骨質(zhì)疏松癥患者脊柱胸腰段椎體力學(xué)穩(wěn)定性變化與椎體壓縮性骨折風(fēng)險預(yù)測的有限元分析

秦大平，張曉剛，權(quán)禎，張華，曹林忠，陳缽，徐斌，徐世偉

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院，甘肅蘭州730000；2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院脊柱外科，甘肅蘭州730020

前言

骨質(zhì)疏松癥（Osteoporosis,OP）是骨科增齡性骨骼疾病之一，以骨量減少、骨微結(jié)構(gòu)破壞、脆性骨折為主要特征，是中老年患者發(fā)生日?；顒邮芟?、骨折、致殘的高危疾病因素。根據(jù)2018年國家衛(wèi)健委發(fā)布，我國65 歲以上人群中，OP 的患病率達(dá)32.0%，其中女性人群中OP 患者占比51.6%，男性人群中OP患者占比10.7%，城市地區(qū)人群中OP 患者占比為25.6%，農(nóng)村地區(qū)人群中OP 患者占比為35.3%［1］。調(diào)查顯示，我國40～49 歲人群OP 患病率為3.2%，其中女性人群中OP 患者占比4.3%，城市地區(qū)人群中OP患者占比中3.5%，農(nóng)村地區(qū)人群中OP 患者占比3.1%。50 歲以上人群中OP 患病率為19.2%，其中女性人群中OP 患者占比32.1%，城市地區(qū)人群中OP 患者占比16.2%，農(nóng)村地區(qū)人群中OP 患者占比20.7%［2］。目前中國骨質(zhì)疏松和骨量減少人數(shù)將近3億人［3］。骨質(zhì)疏松性骨折是OP 最嚴(yán)重的后果，是老年患者致殘和致死的主要原因之一。由此帶來的高風(fēng)險、高死亡率和高醫(yī)療耗費已經(jīng)成為了全球共同關(guān)注的公眾健康問題［4-5］。

針對OP 患者的脊柱胸腰段椎體、椎間盤、髓核、纖維環(huán)、關(guān)節(jié)突及周圍附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力異常變化與正常人體有限元對比分析，明確其椎體及附屬結(jié)構(gòu)骨彈性模量的異常改變和周圍附屬結(jié)構(gòu)的束縛力下降，引起筋骨系統(tǒng)平衡失常和長期穩(wěn)定性的下降，進(jìn)而增加脊柱胸腰段椎體骨折的退變過程和風(fēng)險，并針對椎體壓縮性骨折風(fēng)險做預(yù)防策略的干預(yù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 正常胸腰椎三維有限元模型的建立與有效性驗證選擇沒有脊柱胸腰椎椎體傷病史的健康志愿者男女各1 人，男性69 歲、女性75 歲，身高分別為174、161 cm，體重分別為64.2、56 kg，X線檢查排除胸腰椎相關(guān)病變，無明顯畸形、增生、退變等。同時排除其他脊柱疾患病史、脊柱手術(shù)病史。使用西門子64 排螺旋CT 行T11椎體上緣至L2椎體下緣掃描，掃描條件140 kV，200 mA，層厚0.625 mm，以512×512像素DICOM 格式提取CT 數(shù)據(jù)。建立人體正常脊柱胸腰段T11～L2的有限元模型，運用軟件Mimics 21.0將CT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL 格式，通過Geomagic 2013 對數(shù)據(jù)中的圖像進(jìn)行修補(bǔ)、去噪、鋪面并轉(zhuǎn)化為NURBS曲面模型，通過Hy-permesh 12.0 完成對所建模型前處理，在Abaqus 6.14 軟件中完成有限元數(shù)據(jù)分析。在完成材料屬性賦值、連接定義、網(wǎng)格劃分以后，將L2椎體下部設(shè)為固定并定位基準(zhǔn)平面，X 軸垂直于基準(zhǔn)平面限定垂直載荷，Y 定義為3 個椎體矢狀面限定左右側(cè)屈載荷，Z 軸定義為冠狀面限定屈曲載荷，按照椎體前柱和中柱承擔(dān)載荷85%、后柱承擔(dān)載荷15%的標(biāo)準(zhǔn)，自T11椎體上緣分別施加500 N的垂直向下載荷，同時分別施加7.5 N·m的前屈、左側(cè)屈、右側(cè)屈力矩模擬腰椎軸向、前屈、左右側(cè)屈、后伸及旋轉(zhuǎn)活動，并對活動度進(jìn)行有效性驗證［6-9］。

1.1.2 模型的材料屬性參數(shù)根據(jù)目前國內(nèi)外人體脊柱有限元文獻(xiàn)資料和實驗測量及有限元模型驗證結(jié)果［6,10-13］。將各結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)導(dǎo)入ANASYS 17.0進(jìn)行計算和分析（表1）。

