椎体成形术治疗OVCF生物力学研究中有限元分析的运用

　　摘要：对于骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)的治疗，椎体成形术已成为临床上治疗该病的常用方法，早期使用椎体成形术对椎体进行有效撑开，防止了椎体的进一步塌陷和脊柱力学失稳，减少了卧床并发症，提高了患者的生活质量，具有较好的临床疗效。同时，进一步明确椎体压缩骨折发生的生物力学特点和机制对该病的防治具有重要临床价值，随着计算机软件开发和应用的飞速发展，有限元分析(FEA)在骨科生物力学研究中的应用已经非常成熟。FEA因其具有数字化建模、仿真度较高及运算精准等优势，在椎体成形术治疗OVCF的生物力学研究中应用日趋成熟，并且取得了一定的研究成果。文章通过综述近年来FEA在OVCF生物力学研究中的应用情况，重点分析了椎体成形术治疗OVCF术前、术后以及椎体本身及相邻椎体的生物力学特性变化规律的FEA成果，从力学机制角度对该病的防治策略提供思路，以进一步指导临床实践。

　　关键词：有限元分析; 椎体成形术; 骨质疏松性椎体压缩骨折; 生物力学; 研究进展;

　　Advances in the application of finite element analysis in the biomechanical study of vertebral augmentation in the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures

　　QUAN Zhen QIN Da-ping ZHANG Xiao-gang SONG Min ZHANG Hua YU Hai-yang CAO Pan-ju MA Tao CHEN Bo

　　School of Clinical Medicine, Gansu University of Chinese Medicine Affiliated Hospital of Gansu University of Chinese Medicine

　　Abstract：For the treatment of osteoporotic vertebral compression fractures(OVCF) of vertebroplasty has become a commonly used method for the treatment of the disease, clinical early use of vertebroplasty to effectively open of vertebral body, to prevent further collapse of vertebral body and the instability of the spine mechanics, reduced the laid-in-bed complications, improve the patient's quality of life, has good clinical curative effect. At the same time, further defining the biomechanical characteristics and mechanism of vertebral compression fracture has important clinical value for the prevention and treatment of this disease. With the rapid development of computer software development and application, the application of finite element analysis in orthopedic biomechanics research has been very mature. Due to its advantages of digital modeling, high degree of simulation and accurate calculation, finite element analysis has been increasingly mature in the biomechanical research of vertebroplasty for the treatment of OVCF, and certain research results have been achieved. This article through studies in recent years, the finite element analysis in OVCF in biomechanical research, the application of the key for the treatment of vertebroplasty of OVCF in preoperative, postoperative and vertebral body itself and the adjacent vertebral body biomechanics changes. From the perspective of mechanical mechanism, the prevention and treatment strategy of the disease is provided to further guide clinical practice.

　　骨质疏松症（osteoporosis,OP）是以单位体积内骨量减少，骨密度降低，骨皮质变薄及骨微观结构发生破坏为主要特征的致使骨折危险性增大的一种骨代谢性疾病[1]。本病属于中医“骨痿”“骨枯”等范畴，多发于绝经后女性，这与绝经后体内雌激素急剧下降有关[2]。流行病学研究显示，OP在全球的发病率已跃居各种多发病、常见病的第7位，专家预测到2050年，全世界60岁以上的老年人口将增加到16亿，中国已成为世界上OP患者最多的国家，我国老年人OP发病率男性约占60.72%，女性约占90.84%[3,4]。临床上，OP常并发椎体压缩骨折，且以胸腰椎较多，与胸腰段特殊的生物力学环境有关。骨质疏松性椎体压缩骨折（osteoporotic vertebral compression fracture,OVCF）是在椎体本身骨质疏松的情况下，低能量暴力甚至自然状态下发生的椎体的压缩骨折，轻者可致椎体塌陷，高度丢失，脊柱后凸畸形，重者椎体爆裂骨折，压迫脊髓神经，甚至截瘫[5,6]。因此，尽早进行椎体强化干预，恢复椎体的高度，维持脊柱的稳定性是治疗的关键，椎体成形术是当前治疗OVCF的常用方法，具有微创理念、镇痛理想、患者早期下地等优势[7]。该方法主要通过撑开了压缩骨小梁，恢复了椎体高度，改善后凸畸形，调整脊柱生物力学平衡，维持了脊柱的稳定性，减少了卧床并发症，提高了患者的生活质量[8]。但临床上发现椎体成形术部分患者出现椎体应力集中、邻椎再骨折等，其骨折再发生的核心仍是一个力学问题，为了进一步深入研究其骨折发生的生物力学机制及特点，有限元分析（finite element analysis,FEA）作为生物力学研究的一种有效方法，在骨科生物力学的研究应用中非常成熟，本文就FEA在椎体成形术治疗OVCF的生物力学研究中的应用展开综述。

