课题背景：有限元分析可在持续性研究中重复及改变实验对象任何材料与结构的变化，反映物体局部以及内部的相互作用。国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟，但对人工椎间盘置换前后腰椎生物力学的系统的有限元模拟报道较少。

偏倚或不足：本实验开始时间较早，当时研究条件尤其是电脑硬件设备所限，未能进行太精细的模型计算，这一点在2007年进行的后续研究中已经进行改进，模型精度及可靠性有了较大的提高。

重要的概念：人工椎间盘作为椎间盘的替代物，必须具备符合几何学、运动性、变形性、固有坚固性及声学的标准条件。设计合理、用合适材料制成的人工椎间盘不但能保留手术节段在生理范围内的运动和承载功能，还能保持脊柱的稳定性及活动性，起到类似于正常人体椎间盘的作用。目前已研究出4种假体模型：水性模型、弹性连续性模型、合成模型、机械模型。

暨南大学第二附属医院深圳市人民医院骨关节科,广东省深圳市 518020

王 华☆，男，1974年生，上海市人，汉族，2005年中南大学湘雅医学院毕业，博士，主治医师，主要从事骨关节及骨科生物力学。
wanghuayisheng@
sina.com

摘要
背景：国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟，但对人工椎间盘置换前后腰椎生物力学系统的有限元模拟报道较少。
目的：实验建立腰椎运动节段SB-Chaite III型人工椎间盘置换的新型三维有限元模型，并在此基础上进行有限元分析。
设计、时间及地点：观察性实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成。
对象：选择1名健康成年男性志愿者作为模拟对象,对脊柱T12~S1节段进行层厚2 mm的连续扫描，共获得CT断层图像264幅，并对CT图像每隔15°进行三维重建，获取用于建立三维模型的相关数据。
方法：将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4~5运动节段的三维模型。
主要观察指标：结合SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的三维模型，用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型。
结果：成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型。L4~5节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的有限元模型总节点数为2 542个，包括1 924个Solid单元，592个Area单元，50个Link单元。
结论：通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法，可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型。
关键词：椎间盘切除；生物力学；有限元

王华，林博文，黎伟凡.人工腰椎间盘置换的有限元模型[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(13):2405-2408
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-13/13k-2405(ps).pdf]

中图分类号: R681
文献标识码: A
文章编号: 1673-8225
(2008)13-02405-04

收稿日期：2008-01-05
修回日期：2008-03-10
(08-50-1-111/M·Q)

A finite element model of artificial lumbar disc replacement

Abstract
BACKGROUND: Some scholars have used finite element analysis to simulate spinal biodynamics. But there are few reports on finite element imitation of lumbar biodynamics system before and after artificial disc replacement.
OBJECTIVE: This study aimed to do finite element analysis by establishing new three dimensional finite element models of SB-Chaite Ⅲ lumbar disc replacement.
DESIGN, TIME AND SETTING: The observational experiments were performed at the Laboratory of Orthopaedics of Xiangya Hospital of Central South University from December 2003 to August 2004.
PARTICIPANT: A healthy male volunteer served as simulation. His T12-S1 underwent continuous CT scanning. There were altogether 264 images with 2 mm in thickness each. Three-dimensional images were reconstructed every 15° in order to obtain the data for three-dimensional model.
METHODS: The CT images and human anatomical data were processed by 3DSMAX software to establish three-dimensional L4-5 model of normal Chinese males.
MAIN OUTCOME MEASURES: It was transformed to finite element model after processed by SAP2000 software together with SB-Chaite Ⅲ disc prosthesis model.
RESULTS: The three-dimensional model and finite element model of lumbar spine were successfully established. The finite element model of SB-Chaite Ⅲ disc replacement in L4-5 spine was established. The total nodes were 2 542, including 1 924 Solid units, 592 Area units and 50 Link units.
CONCLUSION: The finite element model of artificial disc replacement can be established by CT scanning, digital processor and computer aided design.

Wang H, Lin BW, Li WF.A finite element model of artificial lumbar disc replacement. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(13):2405-2408(China) [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-13/13k-2405(ps).pdf]

0 引言

近年来随着对脊柱生物力学研究的深入，人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法。设计合理、用合适材料制成的人工椎间盘不但能保留手术节段在生理范围内的运动和承载功能，还能保持脊柱的稳定性及活动性，起到类似于正常人体椎间盘的作用[1-5]。但目前人工椎间盘置换的临床应用较少，研究仍然不全面，其对腰椎生物力学的影响报道较少。本研究通过建立腰椎运动节段SB-Chaite III型人工椎间盘置换的新型三维有限元模型，并在此基础上进行生物力学分析，探讨腰椎人工椎间盘置换有限元模型的建立以及有限元分析在脊柱生物力学研究中的应用。