表1 有限元分析模型各結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)Tab.1 Properties parameters of each structural material in finite element analysis model

1.1.3 正常胸腰椎三維有限元模型網(wǎng)格劃分Mimics 中進(jìn)行面網(wǎng)格劃分（Remesh）后，優(yōu)化重組將三維模型以ANSYS element 文件格式輸出至ANSYS，進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，劃分為六面體10 節(jié)點（Solid 2017）單元，單元（Elements）數(shù)為265 468，節(jié)點（Nodes）數(shù)目為450 939（圖1～3）。

圖1 正常人體胸腰段（T11～L2）的網(wǎng)格模型（a）和軸向受力圖（b）Fig.1 Grid model of normal T11-L2(a)and axial load(b)

1.1.4 骨質(zhì)疏松性胸腰椎三維有限元模型的建立與有效性驗證選擇2 例住院老年OP 女性患者胸腰椎CT 及MRI 掃描資料，年齡分別為75 和78 歲，診斷、納入標(biāo)準(zhǔn)參考《原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥診療指南（2017）》［14-15］：①急性、輕度或中度暴力造成的骨折。②腰背部疼痛視覺模量（VAS）評分≥5。③受傷椎體MRI 檢查T1加權(quán)像呈高信號，T2加權(quán)像呈低信號。④采用雙能X 線吸收法（DEXA）測定L2～4椎骨密度，T值=（實測骨密度值-中國正常青年人峰值骨密度值）/中國正常青年人峰值骨密度的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）；T值≥-1.0SD屬正常；-2.5SD＜T值＜-1.0SD為骨量低下或骨量減少；T值≤-2.5SD為OP；伴有一處或多處非暴力性骨折為嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥［16］。X 線片排除脊椎壓縮性骨折、腫瘤、結(jié)核等其他相關(guān)疾病，建立T11～L2骨質(zhì)疏松性椎體的三維有限元模型并驗證有效性。

圖2 正常T11椎體上表面施加彎矩模擬Fig.2 Bending moment applied on the upper surface of vertebral body T11

圖3 前屈（a）、后伸（b）、左側(cè)彎（c）、右側(cè)彎（d）、左旋轉(zhuǎn)（e）、右旋轉(zhuǎn)（f）、軸向（g）狀態(tài)下正常人體胸腰段（T11～L2）松質(zhì)骨-關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力分布圖Fig.3 Cancellous bone and articular cartilage stress distribution of normal T11-L2 in forward flexion(a),extension(b),left lateral bending(c),right lateral bending(d),left rotation(e),right rotation(f)and axial motion(g)

1.1.5 骨質(zhì)疏松性胸腰椎三維有限元模型網(wǎng)格劃分Mimics 中進(jìn)行面網(wǎng)格劃分（Remesh）后，優(yōu)化重組將三維模型以ANSYS element 文件格式輸出至ANSYS，進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，劃分為六面體10 節(jié)點（Solid 2017）單元，單元（Elements）數(shù)為1 980 018，節(jié)點（Nodes）數(shù)目為3 030 156（圖4～圖6）。

圖4 骨質(zhì)疏松癥（OP）患者T11～L2椎體的網(wǎng)格模型（a）和軸向受力圖（b）Fig.4 Grid model of T11-L2 in osteoporosis patients(a)and axial load(b)

圖5 OP患者T11椎體上表面施加彎矩模擬Fig.5 Bending moment applied on the upper surface of vertebral body T11 in osteoporosis patients

2 結(jié)果

2.1 正常人體與OP患者脊柱胸腰段有限元模型有效性驗證與分析

本研究對正常人體胸腰段（T11～L2）模型進(jìn)行了7種運動狀態(tài)下（前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)、軸向）的加載分析，測得各種運動狀態(tài)下的關(guān)節(jié)活動度（Range of Motion,ROM），研究結(jié)果與國內(nèi)外文獻(xiàn)研究報道結(jié)論高度相似［9，17-20］（表2），有限元模型有效可行。

