未来骨科医工融合—文献集萃（十五）椎间盘刚度的变化如何影响脊柱结构的生物力学行为？多体模型模拟的敏感性研究结果

发布日期： 2024-12-03 18:57:15 阅读量： 9

尚华清（中国科学院深圳先进技术研究院）

摘要

本文研究了椎间盘参数变化对脊柱生物力学行为的影响，旨在揭示输入参数如何影响多体系统（MBS）模型中的结果。通过建立包含椎间盘、韧带和关节的MBS腰椎模型，作者模拟了不同刚度参数对脊柱结构的负载影响。结果显示，尽管某些结构对参数变化不敏感，但椎间盘参数变化对关节负载尤其显著，特别是在L2-L3节段。研究强调了在建模中理解参数的必要性，以便创建更真实的患者特异性模型。

方法

研究使用CT影像重建腰椎的三维模型，创建了多体系统模型。模型中的椎间盘力由刚度和阻尼项组成，通过不同文献中公布的刚度值进行测试。负载条件下，模拟脊柱在垂直力作用下的生物力学行为，包括关节的受力和椎间盘的旋转。结果与有限元分析和文献中的实验数据进行了对比验证。

总结

该研究表明，椎间盘刚度参数的变化对脊柱生物力学行为的影响并不总是直接体现为椎间盘自身的负载变化，而是可能对关节和其他结构产生更大影响。特别是在L2-L3节段，较小的刚度值会导致更高的关节负载。研究提醒，在建立脊柱模型时，输入参数的选择需要谨慎，以避免影响整体结果的准确性。

创新点

1. **参数灵敏度分析**：首次系统分析了不同文献中椎间盘刚度参数的影响，揭示其对脊柱负载的复杂影响。

2. **多体系统（MBS）模型验证**：通过与有限元结果和实验数据对比，验证了模型在不同刚度参数下的精度。

3. **复杂负载分析**：模拟了垂直负载下的脊柱行为，发现了刚度参数对不同节段间力学响应的显著影响。

4. **患者特异性建模启示**：为开发患者特异性手术规划模型提供了参数调整的理论依据，有助于提高术前模拟的准确性和预测能力。