作者：湖北省中医院（湖北中医药大学附属医院）     蔡一杰

腰痛（LBP）仍然是全球致残的主要原因之一，受影响人群逐年增加，尽管腰痛的年龄标准化发病率略有下降，但由于人口老龄化，实际患者总数不断增加，全球估计腰痛的患病人数超过6亿人，预计到2050年发病率将继续上升。椎间盘退变不仅影响脊柱的生物力学特性，还可能引起脊柱稳定性下降，进而导致退行性病变。传统方法如尸体实验和影像学分析在模拟病理变化和评估治疗效果方面存在局限，因此有限元分析成为研究椎间盘退变的重要工具。有限元法（FEM）通过三维生物力学模型模拟退变节段的椎间盘力学行为，分析其对脊柱运动和邻近节段稳定性的影响。本文将系统回顾FEM在椎间盘退变研究中的应用，并分析当前在这一研究领域面临的挑战与未来发展方向。

有限元建模方法

有限元模型包括椎体、椎间盘、韧带和软骨终板等结构，旨在模拟脊柱在不同工况下的生物力学响应，分析脊柱在不同运动中的力学行为（图1）。建模几何数据主要来源于CT成像或者磁共振成像（MRI），通过图像分割、阈值设定等方式提取椎体与椎间盘结构。为减少噪声干扰并提高模型精度，研究者常采用医学图像处理软件对断面进行重建（图2）。部分学者也尝试通过X线或几何参数的方式构建简化模型以满足临床快速筛查需求。此外，统计形状模型（SSM）可实现自动识别标志点，适用于大样本建模与个性化分析。

椎间盘区域因其软骨结构在CT图像中显示不清，建模更依赖经验参数与软件辅助构建。髓核常被设置为含水量高、弹性模量低的非线性材料；纤维环由多层纤维组织组成，其材料属性包括弹性模量、泊松比和纤维取向等；软骨终板则被模拟为一种各向同性的超弹性材料。在退变建模中，研究者通常通过调整材料属性（如弹性模量、泊松比、渗透性及含水量）和改变几何参数（如椎间隙高度、纤维环厚度等）以模拟退变进程进一步探讨椎间盘退变过程中不同因素对生物力学特性的影响。为了提高计算效率并适应动态模拟需求，部分研究引入粘弹性梁单元、多孔弹性结构或混合模型结构，兼顾建模精度与计算速度。上述建模流程为IDD过程的生物力学机制研究及多种治疗方案的有限元仿真分析奠定了基础。

目前用于退变分析的研究方法主要包括影像学分析、体外实验和有限元仿真。影像分析适用于活体大样本研究，但无法量化生物力学变化。体外实验具备真实测量优势，然而尸体样本稀缺且难以模拟退变过程。FEM则凭借变量可控、病理演化可模拟等特点，成为当前主流方法，但亦依赖模型精度与验证支持。

模型的验证

有限元模型的准确性验证是确保其分析结果可靠性的前提。常用验证方法包括将模型模拟结果与体外实验数据、文献报告或影像学测量值进行比较，验证指标主要涉及椎间盘运动范围（ROM）、椎间盘内压和关节负荷等关键生物力学参数。其中，ROM验证最为常用。在典型的屈曲、伸展、侧弯和旋转等加载条件下，对模型预测的节段运动角度与实验结果进行比对。Rohlmann等研究中给出的正常腰椎ROM参考范围可作为标准，通常要求有限元模型的运动范围误差控制在±5%以内，方可认为其具备良好的仿真有效性。若误差较大，可能需重新调整边界条件、材料参数或接触设置。此外，还可采用椎间盘内压、关节面接触力等指标进行辅助验证。部分研究通过压力传感器测得的椎间盘内压与模拟数据进行对比，验证模型在复杂加载条件下的响应能力。联合多个验证指标，可进一步增强模型在退变模拟、术后评估及个性化临床决策中的应用价值。

椎间盘退变的致病机制与力学影响

椎间盘退变是由多种内外因素共同作用引起的复杂生物力学过程。长期处于振动环境（如职业驾驶）被认为是主要诱因之一。实验研究表明，在8Hz与11.5Hz振动激励条件下，腰椎椎间盘内可观察到变形、孔隙压与应力的显著周期性波动；相较之下，低频激励（如1Hz与4Hz）则表现出较为稳定的力学响应。振动持续作用还会导致椎间盘轴向位移累积，进而诱发液体外渗及髓核区域孔隙压与有效应力的持续升高。尤其是当伴随骨质疏松时，全身振动对腰椎影响更显著，可加速节段退变进程。振动诱发的应力集中于纤维环区域，增加结构疲劳风险，并显著改变椎间盘振动响应与稳定性。除振动外，久坐、肥胖、吸烟、骨质疏松、肌力失衡等因素也会加速椎间盘退变。髓核脱水、椎间盘高度下降是退行性过程的早期表现。骨质疏松导致椎间盘变形增强，脊柱承载能力下降，形成恶性循环。不同坐姿对椎间盘退变影响差异显著，屈曲坐姿风险最高，直立坐姿则相对安全。肥胖则加重脊柱负荷，应力与变形增加，是诱发退变的重要危险因素。在骨质疏松个体中，应力变化更显著，骨折与退变风险同步增加。此外，椎间盘造影等介入操作也可能引起局部变形与应力异常，干扰髓核减压特性，改变其生物力学环境。椎体结构的完整性对于维持椎间盘力学平衡至关重要。有限元研究表明，完整的后柱结构可维持纤维环形态，而其缺失或破坏将显著加速椎间盘退变。

