森林采伐作业主要是野外作业，工作条件恶劣，劳动强度大，生理和心理负荷大。资料显示，在使用油锯作业中，弯腰姿势占60%~64%(赵文厚等，1997)。同一作业在不同的姿势下人体各部分所受的工作负荷有很大差别，不合理的作业姿势导致了人体上肢、下肢和腰部肌肉及骨骼负荷超过了人体各部分肌肉和骨骼所能承受的生理负荷，极易产生腰背痛，造成脊柱疲劳与损伤。可以说，使用油锯伐木作业工人腰部的疲劳和损伤与腰椎不时受到压、弯、扭等复合力的作用有关。

脊柱作为人体的重要组成部分，在维持正常的生理形态、保持各种运动姿势、承受各种载荷等方面，发生各种力学变化，发挥着重要的力学作用。但由于脊柱在结构形状、材料特性以及承载等方面都比较复杂，以往的试验方法如电测法、光弹法、全息照相等，难以获得全域性信息；而采用有限元法，在脊柱外壳生物力学研究中具有试验方法无法比拟的优势(柴晟等，2007)。

因此，本研究基于有限元法结合CT扫描技术，建立了人体脊柱腰椎节段的三维有限元模型，对使用油锯伐木作业时伐木工人腰椎节段生物力学特性进行研究，对于提高森林作业劳动安全、改善用油锯作业伐木工人的劳动强度、减少伐木工人腰部损伤以及对于职业疾病的预防具有指导意义。

1 腰椎生物力学分析

腰椎是脊柱的主要承重部位，腰椎各部位承受负荷的大小和方式是不一致的。在放松直立位时，椎间盘压力来自于椎间盘内压、被测部位以上的体重和作用在该运动节段的肌肉应力。在躯干屈曲和旋转时，椎间盘的压应力和拉应力均增加。腰椎载荷与体位有直接关系。

使用油锯伐木作业人体处于脊柱前屈时，下腰柱所承受的力：上半身及外加负荷(油锯)作用力(W₁，W₂)；弯腰时作用于椎体上的总负荷由于脊柱的前倾会沿椎骨面产生一向前滑的力即剪切力(S)，向前滑的力S为椎间盘纤维环、关节突间关节、前纵韧带以及椎弓间韧带，部分肌肉如腹肌等所抗衡；向椎骨面挤压力(N)主要来自于外载荷分力、竖脊肌、腹肌等参与活动。脊柱腰椎受力示意图见图 1。

当使用矮把油锯伐木作业时，躯干前倾角度为60°(以树为参考)，矮把油锯质量大约在7 kg左右，本研究受试者25岁，身高170 cm，体重60 kg，根据郑秀媛等(2002)测得的中国人体环节参数，可知，躯干约占整个体重43%，W₁=25.8 kg；头颈和手臂约占整个体重17%，W₂=头颈+手臂+油锯=17.2 kg。根据腰椎解剖结构与郑秀媛等(2002)测得的中国人体环节参数以及本研究的CT图像，可知L₁=32 cm，L₂=55 cm，D=5 cm。

根据杠杆原理，∑M=0，F×D=W₁×L₁+W₂×L₂，解得，维持脊柱前屈的竖脊肌力F=354.3 kg；总挤压力N=F+(W₁+W₂)sin30°=375.8kg; N_X=N×cos30°=325.5kg；N_Y=N×sin30°=187.9kg；剪切分力S=(W₁+W₂)cos30°=37.2kg。

也就是说，此工人在伐木作业时，维持脊柱前屈的竖脊肌肌力为354.3 kg，L₄腰椎上的总挤压力为375.8 kg，剪切分力为37.2 kg，垂直压缩力为187.9 kg。这只是简单的单项计算，但其计算结果却有一定的参考价值。

2 腰椎三维有限元模型的建立与分析 2.1 材料与方法

本研究受试者无腰部疼痛疾病史，无腰部外伤史，X射线检查腰椎未见畸形及蜕变。采用螺旋CT(Siemens Somatom Sensation 10)对受试者腰4椎体上缘至腰5椎体下缘沿横断面连续扫描，CT具有优良的高分辨率扫描功能，并有先进的图像后处理功能和照相输出功能。受试者取仰卧位，扫描条件：选择骨组织窗，层距1 mm，共136层，扫描数据以Dicom 3.0标准直接存储。

2.2 有限元模型的建立与验证 2.2.1 人体腰椎有限元模型建立

采用医学图像处理软件Mimics直接读取Dicom格式CT断层图像，经过区域增长对不同区域进行分割，经3D计算建立脊柱腰椎L₄-L₅三维几何模型。椎间盘界定纤维环和髓核的软组织，以椎间盘为中心做三维图像分割，去除冗余数据，经3D计算建立腰椎L₄-L₅椎间盘的三维几何实体模型。利用Abaqus读取所建立的三维几何实体模型，将面网格模型转化生成体模型，参考人体标本实物形态(张守信，2000)，建立前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和横突间韧带，完成腰椎L₄-L₅运动节段三维有限元模型的建立(图 2)。整个模型的体积为82 941.13 mm³，表面积为19 064.55 mm²。本研究椎体与椎间盘均选择10节点二次四面体单元C3D10M，对于韧带，采用三维仅受拉杆单元TRUSS，非线性材料特性，模型由56 351个单元、21 643个节点构成。

