人体脊柱胸腰段在跌倒冲击载荷下的力学响应特性研究
摘要：目的 研究人体脊柱胸腰段在跌到冲击载荷下的力学响应特性。方法 选取中国力学虚拟人数据9000张集切片进行研究。将研究对象分为观察组与对照组，观察组应用脊柱护具，而对照组未使用脊柱护具。通过建立胸腰段与脊柱护具模型，观察脊柱护具在减轻胸腰段有害应力方面的作用。结果 观察组胸腰椎体所受应力明显低于对照组，差异显著(P<0.05)；同时，胸腰椎体所受应力多集中于L2段。结论 脊柱护具可有效分散、减轻人体脊柱胸腰段在跌倒冲击载荷下的应力，起到显著的保护作用。
关键词：人体脊柱；跌到冲击载荷；力学响应特性
胸腰段是人体脊柱易发生骨折部位之一，约有79.5%的脊柱损伤为胸腰段骨折，且多由高处坠落所致。由于该处损伤机制十分复杂，治疗费用昂贵，严重增加了患者家庭及社会的经济负担[1]。人体胸腰段有限元研究的主要方向为评价手术内固定与构建脊柱骨折模型，而关于脊柱保护器的研究集中于矫形治疗脊柱侧弯的领域。目前，临床对脊柱保护器的正确运用仍缺乏相应有的有限元研究[2]。本研究通过建立脊柱胸腰段模型，设计并建立脊柱保护器及三维模型，根据生物力学原理分析人体脊柱骨折机制，探讨保护人体胸腰段的有效途径。现报道如下。
1资料与方法
1.1一般资料 选取中国力学虚拟人数据集切片，共9000张图片，格式为冷冻切片。给予三维有限元分析，观察单一样本。
1.2方法 ①建立胸腰段三维模型：经中国力学虚拟人数据库提取软组织、骨等轮廓曲线，通过软件构建人体躯干模型，包括简化的躯干轮廓软组织，骨盆、肋骨、骶骨、脊柱等轮廓曲线，软组织应用Mooney-Rivlin超弹性材料，应用Hypermesh软件将几何面模型划分成网格，建立人体躯干三维仿真模型，截取T11～L12节段模型为观察对象。应用四面体单元划分模型中软组织与松质骨，三角形壳单元划分皮质骨。②建立脊柱护具模型：运用Hypermesh软件构建脊柱保护器模型，其形状贴合腰背部、胸腹部与双侧肩部轮廓，下缘与骶尾部水平持平。选用1 cm厚海绵材料与厚度为3 mm的聚乙烯硬性材料，要求具有韧性。为固定脊柱保护器，模拟束缚带，分别于腰部与肩关节前面两侧施以60N与80N的预紧力。③边界条件与加载：对照组胸腰段模型未使用脊柱保护器，而观察组应用脊柱保护器。两组模型均模仿真人体自高处坠落时坐骨着地情形，重力加速度设为9.8 m/s2，人体落地瞬间速度设为2 m/s，地面与模型之间摩擦系数为0.5。④采样等效应力单元：将胸腰椎横断面分为4个区，为中柱中心、前柱中心、后柱左右侧中心。取4个区域等效应力并计算平均值，予以分析。
1.3观察指标 对两组模型目标单元等效应力及应变进行赋值、加载、运算。
1.4统计学方法 采用SPSS19.0统计软件处理数据，采用Bartlett方差齐性检验模型中T11～L12椎体所受应力，P>0.1为满足方差齐性；采用样本t检验，P<0.05为差异显著。
2结果
2.1胸腰椎体所受应力变化情况 观察组各椎体受力较对照组均匀平缓，且各椎体所受应力较对照组均呈不同程度的下降，其中T11椎体降幅最小，T12椎体降幅最大。应用脊柱保护器后总体上减轻了胸腰段椎体所受应力。两组模型应力峰值最大的椎体均为L2，见表1。