　　椎体成形术在OVCF治疗中应用

　　1.传统聚甲基丙烯酸甲酯水泥（PMMA）在椎体成形术治疗OVCF中的应用

　　传统PMMA椎体内强化是治疗OVCF的常用方法，增加骨折椎体的强度和刚度，防止椎体进一步塌陷，达到快速缓解疼痛，减少卧床并发症，患者早期下地活动等目的[9]。但传统PMMA进行椎体撑开虽然已经广泛应用于椎体压缩骨折的治疗，但其远期疗效仍然有待进一步验证。张圣飞等[10]认为椎体成形术后传统PMMA渗漏对椎间盘结构造成破坏，使其缓冲减震效应下降，椎体局部应力发生变化，使邻椎发生骨折的可能性增高。Yong-xian li等[11]对椎体成形术后影响椎体发生再次塌陷的因素进行了分析，认为传统PMMA剂量不足和骨水泥分布不均匀是导致椎体再次塌陷的主要原因。Yimin Qi等[12]发现利用经皮球囊扩张椎体成形后注入PMMA在治疗椎体压缩骨折时，在球囊撑开过程中，球囊紧缩可能会导致撑开的椎体高度在丢失，影响复位效果，导致复位的间接丢失。Bong Gun Lee等[13]通过回顾性研究方法对PMMA椎体强化术后新发OVCF的危险因素进行了分析，发现腰椎骨密度数值的降低和患者年龄的增大是导致术后腰椎再发骨折的主要危险因素，因此，需要在临床治疗中高度关注，根据患者的骨密度情况以及随着患者年龄的增加早期防治骨质疏松性椎体压缩骨折的发生。Jin Liu等[14]对比研究了单、双侧不同入路注射PMMA后的水泥渗漏情况，发现经双侧入路的椎体成形术的骨水泥分布更均匀、硬膜外水泥渗漏率更低。Weibo Yu等[15]通过随机对照研究对OVCF间隙PMMA的分布特点与临床远期预后优良结果进行了研究，基于腰椎影像诊断以cobb角、以及临床症状作为评估指标，分析了使用团块实体型骨水泥和相对弥散型骨水泥治疗椎体压缩骨折后再发骨折的危险性，实验结果发现应用相对弥散型的PMMA骨水泥分布模式具有相对较好的影像学结果和临床满意度。Junxin Zhang等[16]进一步基于椎体成形术PMMA骨水泥的形态以及是否粘连对其疗效进行了评价，主要对骨水泥融合型和分离性的临床疗效进行了对比研究，发现术后骨水泥融合型的VAS评分，ODI指数及椎体前高度（AVH）均优于分离型，具有更好的临床疗效。总之，目前临床对于OVCF的治疗主要使用传统PMMA进行椎体撑开复位，其短期疗效明确，对椎体进行有效撑开后，迅速缓解患者疼痛并且能使患者早期下地，但随着该材料在临床使用中不断深入，其远期疗效的诸多不确定性因素也逐渐暴露。

