經(jīng)皮椎體成形術(shù)治療骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的有限元力學(xué)分析

黃 宇 林 晉 陳宣維 許衛(wèi)紅 林建華

(福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科，福建 福州 350005)

1984年法國醫(yī)生Dearmnod首先應(yīng)用經(jīng)皮椎體成形術(shù)(PVP)于臨床〔1〕，近年來，因其創(chuàng)傷小、療效確切等優(yōu)點(diǎn)，已成為治療老年骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折首要選擇。但廣泛應(yīng)用的同時(shí)該手術(shù)的并發(fā)癥逐漸顯現(xiàn)〔2～4〕，其中對于是否提高了鄰近椎體骨折的危險(xiǎn)性，爭議頗大，骨水泥的注射量始終是研究討論的焦點(diǎn)。目前研究普遍表明〔5〕，骨水泥注射容量與疼痛緩解之間沒有顯著相關(guān)性，但是骨折椎體的剛度與硬度的恢復(fù)卻嚴(yán)重依賴骨水泥的劑量，劑量越大，骨折椎體的剛度與硬度恢復(fù)越多。因此，目前普遍認(rèn)為PVP降低了治療節(jié)段發(fā)生新發(fā)骨折的概率，但卻會(huì)增加相鄰椎體發(fā)生骨折的概率。本研究建立胸腰段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的病理三維有限元模型，通過模擬PVP術(shù)在L1 注入臨床常用不同容量的骨水泥(2、4、6、8 ml)，分析手術(shù)前后病椎及鄰近椎體應(yīng)力變化情況。

1 材料與方法

1.1有限元模型的建立 采用的影像資料來自一位35歲男性健康志愿者，取T12～L2節(jié)段1 mm薄層CT掃描影像，圈選椎體輪廓，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MIMICS10.0實(shí)現(xiàn)建立椎體的三維實(shí)體模型，以三維有限元分析軟件ANSYS12.0調(diào)用椎體模型，并手工依據(jù)解剖圖譜測量及文獻(xiàn)報(bào)道的經(jīng)驗(yàn)，添制椎間盤、髓核及椎體后方結(jié)構(gòu)的理想化模型，實(shí)現(xiàn)最終建模(圖1)。

圖1 T12-L1三維有限元模型

1.2材料參數(shù)的設(shè)定 根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道〔6～8〕的經(jīng)驗(yàn)，對椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、后方小關(guān)節(jié)、終板、纖維環(huán)、髓核分別以不同的元件加以模擬，并以恰當(dāng)?shù)姆指罘绞綄⑵渚W(wǎng)格化，設(shè)置相應(yīng)的物理參數(shù)：皮質(zhì)骨彈性模型8 040 Mpa,泊松比0.3；松質(zhì)骨彈性模型34 Mpa泊松比0.2；終板彈性模型670 Mpa泊松比0.4；椎體后部彈性模型2 345 Mpa泊松比0.25；椎間盤纖維環(huán)彈性模型4.2 Mpa泊松比0.45；髓核彈性模型1.0 Mpa泊松比0.499；骨水泥彈性模型3 000 Mpa泊松比0.41，依據(jù)文獻(xiàn)中報(bào)道〔9〕的有關(guān)骨質(zhì)疏松骨密度值和正常骨骼骨密度值的測量數(shù)據(jù)，建立骨質(zhì)疏松模型。依據(jù)Pollketi等〔10〕實(shí)驗(yàn)，將使實(shí)驗(yàn)節(jié)段的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降約35%，這符合既往生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中報(bào)道的關(guān)于骨質(zhì)疏松椎體強(qiáng)度與硬度的結(jié)論。

1.3PVP手術(shù)的模擬 在ANSYS10.0建立好的T12-L2三維有限元模型上實(shí)施模擬操作，模擬PVP手術(shù)過程在L1椎體松質(zhì)骨內(nèi)置入骨水泥，沿椎弓根方向，平行與L1椎體上表面，改變部分松質(zhì)骨單元的材料性質(zhì)為骨水泥(PAMA)的材料性質(zhì)，形成圓柱形骨水泥塊，基本位于椎體中心，容量先后設(shè)置為2、4、6、8 ml。

1.4邊界條件及載荷的設(shè)置 參照Libschner等〔11〕研究中實(shí)驗(yàn)施力設(shè)定與裝置，將所有模型固定在兩個(gè)剛性板之間，下板固定，上板給定軸向負(fù)荷和彎曲力矩，整個(gè)模型采用力量控制，加載軸向應(yīng)力模擬自身重力，將L2椎體底部及后方關(guān)節(jié)突等處的最低點(diǎn)設(shè)置約束，加以固定，文獻(xiàn)報(bào)道4 N·m的彎曲力矩對腰椎各元件的結(jié)構(gòu)不會(huì)造成破壞，因此本實(shí)驗(yàn)給定4 N·m的彎曲力矩，分別向前、向左側(cè)模擬前屈、側(cè)彎，向右模擬旋轉(zhuǎn)。