2.2成对样本分析 配对t检验发现，T12段与L2段P分别为0.21、0.13，均P<0.05，故应用脊柱保护器差异显著；而T11段与L1段P值分别为0.928、0.312，均P>0.05，故此处应用脊柱保护器無显著差异，见表2。
3 讨论
胸腰段位于活动的腰椎与固定的胸椎之间，包括T11、T12、L1、L2四个节段。胸椎与腰椎之间关节突关节排列在解剖结构上由冠状位转化为矢状位，椎体受外力作用时其刚度迅速增加[3-4]。脊柱承受躯干与上肢垂直载荷后即刻传至胸腰段生理弯曲，再经骨盆传至双侧下肢，从而形成X形分布的应力，同时应力高度集中的X形中点正是胸腰段部位。由于自上肢传导的有害应力过度集中于胸腰段，无法迅速分散至骨盆及双下肢，故易造成胸腰段骨折[5]。
临床研究表明[6]，正常情况下，人体重心部位是脊柱椎体前缘，依靠后部韧带与肌肉的收缩力及椎体前方重力，形成一个力学天平，且支点为椎体。两端正常条件下处于平衡状态，但躯体受外力作用而导致重心前倾时，必然增加支点与重心之间的力臂，若需维持平衡状态，后部韧带与肌肉需产生强大的力量进行对抗[7]。脊柱保护器可尽量阻止重心前移，同时可增加后部肌肉后伸力量，以最大限度的平衡脊柱力学。本研究中脊柱保护器的主要作用原理如下[8]：①脊柱保护器可通过与腰围良好的贴合，将腰腹区覆盖，并均匀加压周围组织。腹部可作为密闭水囊，起到一定的缓冲作用，从而自椎旁肌分散并吸收由脊柱传导的应力，最终减轻脊柱的应力。②脊柱保护器通过对躯干前倾的有效抑制，促使重心后移，可起到良好的平衡作用。③脊柱保护器可跨过包围腹部的腰围与双肩的肩带，通过预紧力对躯干起到束缚的作用，进而较好的分流应力。本研究发现，两组椎体应力均分布于L2椎体后缘、椎板周缘、双侧上下关节突处及双侧椎弓根处，这与大多数学者关于胸腰段应力集中部位的研究结果相似。另外，观察组各椎体所承受的应力较对照组明显降低，其中T12与L2段降幅最为明显，P均<0.05，差异显著。而经计算研究显示，两组模型最大峰值均发生于L2椎体上，此后随着时间的推移而逐渐减小。
综上所述，基于有限元的分析结果，对比研究两组模型冲击下载荷力学的响应特性，运用脊柱保护器可有效分散、减小脊柱胸腰段不良应力，能够较好的保护脊柱胸腰段，值得应用。
参考文献：
[1]沙漠，徐新如，陈波杰，等.Denis B型胸腰椎爆裂骨折的影像学观察[J].中华创伤骨科杂志，2015，17(6)：486-491.
[2]吴冰，吴天泉，程德良，等.经后路伤椎置入椎弓根螺钉短节段固定治疗胸腰椎骨折的生物力学研究[J].浙江医学，2015，37(23)：1923-1927.
[3]王江泽，丁真奇，沙漠，等.胸腰椎椎体骨-螺钉界面剪切载荷的生物力学研究[J].中华生物医学工程杂志，2015，19(1)：49-53.
[4]刘述芝，胡志刚，，张健.冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真[J].医用生物力学，2015，30(1)：30-37.
[5]陈林威，赵京涛，郑挺渠，等.儿童肱骨髁上骨折残留移位复位模型：力学响应的有限元分析[J].中国组织工程研究，2015，19(13)：2125-2132.
[6]贺宝荣，许正伟，郝定均.胸腰椎骨折伴完全性脊髓损伤治疗的相关问题探讨[J].中华创伤杂志，2015，31(6)：494-495.