　　2.OVCF治疗中的新材料、新技术应用概况

　　传统的PMMA在OVCF的治疗中的缺陷逐渐显现，椎体压缩骨折治疗新材料、新技术不断得到应用。Meyer C等[17]通过有限元方法模拟了同一椎体分别使用PMMA和无铝玻璃聚烯烃水泥（GPC）两种填充材料进行撑开，力学实验结果发现经GPC增强后椎体的最大应力较传统骨水泥降低了1/2，产生了更低水平的应力应变，因此，在研究中发现应用GPC对压缩骨折椎体进行撑开复位相比于传统的PMMA具有更好的生物力学性能，这使GPC有望成为一种有益于治疗椎体压缩的新材料。Xin Sun等[18]发现单纯骨水泥实体不具备生物活性，无法诱导和促进骨组织再生，在骨水泥缺陷的基础上制备了新型PMMA/硅酸盐生物陶瓷（CS）复合水泥，使得新型PMMA/CS复合骨水泥具备了生物活性和可降解性，发现复合骨水泥术后6个月复查结果较单纯PMMA明显促进了新生骨的生成。椎体成形术治疗OVCF的手术方式也在不断更新，Wang P等[19]在球囊扩张椎体成形术的基础上发明了新型定向球囊技术，相比于传统术式明显缩短了手术时间，减少了骨水泥渗漏，提高了早期疗效。Cheng Y[20]在经皮椎体成形术基础上设计了经皮椎体弯曲成形技术，该技术通过独特的椎体弯曲角成形装置，相比于传统的直角金属套管弯角穿刺针能够探查到更多的骨折间隙，使骨水泥分布更加均匀。Ghavimi S A A等[21]在临床研究中发现传统PMMA不具备生物活性和可降解性能，其设计了以壳聚糖为基础的水凝胶骨水泥制剂，并利用水凝胶测试了生物活性磷酸盐离子生物活性，实验结果表明复合水凝胶具有一定的骨诱导作用，同时生物力学实验显示出了更好的抗压强度和稳定性。Xu B等[22]设计了由聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成的新型骨填充网袋，与骨细胞生物相容性良好，术中通过网袋间隙缓慢将骨水泥向小梁裂隙中弥散，使骨水泥和小梁形成绞索衔接，降低了传统手术骨水泥渗漏的风险。

　　当然，利用椎体成形技术治疗OVCF的过程中，也会出现一系列的骨水泥相关性并发症，以骨水泥渗漏最为多见。Stefano D’Errico等[23]报道了一例术中非常严重的骨水泥肺栓塞并发症的案例，在利用骨水泥椎体成形术治疗椎体压缩骨折中水泥微颗粒进入循环系统，在偏振光检验设备的辅助下检测到了骨水泥微颗粒导致的肺栓塞。Bingchuan Liu等[24]研究发现，经皮椎体成形术后相邻椎体间出现“椎间桥合骨化”现象，认为在脊柱发生退行性变的基础上应用骨水泥椎体强化治疗后加速了椎间桥合骨化的发生，这种椎间桥合效应提升椎体局部稳定性的同时也使得邻椎骨折的危险性增加。

　　FEA在脊柱生物力学研究中的基本原理

　　FEA在20世纪70年代初开始被应用于脊柱生物力学研究中[25]。1974年Belytschko T[26]首次应用有限元方法进行脊柱生物力学研究，意味着FEA在脊柱生物力学研究中开始得到应用和发展。近年来，随着计算机软件开发和应用技术的进一步发展，FEA在模拟骨科系统实验建模方面取得了长足发展，并取得了一系列力学成果[27]。FEA是一种基于离散化的数值计算方法，其通过对有限单元、自由度、节点等实验条件的控制，运用计算机技术模拟人体的真实的受力情况，该方法已经在骨科生物力学研究领域当中得到了广泛的应用[28]。其基本原理是将无限个质点构成的自由连续体分割为有限个小单元组成的集合体，以节点的方式将小单元衔接，通过节点传递作用力，明确每个单元的材料属性和受力载荷，推导每个小单元作用方程，计算出每个单元的刚度矩阵，每个小单元的刚度矩阵最后集合成总刚度矩阵，运用数字表达出来[29,30]。人体的生理环境和承载特征极其复杂，传统实验方法已经很难适应人体脊柱生物力学研究，而FEA在脊柱生物力学研究方面则发挥了不可替代的优势，具有力学测试精准、数据客观真实以及可多次重复等优势[31]。此外，FEA将医学与工程力学紧密结合，在骨科生物力学研究领域中发挥了重要作用[32]。

