單側與雙側入路椎體成形后椎間盤生物力學分析

隆全利 任國玲 孟麗 孫建筑 白勝輝 胡建威

（唐山市豐潤區(qū)人民醫(yī)院 河北唐山 063000）

單側與雙側入路椎體成形后椎間盤生物力學分析

隆全利 任國玲 孟麗 孫建筑 白勝輝 胡建威

（唐山市豐潤區(qū)人民醫(yī)院 河北唐山 063000）

根據(jù)患者的CT圖像資料建立椎體的L1到L2三維有限元模型，然后將材料信息輸入，設立模型的邊界條件，將軸向負載， 施加在有限元模型上，模擬人體重力方向。根據(jù)結果評價單側及雙側入路椎體成形術后椎間盤應力分布情況。隨著負載力的增加，應變和應力也會逐漸提高，導致患者的椎間盤發(fā)生近似線性的彈性變形，但變形程度較小。椎間盤的應力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，如果單獨考慮生物力學，雙側人路注射比單側注射方法有明顯的優(yōu)勢。

椎間盤 單雙入路 彈性變形 有限元

引言

作為一種微創(chuàng)手術,椎體成形術指的是將骨水泥從椎弓根注射入椎體當中,以期改善患者椎體的變形程度,并發(fā)揮出穩(wěn)定骨折的效果,同時緩解腰痛,現(xiàn)在已在臨床得到廣泛應用。病人穿刺后偶爾出現(xiàn)腰疼加重及下肢麻木的情況,除了受到患者本身椎間盤或脊柱等因素的影響外,很大程度上可能來自椎體成形術本身,因為穿刺方法和注射骨水泥的方式均會直接影響椎體內骨水泥的分布從而影響椎間盤,從而造成腰及雙下肢癥狀。就目前看來,椎體成形術包括了單側穿刺和雙側穿刺,雖然治療效果沒有顯著區(qū)別,但在是否其力學分布上也相似？特別是椎間盤的生物力學,其對臨床癥狀的影響更大,本研究利用幾何生物力學模型對兩種穿刺法進行分析,旨在找到更佳的穿刺方式。

1 材料和方法

1.1 原始數(shù)據(jù)來源

模型的原始影像是一位男性患者,患者進行了椎體成形術,手術采用單側入路,注射骨水泥6ml,對患者椎間盤L1到L2節(jié)段利用CT掃描進行術前、術后的診斷掃查,將層厚設置為0.75mm,并將數(shù)據(jù)集分辨率設定為512×512×90,通過CT掃查獲取相應節(jié)段的影像。之后使用PHOTO SHOP軟件 對圖像進行模擬計算,并在軟件中虛擬雙側穿刺,患者左右側各注入骨水泥3ml。

1.2 對三維幾何模型進行建立

將得到的CT圖像使用閾值分割法以及人工分割法進行分割,之后利用ansys商業(yè)軟件進行下一步操作。將點和面的相關信息完整輸入軟件,從而保證實體模型的完備,之后在網(wǎng)格劃分的基礎上將各種材料信息詳細輸入,從而建立起實體模型［1］。

1.3 有限元模型施加負載

本研究在施加負載之前,對椎體及椎間盤模型進行了下位椎體下表面的固定。在患者的受損椎體上施加縱向負載,負載力為500N,并成倍增加,直到2500N為止,從而模擬出各種負載力施加下椎體以及椎間盤當中應力的變化情況。與此同時,觀察此過程中骨水泥在兩種入路注射情況下發(fā)生的生物力學變化。

2 結果

經(jīng)過分析研究我們發(fā)現(xiàn),隨著負載力的增加,應變和應力也會逐漸提高,導致患者的椎間盤發(fā)生近似線性的彈性變形,但變形程度較小。單側穿刺注射骨水泥會承受更大的應力,同時椎間盤的應力出現(xiàn)集中現(xiàn)象。

3 討論

本研究課題具有如下特點：（1）具有較強的可比性及真實性。研究中所用病例為實際病例,患者接受的是單側入路椎體成形術。在臨床治療中,對于僅有一個椎體骨折的患者來說,不可同時進行單側穿刺和雙側穿刺；而如果研究不同的患者或者不同的椎體,由于椎體間存在較大差異,那么很可能失去可比性。因此如何對單側穿刺椎體成形術和雙側穿刺椎體成形術的優(yōu)劣進行準確的評價呢？無論是使用干濕標本還是在現(xiàn)實治療當中都無法實現(xiàn)兩種方式的同時應用,因此需要找到一種仿生學來解決這個問題,而有限元分析方法將這一研究付諸于了實踐。（2）在本次研究中,由于計算量十分大,因此應用了展磊［2］論文中所提到的一個數(shù)學模型,并參考了文中的三維有限元分析,同時還參考了林宏銘［3］所著的椎體成形術之生物力學分析。

［1］陳響，李海云，楊新建.一種基于影像特征經(jīng)皮椎體成形術生物力學穩(wěn)定性評估的有限元模型［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2007，9：1796-1800.

［2］展磊.股骨頭壞死的三維有限元分析及與治療方法選擇的研究廣州中醫(yī)藥大學2008.博士論文.

［3］林宏銘.椎體成形術之生物力學分析臺灣國立陽明大學2003 碩士論文.

R-3

A

1674-2060（2016）03-0123-01