[7]黄建松，李政年.人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究[J].中国生物医学工程学报，2015，34(5)：629-633.
[8]崔健超，江晓兵，杨志东，等.胸腰椎椎体骨折动物模型的研究进展[J].中国脊柱脊髓杂志，2015，25(7)：666-669.
编辑/申磊, http://www.100md.com(徐仁峰 何剑颖)
关键词：人体脊柱；跌到冲击载荷；力学响应特性
胸腰段是人体脊柱易发生骨折部位之一，约有79.5%的脊柱损伤为胸腰段骨折，且多由高处坠落所致。由于该处损伤机制十分复杂，治疗费用昂贵，严重增加了患者家庭及社会的经济负担[1]。人体胸腰段有限元研究的主要方向为评价手术内固定与构建脊柱骨折模型，而关于脊柱保护器的研究集中于矫形治疗脊柱侧弯的领域。目前，临床对脊柱保护器的正确运用仍缺乏相应有的有限元研究[2]。本研究通过建立脊柱胸腰段模型，设计并建立脊柱保护器及三维模型，根据生物力学原理分析人体脊柱骨折机制，探讨保护人体胸腰段的有效途径。现报道如下。
1资料与方法
1.1一般资料 选取中国力学虚拟人数据集切片，共9000张图片，格式为冷冻切片。给予三维有限元分析，观察单一样本。
1.2方法 ①建立胸腰段三维模型：经中国力学虚拟人数据库提取软组织、骨等轮廓曲线，通过软件构建人体躯干模型，包括简化的躯干轮廓软组织，骨盆、肋骨、骶骨、脊柱等轮廓曲线，软组织应用Mooney-Rivlin超弹性材料，应用Hypermesh软件将几何面模型划分成网格，建立人体躯干三维仿真模型，截取T11～L12节段模型为观察对象。应用四面体单元划分模型中软组织与松质骨，三角形壳单元划分皮质骨。②建立脊柱护具模型：运用Hypermesh软件构建脊柱保护器模型，其形状贴合腰背部、胸腹部与双侧肩部轮廓，下缘与骶尾部水平持平。选用1 cm厚海绵材料与厚度为3 mm的聚乙烯硬性材料，要求具有韧性。为固定脊柱保护器，模拟束缚带，分别于腰部与肩关节前面两侧施以60N与80N的预紧力。③边界条件与加载：对照组胸腰段模型未使用脊柱保护器，而观察组应用脊柱保护器。两组模型均模仿真人体自高处坠落时坐骨着地情形，重力加速度设为9.8 m/s2，人体落地瞬间速度设为2 m/s，地面与模型之间摩擦系数为0.5。④采样等效应力单元：将胸腰椎横断面分为4个区，为中柱中心、前柱中心、后柱左右侧中心。取4个区域等效应力并计算平均值，予以分析。
1.3观察指标 对两组模型目标单元等效应力及应变进行赋值、加载、运算。
1.4统计学方法 采用SPSS19.0统计软件处理数据，采用Bartlett方差齐性检验模型中T11～L12椎体所受应力，P>0.1为满足方差齐性；采用样本t检验，P<0.05为差异显著。
2结果
2.1胸腰椎体所受应力变化情况 观察组各椎体受力较对照组均匀平缓，且各椎体所受应力较对照组均呈不同程度的下降，其中T11椎体降幅最小，T12椎体降幅最大。应用脊柱保护器后总体上减轻了胸腰段椎体所受应力。两组模型应力峰值最大的椎体均为L2，见表1。
2.2成对样本分析 配对t检验发现，T12段与L2段P分别为0.21、0.13，均P<0.05，故应用脊柱保护器差异显著；而T11段与L1段P值分别为0.928、0.312，均P>0.05，故此处应用脊柱保护器無显著差异，见表2。
3 讨论