　　FEA在OVCF模型的建立

　　1.基于原始CT、MRI数据及冰冻切片构建胸腰椎三维有限元模型

　　胸腰椎一般指的是脊柱的T11-L2节段，在人体脊柱组成结构中位置较为特殊，该部位处于相对固定的胸椎和活动度变化较大的腰椎节段的移行区域，处于应力集中点，在OP的基础上常常并发OVCF[33]。因此，进一步分析OVCF的力学机制，预防骨折的发生成为了临床研究的热点。传统建模通常是采用实体建模或动物建模方法，其在建模以及实验操作方面具有一定的局限性。近年来，随着图像处理和计算机技术的进步，FEA广泛应用于胸腰段椎体生物力学的研究当中，其为胸腰椎骨折有限元模型的建立提供了简易化的研究模式。将DICOM格式的CT或MRI数据导入Mimics软件，进行原始模型的提取与转化，阈值分割命令进行图层分割，区域增长命令进行原始模型提取，并以STL格式保存；应用Geomagic Warp软件进行特征去除、光顺、探测轮廓线、生成曲面片、构造格栅及曲面实体拟合，并以STP格式保存；Solidworks软件以CT原点重合的形式进行零件结构的组装、附属结构的生成等操作，零件装配完毕后，将装配好的三维模型转化为零件格式，在曲面、特征命令的基础上，设置等距曲面，通过分割、组合方式，生成上终板、下终板、椎间盘、髓核、关节突关节、骨水泥、皮质骨及松质骨等结构。最后应用Ansys Workbench软件添加材料属性、边界条件、坐标及载荷设定及力学分析等操作[34]。

　　2.胸腰椎三维有限元模型的有效性验证

　　有限元力学实验是一种模拟实验，所建立的模型应该尽可能的与真实结构相近，对其实验有效性应该进行验证，以便于下一步实验的顺利进行，对模型进行网格划分、材料赋值及连接关系后，将L2椎体下表面设置为固定，并在T11椎体上表面设置垂直压缩载荷及扭矩，得出实验结果后与标准的脊柱有限元实验力学结果相对比，以判断所构建模型的有效情况，评判其是否可以适用于进一步的模型处理和FEA。李强[35]利用有限元软件使用1名T12椎体压缩骨折患者的pvp术后冠状位、矢状位和横断位的CT影像数据，成功建立了椎体成形术后的T12单椎体的三维有限元模型，运用有限元软件对术后强化椎体及附件组织的受力分布情况进行了力学分析。管华清[7]运用有限元软件成功建立了T11、L1骨质疏松性三明治压缩骨折的三维有限元模型，并基于有限元软件对夹心椎上下终板、关节突和椎弓根等部位的应力分布情况进行了实验观察。卢昌怀等[36]应用正常人的胸腰椎CT扫描数据利用有限元软件通过改变骨组织的弹性模量，并根据穿刺方式和骨水泥剂量，在骨质疏松椎体内形成相应的骨水泥单元，最终建立了以分析骨水泥剂量和分布方式的OP三维有限元模型，并通过压力加载，分析了邻近椎体的生物力学性能。Zhao W T等[37]利用4例T11-L1的CT影响数据模拟了不同程度的T12椎体压缩骨折骨水泥圆柱体增强后的三维有限元模型，并成功模拟了在垂直压缩以及弯曲载荷下的T12椎体的等效应力变化情况。

