不同运动负荷下腰椎应力的三维非线性有限元分析

目的 :利用三维非线性有限元分析 ,研究 15 0 0N压力和 15Nm弯矩下的脊椎前屈、后伸、侧弯和扭转运动时腰椎应力分布 ,探讨腰椎运动损伤的力学机制。方法 :基于L3-L4节段的CT扫描数据建立有限元模型。根据腰椎三关节复合体结构 ,观察椎间盘膨出内陷尺度、纤维环应力水平、小关节负荷水平及后部结构等效应力分布来评价运动负荷导致的力学变化。结果 :压力和前屈负荷引起椎间盘前部受压膨出 ,后伸和侧弯负荷引起椎间盘在后部和后外侧部膨出。扭转不仅引起单侧小关节高负荷承载 ,还造成椎间盘后外侧区纤维环应力集中。后伸时小关节负荷虽低于扭转 ,但高于侧弯和前屈。椎弓根和椎弓峡部在压力和后伸负荷下等效应力较高。结论 :椎间盘对压力的耐受性好于拉力 ,椎间盘后外侧区是各负荷下变形最大的区域 ,该部纤维环易于出现高应力而失败。小关节对腰椎活动特性有重要作用 ,扭转、后伸和高压力负荷引起小关节承受高负荷和小关节应力失败有关。椎弓根和椎弓峡部以及椎体前上部皮质骨区在屈伸和压力负荷下容易出现与应力相关的破坏。