胸腰段位于活动的腰椎与固定的胸椎之间，包括T11、T12、L1、L2四个节段。胸椎与腰椎之间关节突关节排列在解剖结构上由冠状位转化为矢状位，椎体受外力作用时其刚度迅速增加[3-4]。脊柱承受躯干与上肢垂直载荷后即刻传至胸腰段生理弯曲，再经骨盆传至双侧下肢，从而形成X形分布的应力，同时应力高度集中的X形中点正是胸腰段部位。由于自上肢传导的有害应力过度集中于胸腰段，无法迅速分散至骨盆及双下肢，故易造成胸腰段骨折[5]。
临床研究表明[6]，正常情况下，人体重心部位是脊柱椎体前缘，依靠后部韧带与肌肉的收缩力及椎体前方重力，形成一个力学天平，且支点为椎体。两端正常条件下处于平衡状态，但躯体受外力作用而导致重心前倾时，必然增加支点与重心之间的力臂，若需维持平衡状态，后部韧带与肌肉需产生强大的力量进行对抗[7]。脊柱保护器可尽量阻止重心前移，同时可增加后部肌肉后伸力量，以最大限度的平衡脊柱力学。本研究中脊柱保护器的主要作用原理如下[8]：①脊柱保护器可通过与腰围良好的贴合，将腰腹区覆盖，并均匀加压周围组织。腹部可作为密闭水囊，起到一定的缓冲作用，从而自椎旁肌分散并吸收由脊柱传导的应力，最终减轻脊柱的应力。②脊柱保护器通过对躯干前倾的有效抑制，促使重心后移，可起到良好的平衡作用。③脊柱保护器可跨过包围腹部的腰围与双肩的肩带，通过预紧力对躯干起到束缚的作用，进而较好的分流应力。本研究发现，两组椎体应力均分布于L2椎体后缘、椎板周缘、双侧上下关节突处及双侧椎弓根处，这与大多数学者关于胸腰段应力集中部位的研究结果相似。另外，观察组各椎体所承受的应力较对照组明显降低，其中T12与L2段降幅最为明显，P均<0.05，差异显著。而经计算研究显示，两组模型最大峰值均发生于L2椎体上，此后随着时间的推移而逐渐减小。
综上所述，基于有限元的分析结果，对比研究两组模型冲击下载荷力学的响应特性，运用脊柱保护器可有效分散、减小脊柱胸腰段不良应力，能够较好的保护脊柱胸腰段，值得应用。
参考文献：
[1]沙漠，徐新如，陈波杰，等.Denis B型胸腰椎爆裂骨折的影像学观察[J].中华创伤骨科杂志，2015，17(6)：486-491.
[2]吴冰，吴天泉，程德良，等.经后路伤椎置入椎弓根螺钉短节段固定治疗胸腰椎骨折的生物力学研究[J].浙江医学，2015，37(23)：1923-1927.
[3]王江泽，丁真奇，沙漠，等.胸腰椎椎体骨-螺钉界面剪切载荷的生物力学研究[J].中华生物医学工程杂志，2015，19(1)：49-53.
[4]刘述芝，胡志刚，，张健.冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真[J].医用生物力学，2015，30(1)：30-37.
[5]陈林威，赵京涛，郑挺渠，等.儿童肱骨髁上骨折残留移位复位模型：力学响应的有限元分析[J].中国组织工程研究，2015，19(13)：2125-2132.
[6]贺宝荣，许正伟，郝定均.胸腰椎骨折伴完全性脊髓损伤治疗的相关问题探讨[J].中华创伤杂志，2015，31(6)：494-495.
[7]黄建松，李政年.人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究[J].中国生物医学工程学报，2015，34(5)：629-633.
[8]崔健超，江晓兵，杨志东，等.胸腰椎椎体骨折动物模型的研究进展[J].中国脊柱脊髓杂志，2015，25(7)：666-669.
编辑/申磊, http://www.100md.com(徐仁峰 何剑颖)