逐漸引起學者的關注。郭偉等[28]通過建立飛行員的腰椎有限元模型，模擬飛行員在高正加速度(positive acceleration along the z axis,+Gz)環境下的腰椎受力特點，并結合48名飛行員腰椎X線損傷的臨床案例進行對比研究，結果顯示飛行員的模擬腰椎應力和損傷狀態與臨床X線結果基本一致，L1楔形變高發。
胸腰段是人體脊柱損傷的常見部位，特別是老年人因跌倒和摔傷造成脊柱骨折的概率增加[29]，胸腰支具等防護裝置在預防和治療這類低能量損傷性脊柱骨折中具有重要的作用。何劍穎等[30]建立了胸腰段的三維有限元模型，通過有限元數值模擬對比分析了有無保護兩組模型軸向載荷的力學響應，結果顯示佩戴脊柱保護器能夠降低胸腰段的有害應力，即對胸腰段起到有效的防護作用。
綜合上述關于腰椎職業損傷和防護裝置方面的研究，有限元法可以應用于機械振動和特殊載荷響應引起的生物力學分析，將為腰椎損傷和職業疲勞等問題的預防、評估和防護提供有力的理論和技術支持。
1.4 有限元法應用研究小結
基于有限元法在生物力學中的應用研究，仿真分析軟件通常采用非線性仿真功能強大的ABAQUS(有限元分析軟件，美國達索SIMULIA公司)。網格劃分可以通過HyperMesh(有限元分析前處理軟件，美國Altair公司)或其它前處理軟件，通常采用六面體網格收斂性較好，邊界條件通常是限制最低節段底面的全部自由度。接觸方式通常根據不同的組織結構有所區別，多數情況采用面面接觸，小關節突關節之間通常采用小間隙滑動接觸。
目前建立的有限元模型不僅包括了椎體、椎間盤、韌帶等主要部分，對于椎間盤中的髓核和纖維環進行了更加精細化地建模，甚至還會考慮到肌肉對于整個腰椎的支撐作用。關于有限元的仿真方法也得到了迅速的發展，衍生出各種新的網格劃分形式和子程序模塊。隨著生物醫學技術的進步，有限元分析的臨床應用領域也不斷擴展。目前人工腰椎間盤置換術越來越多地應用于臨床實踐中，但是人工腰椎間盤的基體材料種類較少，需要不斷改善材料性能以接近于正常椎間盤的生物力學性能。歸納有限元法在人體腰椎生物力學中的應用進展，可以得知其研究重點主要集中于建模過程的精細化、仿真方法的更優化、適用臨床評估的多樣化和人工腰椎間盤的臨床化。
2 有限元法在腰椎生物力學中的未來展望
隨著有限元分析數值算法的發展，數字化圖像處理軟件的進步，多學科的相互融合和各種新材料的廣泛應用，在腰椎臨床應用需求的推動下，有限元法將在以下幾方面具有深入、廣泛的發展前景。
(1) 建模的自動化和個性化。有限元分析的精確性在相當程度上取決于科學的建模方法和高效的運算速度，建模發展的目標之一即是真正實現從影像提取到網格劃分過程的全自動。此外，針對不同的腰椎患者個體進行內固定和人工椎間盤的快速個性化設計，也將是未來有限元建模技術的發展方向。
(2) 新型術式的模擬和評估。當今社會人們生活方式和行為模式的變更，出現腰椎相關疾病的比率明顯增加。針對腰椎退行性病變，目前比較有效的治療方式即是非融合術，如人工腰椎間盤置換。隨著圖像處理技術和人工植入物的迅速進步，有限元法正逐步應用于雙節段融合、雙節段置換、人工腰椎間盤置換結合融合術的混合術等多種新型術式。此外，針對術前手術模擬、術中圖像監測和術后行為指導，有限元法與圖像處理技術的無縫結合，將會是未來發展的又一重要方向。
(3) 損傷機理和動態響應。隨著運動醫學的不斷發展，對于運動損傷情況的分析研究愈加深入。有限元法相對傳統力學實驗的優點就在于能夠模擬多種特殊情況下的力學響應和損傷機制，進而為運動保護裝置的開發提供技術支持。針對脊柱生物力學的動態響應主要包括沖擊響應和振動載荷響應等，使用有限元法對于動態響應引起的生物力學進行分析，將為運動損傷和職業疲勞等問題的預防、評估和防護提供系統的理論技術支持。
3 結語
有限元法作為腰椎生物力學的重要方法，由于其具有強大的仿真模擬功能，被廣泛應用于理論分析和臨床實踐中。有限元法在精細化建模、臨床術式模擬、職業損傷預防等方面均取得了很快的發展。隨著建模技術和圖像處理技術的進步，有限元法將會向自動化和個性化建模、新型術式評估和分析、損傷機理和動態響應仿真等方向發展。有限元法已經成為腰椎生物力學研究的重要工具，必將在未來的臨床應用研究中發揮不可替代的作用。但是有限元法作為一種數值仿真手段，需要結合臨床觀察和術后隨訪，才能為腰椎疾病或損傷的發生、發展和治療等提供更加全面準確的參考依據和理論指導。