　　有限元模型建立是一个复杂的过程，而且模型处理必须精细精准，否则将实验结果将会产生误差，甚至无法计算出正确的实验结果[38]。在有限元建模过程中，利用Mimics软件基于患者的CT或者MRI数据对原始模型进行提取；利用Geomagic逆向工程软件对提取的原始模型进行光顺、降噪、优化处理，同时利用拟合曲面工具将三维模型拟合成曲面实体；再利用Solidworks软件对模型结构进行深度优化，添加椎间盘、关节软骨、终板、髓核及韧带等组织，对下一步进行有限元计算做好前处理工作；最后利用Ansys FEA软件对模型赋予材料参数，划分网格，同时设置加载方式和边界条件，然后进行有限元运算，得出的生物力学数据主要以应力云图的形式呈现。总之，有限元建模在骨科生物力学研究中已经相当成熟，但其同样存在技术难点需要突破，比如关于韧带的模型方式当前研究尚不统一，大多数韧带以线性弹簧代替，但实体韧带的模拟，当前研究尚少。因此，FEA在建模过程中仍需要不断突破和探索，使模型越逼近真实越好。其中，弹性模量选择、模型结构准确度、网格划分的规范度等一系列因素均能对最后的力学数据产生影响。

　　FEA在椎体成形术治疗OVCF的生物力学研究中的应用

　　通过建立OVCF椎体成形术实验模型，模型建立成功后，设定合适的边界条件，对模型施加载荷，观察其应力分布情况，是应用FEA脊柱生物力学变化的基本流程[39]。唐勇涛等[40]建立了不同增强方式下OVCF的PKP有限元模型，探讨不同增强方式下伤椎及邻近椎体的生物力学特性，发现前中柱增强时，伤椎及邻近椎体应力峰值较低，尤其全椎体增强时应力最小，指出应力下降与强化部位和范围关系密切。杨小彬等[41]建立了OVCF患者PKP术后有限元模型，测试了骨水泥注射剂量与伤椎及邻近椎体生物力学性能之间的关系，发现注射剂量与邻近椎应力呈线性相关，同时揭示了邻近椎体应力分布于伤椎局部成角的关系，为临床上治疗OVCF时注射骨水泥剂量提供了理论参考依据。蒯永丽[42]建立了骨质疏松性L2椎体压缩骨折的术前、术后及术后功能锻炼的三维有限元模型，研究了PKP术后结合功能锻炼时，相邻椎体及椎间盘的生物力学变化情况，3组进行相同压缩载荷模拟，发现术后锻炼组的椎体及椎间盘的应力和最大形变明显减少，考虑这与椎体强化结合术后锻炼增强了椎体的稳定性和软组织的约束性有关系。费琦等[43]利用一例T12椎体压缩骨折PKP治疗前后的三维有限元模型，研究了经皮椎体成形术后相邻椎体及软组织的应力分布和变化情况，通过对模型施加不同力度载荷轴向压力，发现强化椎相邻椎体、椎板及椎间盘的应力明显增加，远端椎体应力增加不明显，这就为椎体强化后邻近椎体继发骨折提供了实验生物力学依据。郭秀珍等[44]建立了胸腰段骨质疏松性胸腰椎三明治压缩骨折的PKP和PVP三维有限元模型，比较使用两种方法进行椎体强化后夹心椎的应力和形变情况，发现PKP模型组夹心椎的应力变化和形变明显减少，证实了胸腰椎三明治骨折使用PKP具有更好的临床疗效。赵文韬等[45]建立了4例T12 OVCF骨水泥强化术后不同高度的T11-L1节段三维有限元模型，研究了在不同程度骨水泥强化术后，进行不同方向的压缩载荷时对相邻椎体应力变化的影响，揭示了伤椎高度丢失与邻近椎体应力增大呈正相关。李家琼等[46]对不同程度OP患者L1压缩椎体注射不同剂量骨水泥，建立T11-L3节段OVCF的有限元骨水泥增强模型，研究不同程度OP下，对L1椎体进行不同剂量骨水泥强化，模拟5种工况不同压缩载荷下，脊柱胸腰段生物力学变化情况，结果表明，在施加不同载荷及注射不同剂量骨水泥情况下，随着骨质疏松程度增加，扭转载荷下L1椎体应力增加和位移变化最为明显，故认为增加骨水泥剂量和重度骨质疏松情况下L1椎体应力和位移变化最为突出。

