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目的:(1)运用有限元分析法,构建正常胸腰段椎体(胸11椎体至腰2椎体)生理受力模型;(2)观察腰1椎体(L1)皮质骨及松质骨在不同组别(α组、β组、γ组)的应力分布情况;(3)归纳总结L1椎体应力分布规律,结合解剖学、影像学分析,初步提出应力分区构想,并应用统计学方法验证,最终提出六分区法;(4)探讨六分区法临床意义。材料与方法:(1)研究对象:选取3例18岁至50岁健康正常志愿者,胸腰椎影像学资料(胸腰段DR片、胸腰段CT、胸腰交界处MRI)提示无明显异常;骨密度检查提示正常骨量志愿者;排除合并脊柱相关疾病或伴有其他疾病的患者。(2)资料收集:将3名志愿者行胸腰段CT平扫(T10-L3矢状位、横断位、冠状位),扫描厚度为0.625mm,数据以DICOM格式存入硬盘待用;(3)构建正常胸腰段椎体(T11-L2)三维有限元模型:将备好的硬盘数据导入Mimics中,对胸腰段不同组织结构阈值进行识别,选取合适的T11-L2椎体皮质骨阈值读取,构建T11-L2椎体空壳模型保存;(4)生成正常胸腰段椎体三维有限元模型:将T11-L2椎体空壳模型导入Geomagic进行光顺完善修复后再次导入Mimics,生成胸腰段附属结构及组织(椎体皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核、关节突);(5)利用SoliderWorks进行各部件优化;(6)将完善后的模型导入HyperMesh进行装配,材料赋值;(7)最后利用Abaqus进行力学加载;分别予以3例正常胸腰段椎体模型施加不同等级的压缩载荷(500N、600N、700N),模拟椎体的轴向压缩,再加7.5N.m弯矩,模拟椎体前屈、后伸、侧屈、旋转状态下的载荷;(8)分组:将500N轴向压缩、7.5N.m弯矩载荷下,椎体产生的5种运动状态(轴向压缩、前屈、后伸、侧屈、旋转)称为α组;将600N轴向压缩、7.5N弯矩载荷下,椎体产生的5种运动状态称为β组;将700N轴向压缩、7.5N弯矩载荷下,椎体产生的5种运动状态称为γ组;(9)分区:将L1椎体上下缘固定,从正中横断分割,椎体分为上下均匀两部分,上部分称之为A区,下部分称之为B区;分别在每部分椎体表面正中央至椎体边缘的距离上均匀划分6段,从外向内应次为1区、2区、3区、4区、5区、6区,上下各构成三维圆弧柱形6部分,共12部分,分别均匀采集L1椎体12部分载荷数据;(10)利用SPSS,对L1椎体相邻区域平均载荷应力值进行两两配对T检验,最终分析L1椎体在不同组别中的应力分布情况,从而得出应力分区。结果:1、在α组、β组、γ组三组中,L1椎体皮质骨及松质骨在轴向加载时应力主要集中于椎体上半部分(A区)后缘中央,前屈加载时应力主要集中于椎体上半部分(A区)前缘中央,后伸加载时应力大部分集中于椎体上半部分(A区)后缘中央、小部分集中于椎体上半部分(A区)前缘中央,侧屈时加载时应力集中于同侧椎体外后缘,旋转加载时应力集中于椎体后缘中央及部分同侧外后缘;2、在α、β、γ三组中,比较A区域与B区域各自的皮质骨及松质骨,差异均具有统计学意义;3、在α组中,皮质骨及松质骨均满足A1区域与A2区域比较,差异具有统计学意义;A2区域与A3区域比较差异无统计学意义;A3区域与A4区域比较差异具有统计学意义;A4区域、A5区域、A6区域,三者之间两两比较差异均无统计学意义;B1区域与B2区域比较差异具有统计学意义;B2区域与B3区域比较差异无统计学意义;B3区域与B4区域比较,差异具有统计学意义;B4区域、B5区域、B6区域,三者之间两两比较差异均无统计学意义。在β组中,皮质骨中A区域及B区域均满足α组中统计学规律,松质骨中也几乎满足α组中统计学规律,仅A4区域与A5区域、B4区域与B5区域两两比较,差异具有统计学意义,与α组中稍显不一致。在γ组中,皮质骨及松质骨中A区域及B区域绝大部分满足α组中统计学规律,仅A4区域与A5区域、B4区域与B5区域两两比较,差异具有统计学意义,与α组中略有不同。结论:本次实验构建正常胸腰段椎体(T11-L2)三维有限元模型,观察分析胸腰段椎体在α组、β组、γ组三组中L1椎体应力分布规律,结合临床影像学调查分析,提出应力分区。1、本次实验构建胸腰段椎体(T11~L2)模型真实有效,为下一步力学分析研究奠定基础。2、在α组、β组、γ组三组中,L1椎体从矢状面观应力分布主要集中于椎体上半部分(A区),从横断面观应力主要集中于椎体的外缘,椎体中心应力较少,可见应力的集中趋势位于椎体的上缘及外缘,具有分布规律。3、在α组、β组、γ组三组中,A区域与B区域皮质骨及松质骨应力分布具有统计学差异。AⅠ区、AⅡ区、AⅢ区应力分布具有统计学差异;BⅠ区、BⅡ区、BⅢ区应力分布具有统计学差异;4、L1椎体被分为AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ六个体积不一、大小各异的圆弧状区域,称六分区法;L1椎体中AⅡ区域应力最为集中,称为核心应力区;AⅠ+BⅠ+BⅡ区域占L1椎体应力绝大部分,该区域称为主要应力区;AⅢ+BⅢ区域称为次要应力区。