提物后伸状态下L3～L4椎间盘载荷的在体研究

提物后伸状态下L3～L4椎间盘载荷的在体研究

掌握人体腰椎椎体在体负荷的相关知识，对于理解腰椎功能、改善腰椎手术治疗效果非常重要。诸多研究采用实验检测和计算机模拟方法来研究在体椎间盘的载荷状态，但无创性测量技术的实现仍然是生物医学工程领域的一个挑战。本研究旨在通过有限元方法研究在体椎间盘在提物后伸状态下的负荷情况。

首先构建3名健康无症状男性受试者的腰椎MRI三维重建模型，建立包括前后、左右、远近轴在内的空间坐标系。每一名受试者双臂水平伸展，手持重物，右手负重8 lbs、左手7 lbs，模拟功能性日常活动，上身活动范围由前倾45°到过伸20°，这一过程中臂和肩膀几乎不运动（图1）。采用脉冲为8 ms、帧频为30帧/s的双荧光透视图像系统（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）捕获沿运动轨迹的腰椎图片，获得动态影像学数据，MRI三维重建椎体模型亦被导入虚拟DFIS，匹配注册后在虚拟摄影机下重现腰椎的三维运动。测量虚拟环境下三维重建模型6个自由度（图2）的运动学参数，检测椎间盘每个运动节段单元上终板与下终板之间的相对运动，选择沿运动轨迹的3个位置（20°前倾位、直立位、20°过伸位）进行L3～L4椎间盘有限元分析。

结果提示，3名受试对象屈曲位前剪切移位最大（0.5～2.2 cm），直立位L3～L4椎间盘受到最大的压缩（1.4～1.7 mm）。直立位L3～L4椎间盘内压力最大，平均1.4 MPa（1.0～1.6 MPa）；前倾20°时压力最小，平均0.6 MPa（0.4～0.8 MPa）。在脊柱节段受力与力矩方面，直立位椎间盘受到最大的压缩力(1 544 N)，前倾位与过伸位分别为518、672 N；前倾位时获得最大的前后剪切力（233 N），直立位与过伸位最大前后剪切力分别为70、119 N；前倾位力矩最小（—1.0 Nm），直立位与过伸位相似，分别为—4.2、—4.1 Nm。

研究结果表明，在提物后伸状态下，身体前倾位时椎间盘承受更高的剪切力，而直立位时则受到更强的压缩负荷。沿着从前倾到过伸的运动路径，连续运动使椎间盘所承受的负荷加大。

（摘自Wang SB,Park WM,Kim YH,et al.In vivo loads in the lumbar L3-4 disc during a weight lifting extension.Clin Biomech,2014,29:155-160.http://dx.doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2013.11.018.黄文汉译，夏虹审校）

图1 受试者握持15英镑状态下3个位置的腰椎三维重建模型 1A前倾位 1B直立位 1C过伸位图2腰椎及椎间盘6自由度