1 对象和方法

设计：观察性实验。
单位：深圳市人民医院骨关节科。
对象：实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成。选择1名健康成年男性志愿者作为模拟对象，对其脊柱T12~S1节段进行层厚2 mm的连续扫描，共获得CT断层图像264幅，并对CT图像每隔15°进行三维重建，获取用于建立三维模型的相关数据。SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘由德国LINK公司提供，盖板材料为钴铬钼合金，表层为钛/羟基磷灰石双喷涂，滑动核材料为超高分子聚乙烯。研究设备：日本东芝(TOSHIBA)Aquiline螺旋CT、美国戴尔（Dell） PrecisionTM 450 图形工作站。软件：三维建模软件3DSMAX5.0 （加拿大Discreet公司）、通用结构分析软件SAP2000（美国CSI公司）
设计、实施、评估者：实验设计为第一作者、资料收集、实施为第一、三作者，评估为第二作者。
方法：
在3DSMAX5.0中依据中国正常成年男性解剖学数据、CT横断面及三维重建图像建立L4~5运动节段椎体及后部结构的三维模型。
将3DSMAX生成的三维模型输出成DXF文件，用SAP2000有限元分析软件读入DXF文件，将L4~5椎体及后部结构的三维模型转换成有限元分析组件，对腰椎运动节段中不同材料特性的组件分别进行造型，各层面用不同颜色加以区别，并根据需要适当划分网格，得到腰椎L4~5运动节段(包括椎体、后部结构、椎间盘)的有限元模型，然后在模型上加入各韧带（前、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带）及小关节囊。
SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘依据实际测量数据在SAP2000中直接建立模型。
综合前人实验测量及有限元模型验证结果[6-8]，选择有关结构的材料力学参数（见表1）。

主要观察指标：实验所选取各节点的应力。

2 结果

3DSMAX软件中椎体、椎间盘、SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘各部分的模型见图1。

SAP2000软件中腰椎运动节段有限元模型见图2。

SAP2000软件中人工椎间盘置换后有限元模型见图3。

人工椎间盘置换后三维有限元模型包含2个椎体(L4，L5)、4个终板、1个椎间盘（髓核、纤维环）、两个人工盖板及一个滑动核。根据有限元划分的一般原则标出结点与划分单元。本模型共包含2 542个节点，包括1 924个Solid单元，592个Area单元，50个Link单元。各组成部分的结点数和单元数参见表1。
椎体模型由皮质骨、松质骨和后部结构组成，处理为松质骨核心外面包裹着厚约1.0 mm的皮质骨壳层，以Solid单元模拟，简化为连续、均匀和各向同性的线性材料。椎间盘由纤维环（胶原纤维和基质）和髓核组成。其中纤维环模拟为同源基质中包埋着大量胶原纤维，这些胶原纤维以十字交叉的形式排列为3层，它们与椎间盘平面呈平均±30°的夹角；胶原纤维用Link非线性单元模拟，其材料特性为非线性，即其弹性模量随载荷的大小的改变而改变；纤维环基质用Solid单元模拟，为连续、均匀和各向同性的线性材料。髓核面积约为椎间盘的50%，用Solid单元模拟为接近于流体的连续、均匀和各向同性的线性材料。软骨终板模型厚为1.0 mm，模拟为椎间盘的上、下表面。
小关节用Solid单元来模拟，平均分为16等分，相对应的小关节面之间的间隙为1 mm，小关节软骨用Area单元来模拟，厚度为0.2 mm，用Link非线性单元模拟无摩擦力、距离为0.6 mm的相对运动的两个接触面。脊柱的韧带（前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带和小关节间韧带）用Link非线性单元模拟，其材料特性为非线性，即其弹性模量随载荷的大小的改变而改变。SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘有限元模型包括上、下两个人工盖板和一个人工髓核，均用Solid单元来模拟。

3 讨论

人工椎间盘置换是近年来开展的一种新的治疗方法，其目的是用人工假体重建椎间盘的功能，维持椎间隙的高度，恢复病变椎间盘的生物力学结构和负载能力[9-11]。目前开展的一些实验研究及临床应用已经从一些角度证明了人工椎间盘置换的优越性，但对人工椎间盘置换后的相关生物力学研究则不够完善[12-17]。常用的尸体模型因缺乏生物力学的变化、实验费用高、取材困难、标本的个体化导致可重复性较低等使其应用受到限制。而作为与传统实验生物力学相互验证和互为补充的方法，有限元分析正越来越多地被应用于生物力学研究。有限元分析可在持续性研究中重复及改变实验对象任何材料与结构的变化，反映物体局部以及内部的相互作用，为脊柱生物力学的研究提供了一个较为理想的方法，其最大特点是对标本无损伤，可以模拟活体组织的生物力学行为，模型可重复使用并可模拟多重负载，研究省时快捷，费用低廉，应用面广。但由于脊椎解剖学形态和其组成材料性质的复杂多样，使腰椎运动节段的有限元模型建立较为困难。国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟，但对人工椎间盘置换前后腰椎生物力学的系统的有限元模拟报道较少。
本研究通过3DSMAX软件建模，在有限元软件SAP2000中建立了中国男性成人腰椎L4~5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型。建模过程中运用了计算机辅助设计，使整个有限元模型的建立更加简便、省时、高效和精确。与本课题组既往进行的腰椎实体模型生物力学测试数据的对比显示[18]，本模型具有以下特点：①结合正常中国男性成人的腰椎解剖学数据、CT横断面、三维重建图像进行模型重建，较真实地模拟了腰椎L4~5运动节段的几何形状和结构。②首次应用三维建模软件3DMAX对腰椎运动节段进行模拟，使模型更为精确。③针对腰椎不同组织的各种结构应用不同材料进行模拟，使结果更为准确。④纤维环、关节囊、韧带等纤维组织采用非线性材料模拟，更接近解剖特点与临床要求。
结论：在此模型基础上可以进一步进行各种生物力学实验研究，如正常脊柱各种生物力学参数的模拟计算、脊柱（椎间盘）退行性变、椎间盘切除手术后脊柱应力改变的研究以及各种脊柱内固定材料、人工椎间盘置换手术后脊柱各部位生物力学变化的计算、与实体生物力学实验进行对比研究等，为脊柱生物力学的研究提供了一种有效的手段。

4 参考文献

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