2 結(jié) 果

隨著骨水泥注入量逐漸增大，如從術(shù)前至4 ml，病椎在不同體位下的應(yīng)力大致都是先逐漸增高，但當(dāng)注入量超過4～8 ml之間，除側(cè)彎體位下，其余體位病椎應(yīng)力均逐漸減小。見表2。

隨著骨水泥注入量逐漸增大，臨近椎體的各體位應(yīng)力變化大致未見明顯改變。隨著骨水泥注入量逐漸增大，病椎在前屈體位下所受應(yīng)力最大，在后伸體位下所受應(yīng)力最??；而臨近椎體在后伸體位下所受應(yīng)力最大，其他體位應(yīng)力較小。見表2。

表2 術(shù)前及注入不同劑量骨水泥不同體位下T12、L1形變及應(yīng)力變化

3 討 論

老年人胸腰段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折是骨質(zhì)疏松最常見的并發(fā)癥之一，輕微外傷即可造成多階段的椎體壓縮性骨折，甚至出現(xiàn)脊髓損傷。其治療包括外科干預(yù)、應(yīng)用抗骨質(zhì)疏松性藥物、功能鍛煉。目前國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用PVP及經(jīng)皮后凸成形術(shù)(PKP)于骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折、椎體血管瘤、椎體轉(zhuǎn)移瘤和骨髓瘤等的治療，均取得了良好的臨床效果。

經(jīng)皮椎體成形術(shù)適當(dāng)?shù)墓撬嘧⑸淞靠蛇_(dá)到止痛和恢復(fù)椎體強(qiáng)度的目的，故一直是臨床研究的焦點(diǎn)。PVP手術(shù)的止痛機(jī)制不明，可能有機(jī)械性、血管性、化學(xué)性、熱效應(yīng)等多方面因素共同參與其中。目前研究普遍表明〔5〕，骨水泥注射容量與疼痛緩解之間沒有顯著相關(guān)性。但是骨折椎體的剛度與硬度的恢復(fù)卻依賴骨水泥的劑量。

Deramond等〔3〕通過調(diào)查分析得出椎體常規(guī)注入骨水泥的量：胸椎4～6 ml、腰椎7～10 ml可取得較好的臨床療效，此后Baroud 等〔12，13〕研究發(fā)現(xiàn)僅小劑量骨水泥填充即可使椎體硬度恢復(fù)到損害前的水平。而在臨床中過少的骨水泥無法恢復(fù)椎體的硬度，過多的骨水泥填充將使椎體的硬度超過完整椎體的水平，進(jìn)而使椎間盤壓力及相鄰椎體負(fù)荷增加，從而增加相鄰椎體骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

本實(shí)驗(yàn)通過建立老年骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的三維有限元模型，探討在不同骨水泥注射量下(2、4、6、8 ml)病椎及臨近椎體不同體位的應(yīng)力變化。研究表明，小劑量骨水泥注入(2～4 ml)，病椎所受應(yīng)力逐漸增加，較大治療量骨水泥注入(4～8 ml)，隨著病椎硬度及剛度加強(qiáng)，其所受應(yīng)力逐漸下降；而臨近椎體在骨水泥注入量逐漸增加過程中，所受應(yīng)力未見明顯改變，故而在能夠避免大治療劑量骨水泥注入所帶來并發(fā)癥(如滲漏)前提下，4～8 ml骨水泥注入量更加有效，且不增加臨近椎體骨折的風(fēng)險(xiǎn)。而在術(shù)前，因病椎在前屈體位下所受應(yīng)力最大，后伸體位下所受應(yīng)力最小，故應(yīng)避免前屈體位而致骨折加重；在術(shù)后，病椎強(qiáng)度及剛度增強(qiáng)，臨近椎體在后伸體位下所受應(yīng)力最大，故應(yīng)避免后伸體位而致臨近椎體骨折風(fēng)險(xiǎn)加大。

有限元法是數(shù)值計(jì)算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用。Belytschko 等〔14〕將有限元分析法首次應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)研究至今，有限元分析廣泛應(yīng)用于脊柱外科學(xué)生物力學(xué)研究中，通過分析可以較為全面的理解胸腰椎各種內(nèi)固定手術(shù)及術(shù)后產(chǎn)生的長期生物力學(xué)改變，尤其是內(nèi)部應(yīng)力的變化規(guī)律，提供融合術(shù)后鄰近脊柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，對預(yù)測手術(shù)的遠(yuǎn)期療效及其并發(fā)癥的預(yù)防具有重要意義。本研究中的脊柱胸腰段骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折，有限元分析法更是具有臨床應(yīng)用前景及獨(dú)特價(jià)值。

由于有限元分析研究方法本身的局限性、脊柱解剖及人體材料的精細(xì)性多樣性、骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折病理過程的復(fù)雜性，本研究選擇骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折好發(fā)區(qū)T12～L2，建立骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折三維有限元模型進(jìn)行PVP模擬，得出大體應(yīng)力分布趨勢，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果將進(jìn)一步應(yīng)用于臨床，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

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