　　同时，骨水泥不同注入路径对生物力学影响也较明显，刘祥飞等[47]建立了L1椎体单双侧穿刺PVP有限元模型，研究不同穿刺方式下椎体的生物力学变化效应，指出单侧较双侧穿刺时最大应力、应变均有所增加，且L1椎体的上终板应力较为集中。脊柱生物力学研究在骨科整体生物力学研究中重要的一环，力学机制和特点相对来说比较复杂，应用有限元方法使脊柱复杂的力学问题简单化，为脊柱生物力学的研究和发展提供了新途径。Marta Kurutz等[48]对椎体成形术和椎体后凸成形术预防性治疗OVCF相邻椎体骨折的临床有效性进行了生物力学试验，发现利用椎体成形术在邻椎非骨折椎体的预防性治疗中，骨水泥通过松质骨骨小梁间隙弥漫性增强，使得“骨-骨水泥界面”应力传递更平稳，能够更好的预防邻椎的骨折的发生，而在椎体后凸成形术治疗中，水泥云集中在球囊腔中，未与椎体小梁形成交叉弥散分布模式，此时在骨-骨水泥界面处产生最大的应力峰值，邻椎骨折的危险性增加。Peng Y等[49]认为椎体成形术后引发相邻椎体再骨折的力学诱因可能与骨水泥的刚度过大相关，为了验证这一假说并寻求合适的骨水泥刚度范围，建立了T11-L1的三维有限元模型并进行了有效性验证，研究T12椎体注入不同刚度骨水泥的生物力学效应，试验结果发现伤椎注入骨水泥弹性模量的增加与邻椎继发骨折呈正相关，最后认为选用合适骨水泥的刚度范围对于预防伤椎及邻椎骨折具有重要意义。Badilatti S D等[50]在前期研究结果中发现，椎体成形术主要是为了恢复椎体骨折后的机械强度，但同时也适用于预防性OVCF的防治，并通过建立腰椎三维有限元模型研究了骨水泥对骨增强刚度的影响，发现预防性椎体成形术在生物力学角度对骨骼微观结构的影响较小，具有更好的生物力学稳定效应，但仍然存在椎体骨折和骨水泥渗漏等并发症。Ottardi C等[51]通过建立胸腰段三维有限元模型，对椎体成形术和后凸成形术治疗椎体压缩骨折的力学机制进行了对比研究，发现后凸成形术在椎体塌陷的治疗中相比于椎体成形术椎板应力存在显着降低的趋势，且椎体前壁恢复越完全应力峰值降低幅度越大，邻椎骨折的危险性也降至最低。Cho A R等[52]通过建立L1-2的三维数字有限元模型，基于载荷、位移控制方法对相邻椎体的最大应力分布情况进行了研究，发现在位移控制条件下骨水泥增强后相邻L1椎体的最大等效应力明显增加，说明骨水泥的刚度增加的同时邻椎骨折的风险呈上升趋势，在临床应用中应该注意骨水泥刚度的控制，以预防OVCF级联的发生。

　　小结

　　近年来，随着计算机技术的飞速发展和软件开发技术的不断进步，FEA已成为研究脊柱生物力学的常用工具。相比于传统实体研究和动物研究，FEA能够真实反映椎体内部结构应力应变情况，为OVCF的生物力学变化提供量化指标和客观数据[53]。FEA由于其建模的数字化强、仿真度高等优势，在OVCF生物力学研究领域得到了广泛的应用，是一种简便易行、创新可靠的骨科生物力学基础及临床研究的有效方法。为临床上OVCF的预防和治疗提供了力学参考[54]。目前有限元方法在脊柱硬性结构研究领域得到开发应用，而在脊柱软性组织生物力学研究方面类似文献报道相对较少，尽管OVCF经常发生于椎体前中柱，但严重的OP引起的椎体爆裂骨折常涉及椎体中柱甚至后纵韧带复合体。鉴于此，对于应用FEA建立椎体邻近软性组织模型并探讨其生物力学机制，具有重要临床价值，能进一步扩大FEA的应用范围和临床研究适应性。总之，通过有限元方法研究OVCF相关的生物力学机制，从脊柱骨折的生物力学角度分析椎体骨折级联发生的力学依据，对临床上制定预防和治疗措施具有重要理论参考价值，从而减轻OVCF的发生率，提高临床疗效，改善患者生活质量，减轻患者的痛苦和负担。

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