2.2.2 材料属性的设定

本研究根据CT扫描图像的不同灰度值来计算不同材料的密度、弹性模量和泊松比，实现了材料特性非均匀、力学特性各向异性的骨组织的赋值问题。通过计算得到松质骨密度为0.9E-6 kg·mm^-3, 弹性模量2 764 MPa，泊松比2.9；密质骨密度为1.9 E-6 kg·mm^-3，弹性模量16 800 MPa，泊松比2.2。对于椎间盘和人带的材料属性，本研究借鉴前人的研究结果(戴立杨等，1990)，椎间盘(包括纤维环和髓核)弹性模量为3.4 MPa，泊松比为0.39；韧带均设置为非线性材料特性。

2.3 三维有限元模型的验证

有限元模型的建立最终是为临床提供力学基础，为了验证本研究所建模型的有效性，边界条件、约束点、加载方式以及对模型的简化是否合理，在模拟外加载荷情况下，对模型进行垂直压缩、扭转、屈曲和侧屈作用下的平均刚度进行测定，与前人研究结果进行比较(图 3)，比较结果说明本模型试验结果与相关文献报道基本吻合(Panjabi，1998; Turner et al.，1956; 杨春治，2005)，基本达到了建模精度与研究需要，可以说所建三维有限元模型是有效和可靠的，可以应用与临床和试验研究。

2.4 边界条件和加载

模拟使用矮把油锯伐木作业时，L₄-L₅腰椎生物力学变化特性。固定L₅下终板，对模型施加18 N·m前屈力矩，并施加1 879 N轴向载荷；在中立位时，向L₄上终板施加轴向压缩载荷430 N，外载荷均匀分布于终板表面，来观测下腰椎各部位的应力值和位移变化。

3 结果与分析

本研究基于Dicom格式CT图像，借助于医学图像处理和有限元分析软件，建立了腰椎L₄-L₅有限元模型。椎体与椎间盘均选择10节点二次四面体单元C3D10M，对于韧带，采用三维仅受拉杆单元TRUSS，非线性材料特性，模型由56 351个单元、21 643个节点构成。该模型在模拟油锯伐木作业承受前屈力矩与垂直载荷情况下，腰椎各部位的应力变化情况。

使用油锯进行伐木作业时脊柱处于前屈位时，椎间盘所受应力主要集中在外层纤维的中后部，在后部更为明显(图 4)；当仅承受垂直载荷作用时，椎间盘所受应力主要集中在纤维环后外侧(图 5)；以上结果和临床的椎间盘突出常见于常见于后外侧基本相符。

伐木工人处于脊柱前屈时，椎体应力值高于其下方髓核应力值，邻近椎体终板应力明显高于其他部位，此部位出现应力集中现象。椎体后部结构应力集中在小关节上下关节突与椎弓根等位置(图 6)，说明椎体是承受应力的主要部分，椎间盘起到传递载荷的作用。腰椎承受轴向载荷时最大应力产生的部位有椎体松质骨临近终板的中央部位、椎体前方及前下方(图 7)，这恰好是楔形压缩性骨折的好发部位。

当人体腰椎处于不同的运动状态时，腰椎承受的负荷形式不同。当人体处于直立体位时，轴向载荷产生2种形式的力：一种垂直于椎体上终板向下的力矩，另一种是在椎体中心产生的向前的剪切力。向下力矩使椎体在矢状面上产生旋转，水平力使椎体产生平移。因此小关节对抗垂直向下力矩的作用很小，却是抗剪切的重要结构(Koichi et al., 2006a; 2006b)。

在腰椎的运动节段中，小关节和椎间盘、韧带在承载功能上有着密切的联系，共同传递加载于腰椎的负荷，中立位时，后路韧带松弛，轴向载荷由椎间盘和小关节承担。前屈时一方面小关节承载下降，另一方面后路韧带被拉伸，产生向下的拉力，导致椎间盘内压明显升高(Keisuke et al., 2003)。腰椎前屈时上一椎体的下关节突向上向前移位。若是施加单纯的前屈力矩上下关节突分离，关节面不接触，受力为0，本研究的加载方式是模拟森林作业时工人伐木的前屈状态，除前屈力矩外，还承受了体重与油锯产生的轴向压缩载荷，压缩载荷的水平剪切力使关节面接触而受压。因此，在前屈状态下，小关节也承受一定的载荷。

本模型可以应用于腰椎生物力学的可行性理论研究、腰椎生物力学试验仿真研究。任何有限元模型的建立，其最终目的都在于为临床提供力学基础和理论依据，但由于受研究条件的限制，该模型尚未考虑肌肉对脊柱生物力学的影响，同时本模型仅为一个腰椎运动节段，分析结果与多个运动节段的分析结果可能有差异，故模型本身还需要不断地完善。

4 结论

利用医学数字图像通讯DICOM数据直接建模，建立了L₄-L₅运动节段的三维有限元模型，本模型特点：建模速度快、精度高；高度模拟了腰椎的结构与材料特性，具有结构完整、外观逼真、几何相似性好、仿真性高等特点；能够逼真地模拟脊柱的各种运动，进行有限元分析。

使用油锯伐木作业伐木工处于前屈位时，椎间盘所受应力主要集中在外层纤维的中后部，在后部更为明显；椎体应力值高于其下方髓核应力值，邻近椎体终板应力明显高于其他部位，此部位出现应力集中现象，应力分布在皮质骨椎弓周围及邻近终板的地方，椎体后部结构应力集中在小关节上下关节突与椎弓根等位置。

使用油锯伐木作业，伐木工处于中立位时，椎间盘所受应力主要集中在纤维环后外侧；腰椎所承受的轴向载荷最大应力产生的部位有椎体松质骨临近终板的中央部位、椎体前方及前下方，这恰好是楔形压缩性骨折的好发部位，上下关节突亦受压。