69 / 2021-03-30 22:03:42

应变率对拉压载荷下腰椎间盘破坏力学性能的影响

腰椎间盘突出症,应变率,破裂,疲劳损伤,内部位移分布

目的：腰椎间盘突出症(LDH)是临床引起腰腿疼的最主要原因。腰椎间盘突出症是由于腰椎间盘的纤维环破裂、髓核突出压迫神经根而引起腰痛及下肢放射性疼痛。在日常活动中，腰椎的屈曲、伸展以及侧弯可对腰椎间盘产生拉伸和压缩应力。垂直状态下的椎间盘节段通常会通过终板骨折或椎体压缩而失效，而这种断裂的确切性质取决于应变率。目前研究大多观察到了加载速率会影响腰椎间盘损伤模式的宏观证据，而对于这破坏性载荷条件下纤维环组织水平的应力和应变知之甚少，因此迫切需要实验和理论研究系统地分析不同应变率下椎间盘破裂和疲劳损伤的力学行为。

方法：在4-6小时内从当地屠宰场购买了30头刚屠宰的18个月大小尾寒羊的脊骨。取L1-L2、L3-L4、L5-L6节段，取椎间盘及少量椎体，去除多余的肌肉和软组织。试验样品分为3组。破裂组，取10个脊柱标本，使用万能试验机对腰椎间盘进行压缩、拉伸加载直至破裂，探究不同应变率下对椎间盘破坏力学性能的影响。疲劳损伤组，取10个脊柱标本，在不同应变速率下，观察疲劳损伤对椎间盘的力学性能影响。内部位移组，取10个脊柱标本，采用优化的数字图像相关（DIC）技术测定不同应变率下椎间盘的内部位移分布。

结果：研究结果表明，（1）在不同速率的拉伸和压缩加载下，屈服和破裂现象都会发生，且曲线都由四段特征组成：趾部段、线性段、屈服应变软化段、破坏段。（2） 在压缩加载下，曲线先出现屈服段，再出现破坏段；而在拉伸加载下，曲线先出现破坏段，再出现屈服段，且中间段为线性关系。（3）屈服应力、抗压强度和弹性模量均随应变速率的增加而增大，在不同的应变速率下，椎间盘弹性模量的对数与应变速率的对数近似成线性关系。（4）疲劳应力影响椎间盘的疲劳强度，应力越大疲劳强度越低，同时影响了椎间盘的破裂方式。（5）应变率对椎间盘内部整体位移分布无显著影响。

结论：实验结果表明，应变率对腰椎间盘破裂和疲劳损伤的力学行为有显著影响。通过CT扫描发现，在压缩加载下，椎间盘的破裂形式主要为终板-椎骨严重破裂，终板破裂。而在拉伸加载下，椎间盘主要表现为纤维环撕裂，损伤。疲劳应力对椎间盘的疲劳强度和破裂形式存在影响。本文的研究工作将为临床腰椎间盘疾病早期发现和早期治疗等方面提供理论依据，同时对日常生活中预防腰椎间盘突出症具有重要的指导意义。