2.2 正常人體與OP患者脊柱胸腰段有限元模型應(yīng)力變化分析

對所選正常人體胸腰段（T11～L2）模型在不同運動狀態(tài)下椎體結(jié)構(gòu)的Von Mises 應(yīng)力、椎體位移變化情況分析，與國內(nèi)外文獻(xiàn)報道和課題組前期研究結(jié)果高度一致。正常人體與OP 患者脊柱椎體的材料屬性、彈性模量、剛度、強(qiáng)度以及所處的生物力學(xué)環(huán)境變化進(jìn)行分析表明，OP 患者在脊柱前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)、軸向7 種運動狀態(tài)下與正常人體比較，其椎體結(jié)構(gòu)包括椎體、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間盤、終板、纖維環(huán)、髓核的Von Mises 應(yīng)力有明顯降低趨勢，椎體最大位移呈現(xiàn)增大趨勢（表3～9）。此外本研究對OP 模型的建立并非采用文獻(xiàn)中降低正常模型皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板彈性模量的方法，而是采用臨床中根據(jù)CT數(shù)據(jù)與臨床癥狀、骨密度等明確診斷的OP患者數(shù)據(jù)，與目前文獻(xiàn)所提供的模型數(shù)據(jù)對比更符合臨床OP 患者真實的脊柱胸腰段椎體與附屬結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性和屬性變化。與正常人體模型相比較，從筋骨系統(tǒng)進(jìn)行分析，骨與肌肉、韌帶所代表的動靜力變化都有明顯的降低，這也印證了臨床真實數(shù)據(jù)的變化，為臨床干預(yù)策略的標(biāo)準(zhǔn)化建立和完善提供生物力學(xué)基礎(chǔ)。

圖6 OP患者前屈（a）、后伸（b）、左側(cè)彎（c）、右側(cè)彎（d）、左旋轉(zhuǎn)（e）、右旋轉(zhuǎn)（f）、軸向（g）狀態(tài)下T11～L2椎體應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud map of stress distribution of vertebral body T11-L2 in osteoporosis patients in forward flexion(a),extension(b),left lateral bending(c),right lateral bending(d),left rotation(e),right rotation(f)and axial motion(g)

表2 T11～L2椎體有限元模型關(guān)節(jié)活動度與既往研究結(jié)果對比（°）Tab.2 Range of motion of finite element model of T11-L2 and comparison with previous research results(°)

3 討論

本文通過對正常人體與OP 患者脊柱胸腰段（T11～L2）在不同運動狀態(tài)下的有限元分析對其本構(gòu)進(jìn)行生物力學(xué)分析，結(jié)合骨密度、結(jié)構(gòu)、材料屬性的變化對骨強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析評估。

OP 是一種與增齡相關(guān)的進(jìn)行性和廣泛性疾病，是一種伴有骨骼肌量減少、肌肉力量和（或）肌肉功能減退同時有骨量的丟失、骨組織微細(xì)結(jié)構(gòu)破壞、骨骼脆性增高，骨折發(fā)生風(fēng)險增加的綜合征。其核心病機(jī)是筋骨失衡，即骨骼肌肉系統(tǒng)之間的生理動態(tài)平衡的異常變化，表現(xiàn)為肌肉收縮力學(xué)負(fù)荷對骨骼機(jī)械力的影響，以及肌肉與骨骼間力學(xué)生物信息調(diào)控機(jī)制［21］。

利用有限元法對正常人體與OP 患者的脊柱椎體材料屬性、彈性模量、剛度、強(qiáng)度以及所處的力學(xué)生物學(xué)環(huán)境變化進(jìn)行分析表明，OP患者在脊柱前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)、軸向7種運動狀態(tài)下與正常人體脊柱胸腰段比較，其椎體結(jié)構(gòu)的Von Mises 應(yīng)力有明顯降低趨勢，椎體最大位移呈現(xiàn)增大趨勢。這種力學(xué)強(qiáng)度變化和材料屬性改變導(dǎo)致脊柱椎體與周圍附屬結(jié)構(gòu)及相鄰椎體應(yīng)力發(fā)生變化，是骨質(zhì)疏松性骨折、鄰近椎體骨折和脊柱功能穩(wěn)定性下降和腰背部疼痛、活動受限、脊柱后凸畸形加重等一系列并發(fā)癥出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。通過有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）對正常人體脊柱與OP患者胸腰段力學(xué)特性變化分析，可明確其椎體及附屬結(jié)構(gòu)骨彈性模量的異常改變，并針對椎體壓縮性骨折風(fēng)險制定和進(jìn)一步規(guī)范預(yù)防策略。針對不同OP 患者進(jìn)行預(yù)防性干預(yù)，增加椎體及周圍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，提高骨骼肌肉系統(tǒng)的應(yīng)力閾值，重塑“骨張筋、筋束骨”生理狀態(tài)，重建脊柱關(guān)節(jié)的生物力學(xué)平衡，有效降低骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折（Osteoporotic Vertebral Compression Fractures,OVCF）的發(fā)生。

表3 正常模型與OP模型不同運動狀態(tài)下椎體結(jié)構(gòu)應(yīng)力-位移變化Tab.3 Changes of stress-displacement of vertebral structure in normal model and osteoporosis model