退变椎间盘的生物力学分析

椎间盘退变可改变脊柱的生物力学特性，其影响不仅局限于退变节段，还通过力学耦合对邻近节段及整体功能产生连锁效应。退变椎间盘刚度的增加通常导致其运动范围下降，但邻近未退变节段的运动范围则因代偿而增大，尤其在屈曲与侧弯运动中，邻近节段的旋转角度显著增加。这可能加重其力学负荷并诱发继发退变。随着退变的加重，椎间盘的内压力显著下降，而纤维环和后柱关节的应力集中增加。椎间盘后区的应力和变形更大，这使得后部更容易受到损伤。退变还会引起载荷传导路径改变，由髓核向纤维环转移，破坏正常应力分布模式。严重退变时，压缩应力峰值向背侧偏移，促使纤维环膨出，增加节段不稳的风险。此外，退变椎间盘的生物力学改变可通过力学耦合影响邻近节段，导致邻近节段应力集中和运动代偿增加，从而增加继发退变风险。Hsiao等指出，在动态稳定装置的作用下，邻近节段的应力集中现象依然存在，特别是在退变较严重的情况下。此外，相邻节段的生物力学表现显著受到退变节段应力分布变化的影响，从而增加其退变风险。椎间盘退变常伴随腰背痛的发生，DeLucca等指出，退变导致软骨终板的渗透性降低，影响髓核的营养供给，从而进一步加剧退变过程。这种营养供给不足与椎间盘组织的机械功能下降密切相关。与此同时，退变还会显著增加后柱结构的应力集中，可能引发急性疼痛或慢性炎症。

有限元在椎间盘退变治疗中的应用

在治疗椎间盘退变的过程中，FEM作为重要的生物力学评估工具，通过模拟不同治疗方案，预测脊柱变化，为椎间盘退变治疗提供了重要的建议。治疗方案主要包括椎间盘融合术及其变型、动态内固定与混合稳定技术、创新性椎间盘假体与植入物设计以及辅助治疗方案。临床上常用手术方式之一为腰椎椎间融合术（TLIF）和后路腰椎椎间融合术（PLIF），通过融合退变节段来恢复脊柱稳定性。采用体内和体外相结合的方法，利用双荧光透视成像系统测量融合前后相邻椎间盘高度的变化，发现融合术后相邻椎间盘后缘高度显著降低，纤维环后外侧区域应变和应力显著增加，椎间盘内压力升高。这种力学环境改变可能加速相邻椎间盘退变进程，因此椎间盘融合术可增加邻近节段退变风险。虽然不同板-椎间盘距离对相邻椎间盘的应力影响不大，但其对植骨、钛板和螺钉的应力影响显著，较短的椎间盘距离可提供更好的稳定性，预防并发症的发生。

Cao等研究表明，topping-off技术结合动态内固定可有效降低邻近节段应力，提高整体稳定性，而过度融合可能会加剧邻近节段的负荷。进一步的研究分析了不同融合技术对邻近节段的影响，结果表明，增加节段刚度有助于维持退变节段的高度，但可能通过增加邻近节段的应力集中和运动代偿，加剧其力学负荷异常，从而加速退变进程。在传统治疗方法的基础上，新型椎间盘假体和核假体的生物力学特性也得到了广泛研究。通过优化植入物的形状和材料属性，改善椎间盘的轴向承载能力及其对周围结构的保护作用。例如，螺旋核假体在早期退变中表现出较好的高度恢复和内压维持能力，减轻了髓核损失带来的负面影响。通过有限元模型的生物力学对比研究发现：相较于传统融合技术，非融合技术（如Dynesys动态固定系统）不仅能有效维持手术节段生理ROM，还可将邻近节段应力增幅控制在12.7%以内，通过保留脊柱部分运动功能的设计机制，降低邻近节段退变发生率，为延缓退变进程和减少术后并发症提供了生物力学依据。混合稳定系统则通过“刚性融合+弹性稳定”的复合设计，在固定严重退变节段的同时，利用粘弹性阻尼机制保留相邻节段部分运动功能，显著减少邻近椎间盘应力集中。此外，椎弓根钉的动态内固定系统在屈曲时可能会导致椎间盘后突增加，但在伸展、侧弯和轴向旋转时则能减小突出的幅度，从而优化退变节段的负载分布。Chen等在传统的动态中和系统（Dynesys）的基础上进一步提出了一种新型腰椎棘间装置，通过动态稳定实现脊柱不同节段的保护和应力分布的平衡，该装置在侧向旋转和弯曲方向上提供了更好的节段稳定性，同时减轻了邻近节段的应力集中，相较传统系统，表现出更优的长期效果。

尽管国际研究在个体化建模、多物理场耦合等方面取得较大进展，如通过MRI构建个性化模型，或融合代谢模型模拟水分扩散与应力响应，但国内研究仍主要集中于CT建模与术后固定方式评估，部分研究在融合节段刚度分析方面取得进展。当前仍缺乏术后长期仿真随访、多因素并发模拟及高通量个体建模研究，需进一步完善。

小结与展望

FEM通过高精度建模与动态力学模拟，系统揭示了IDD的生物力学机制，包括应力重分布、邻近节段代偿效应及退变级联反应，并在融合术、动态固定及植入物设计的疗效预测中展现出独特优势，为临床决策提供了量化依据。但模型简化导致的软组织力学贡献缺失、个体化建模的高计算成本及多物理场耦合的复杂性仍是当前主要瓶颈。未来研究可聚焦于人工智能与多组学数据融合，通过自动化建模与“力学-生物学”分析提升模型预测精度，同时结合临床长期随访验证其可靠性，推动FEM从理论研究向精准诊疗转化，为IDD的机制解析与治疗优化开辟新路径。

来源：中国矫形外科杂志2026年5月第34卷第10期