表5 正常模型與OP模型不同運動狀態(tài)下椎間盤、終板最大等效應(yīng)力變化（MPa）Tab.5 Changes of maximum equivalent stress of intervertebral disc and endplate in normal model and osteoporosis model(MPa)

表6 正常模型與OP模型不同運動狀態(tài)下終板最大等效應(yīng)力變化（MPa)Tab.6 Changes of maximum equivalent stress of endplate in normal model and osteoporosis model in different motion states(MPa)

表7 正常模型不同運動狀態(tài)下松質(zhì)骨最大等效應(yīng)力變化（MPa）Tab.7 Changes of maximum equivalent stress of cancellous bone in normal model in different motion states(MPa)

如何尋找和探索符合椎體長期穩(wěn)定狀態(tài)和脊柱筋骨動態(tài)平衡的預(yù)防性干預(yù)標(biāo)準(zhǔn)是今后脊柱外科臨床長期研究要解決的問題，而骨的穩(wěn)定與支撐結(jié)構(gòu)是由肌肉、肌腱、韌帶、筋膜等即“筋”所產(chǎn)生的應(yīng)力載荷變化的力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)的控制，通過這種力學(xué)調(diào)控起到“筋-骨”結(jié)構(gòu)、功能與生物特性的平衡關(guān)系；這種力學(xué)調(diào)控過程符合Wolff 定律，通過對“筋”的微環(huán)境的調(diào)控來調(diào)節(jié)骨骼發(fā)育、修復(fù)和重建。

預(yù)防性干預(yù)過程就是通過對骨骼肌的外力靶點作用將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為生物學(xué)信號，激活與敏化生物學(xué)信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)節(jié)，調(diào)控“筋-骨”之間能量轉(zhuǎn)換、化學(xué)元素、分子信號、靶向基因的相關(guān)表達(dá)，維持“筋-骨”之間的動態(tài)平衡［22］。

表8 正常模型與OP模型不同運動狀態(tài)下纖維環(huán)最大等效應(yīng)力變化（MPa）Tab.8 Changes of maximum equivalent stress of fiber ring in normal model and osteoporosis model in different motion states(MPa)

在“筋骨并重”理論指導(dǎo)下采用不同干預(yù)方法逆轉(zhuǎn)“筋骨失衡”的病理狀態(tài)［5,23-24］，調(diào)和臟腑、筋絡(luò)、關(guān)節(jié)氣血的運行，重建脊柱關(guān)節(jié)的生物力學(xué)平衡，達(dá)到治病療傷的目的，改善OP 患者脊柱椎體的材料屬性、力學(xué)生物學(xué)環(huán)境、椎體剛度、強(qiáng)度，重塑和恢復(fù)椎體附件、椎間盤、軟骨終板、相鄰椎體之間的平衡狀態(tài)。

通過FEA 對正常人體脊柱與OP 患者胸腰段力學(xué)特性變化分析，能夠明確脊柱筋骨系統(tǒng)失衡狀態(tài)的關(guān)鍵異?；虿±響?yīng)力的來源和存在區(qū)域，為改變“筋出槽、骨錯縫”的病理狀態(tài)，建立外來干預(yù)策略，恢復(fù)脊柱椎體肌肉、韌帶、椎間盤等椎體附屬結(jié)構(gòu)正常應(yīng)力變化，即重塑“骨張筋、筋束骨”生理狀態(tài)，重建筋骨生物力學(xué)平衡。

表9 正常模型與OP模型不同運動狀態(tài)下髓核最大等效應(yīng)力變化（MPa）Tab.9 Changes of maximum equivalent stress of nucleus pulposus in normal model and osteoporosis model in different motion states(MPa)

但是，復(fù)位后對其椎體高度恢復(fù)與其脊柱力學(xué)穩(wěn)定性差異性評價與研究至關(guān)重要，如何應(yīng)用先進(jìn)的方法研究傳統(tǒng)手法的相關(guān)生物力學(xué)問題以及建立復(fù)位手法科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)顯得非常重要。

近年來已有不少學(xué)者利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和FEA方法研究脊柱骨骼-肌肉系統(tǒng)生理與病理力學(xué)穩(wěn)定變化機(jī)制［25-30］。應(yīng)用數(shù)字化骨科技術(shù)揭示人體脊柱胸腰段骨骼-肌肉系統(tǒng)即“筋-骨”系統(tǒng)生理與病理生物力學(xué)變化機(jī)制及關(guān)鍵應(yīng)力區(qū)域變化的差異性對脊柱功能的影響，更好為OP 患者預(yù)防性干預(yù)策略的標(biāo)準(zhǔn)化建立和完善提供理論和生物力學(xué)依據(jù)。