胸腰椎骨折三維有限元模型構(gòu)建的研究進(jìn)展

廖亦佳， 舒啟航， 王 程

(南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科，湖南省衡陽市421001)

胸腰椎骨折是臨床最常見的脊柱骨折，大部分胸腰椎骨折發(fā)生在胸腰椎交界處，在這些骨折中，爆裂性骨折約占10%～20%[1]。對于不穩(wěn)定骨折或骨折塊壓迫導(dǎo)致脊髓損傷癥狀的患者目前多主張采取手術(shù)治療，一般均需要輔以內(nèi)固定或外固定重建其即時穩(wěn)定性，為術(shù)后康復(fù)提供基本條件，而對不同固定系統(tǒng)常常需要通過力學(xué)分析來驗證其有效性。利用三維有限元建立胸腰椎骨折模型對各種形式的植入物進(jìn)行力學(xué)分析也得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文對胸腰椎骨折三維有限元模型構(gòu)建進(jìn)行分類總結(jié)和評價，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 參照現(xiàn)有骨折通用分類構(gòu)建的模型

胸腰椎骨折分類的研究有著悠久的歷史，AO、Denis等一些常用的分類已經(jīng)被廣泛熟知，分類系統(tǒng)準(zhǔn)確描述了不同骨折情況，從而可以指導(dǎo)研究者構(gòu)建需要的骨折三維有限元模型，目前所常用的不同分類大致可以分為以下3種。

1.1 AO分類

AO分類是目前在胸腰椎骨折三維有限元模型中參考最多的分類。Basaran等[2]對于短節(jié)段后路內(nèi)固定是否有足夠的力量支撐以及長節(jié)段后路內(nèi)固定是否會增加鄰近節(jié)段相關(guān)疾病發(fā)生的風(fēng)險進(jìn)行力學(xué)分析，就是根據(jù)AO分類中的A3.3.3型骨折[3]，在矢狀面上將正常T12椎體前緣的上三分之一處與上緣的前三分之二處進(jìn)行連線，沿這條線進(jìn)行線上椎體部分切除，構(gòu)建了完全爆裂骨折三維有限元模型。Wang等[4]為探討3種常用后路固定技術(shù)對治療胸腰椎爆裂骨折術(shù)后生物力學(xué)的影響，在椎體前緣距上緣約三分之一處到椎體后緣距上緣約三分之二處畫一條斜線，以楔形形狀切除了斜線以下椎體部分，獲得類似于A3.1型不穩(wěn)定胸腰椎骨折模型。Li等[5]與Wang等[4]研究目的類似，比較不同椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)治療胸腰椎骨折術(shù)后內(nèi)固定裝置應(yīng)力大小，其參照A3.1型骨折，將T12椎體前后緣中點連線以下的椎體部分和T12與L1之間的椎間盤完全切除建立骨折模型。相同的是，出于傷椎置釘?shù)男枰?，他們都選擇保留椎體的后上部來構(gòu)建骨折模型，不同的是，Li等[5]建立的脊柱骨折模型更加不穩(wěn)定，選擇極端情況進(jìn)行生物力學(xué)研究為A3.1型脊柱爆裂性骨折的臨床治療提供參考。Liu等[6]和Wang等[7]也是按照Li等[5]的三維有限元骨折模型進(jìn)行力學(xué)分析。

1.2 Denis分類

部分研究采用Denis分類[8]作為胸腰椎骨折三維有限元模型的參考。Xu等[9]根據(jù)Denis分類，建立了兩種不同嚴(yán)重程度的骨折模型。第一種模型是將T12椎體前后緣中點連線以上的松質(zhì)骨切除，約占整個椎體松質(zhì)骨的一半，來模擬輕度骨折；第二種模型將椎體前后緣中點連線以上的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨都切除來模擬重度骨折，類似Denis分類中的B型骨折。為驗證椎體成形術(shù)是否可以降低內(nèi)固定系統(tǒng)和脊柱的應(yīng)力，分別在這兩種模型骨缺損處的一側(cè)、雙側(cè)及缺損處的中央模擬骨水泥注入情形，建立了8個模型進(jìn)行力學(xué)分析。張玉新等[10]根據(jù)Denis分類中的B型骨折，將T12椎體前后緣中點連線以上的距前緣二分之一以內(nèi)的椎體皮質(zhì)骨切除，并將上終板及切除皮質(zhì)骨部位的松質(zhì)骨賦予損傷后材料屬性從而建立了模型。Xu等[11]與張玉新等[10]構(gòu)建的模型類似，選擇切除T12椎體前后緣中點連線以上的皮質(zhì)骨，將切除皮質(zhì)骨部位的松質(zhì)骨賦予為正常松質(zhì)骨模量的10%來模擬T12椎體骨折。

1.3 其他分類

部分研究根據(jù)需要采用其他現(xiàn)有的分類作為參照構(gòu)建三維有限元模型。Genant等[12]提出用半定量的標(biāo)準(zhǔn)對骨折程度進(jìn)行評估，并通過研究得出半定量與定量這兩種方法都能夠可靠地評估椎體骨折。Wu等[13]參照半定量視覺分級3級，在L1椎體中部作兩條平行于終板的線，近似于矩形形狀切除兩條線之間的椎體，約占整個椎體體積的60%，保留了小部分椎體后部結(jié)構(gòu)，建立嚴(yán)重不穩(wěn)定胸腰椎骨折的有限元模型。

以上模型均為參照現(xiàn)有骨折通用分類構(gòu)建的模型，研究者按照具體分類中所涉及的骨折部分，切除了相應(yīng)部分或全部骨折范圍來構(gòu)建三維有限元模型，該方法的優(yōu)勢在于能直接根據(jù)骨折分型進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)建和分析，但嚴(yán)格來說以完全切除骨折部分來模擬骨折跟臨床實際情況還是存在諸多差異的。

2 參照臨床影像學(xué)特征構(gòu)建的模型

部分研究者參照胸腰椎骨折即時或復(fù)位固定后的影像學(xué)改變來構(gòu)建模型進(jìn)行相關(guān)三維有限元研究。Liu等[14]研究不同置釘深度對L1骨折椎體及螺釘應(yīng)力的生物力學(xué)影響，其建模參考了L1椎體爆裂性骨折患者術(shù)后第3天的CT圖像，骨折椎體復(fù)位后前中柱的中間出現(xiàn)了近似于楔形的骨缺損區(qū)域，約占整個椎體30%，根據(jù)這一影像學(xué)改變，從L1椎體后緣距上緣約六分之一處作一條平行于上終板的線到椎體前緣，再從椎體后緣距上緣約三分之一處到椎體前緣中點以下的位置作一條斜線，使得兩線之間的椎體約占整個椎體的30%，近似于楔形形狀切除了兩條線之間的部分椎體建立了模型。Wang等[15]研究4種后路短節(jié)段椎弓根螺釘固定技術(shù)治療胸腰椎骨折的生物力學(xué)影響，參照了Liu等[14]的模型，適當(dāng)調(diào)整了兩條線的位置角度，以楔形形狀切除了L1椎體部分前柱和中柱，約占L1椎體的60%，建立了三維有限元骨折模型。Zhou等[16]、Elmasry等[17]和程哲等[18]也使用了這種方法構(gòu)建模型，在此基礎(chǔ)上Zhou等[16]又根據(jù)載荷分型[19]，通過調(diào)節(jié)后凸矯正角、椎體骨缺損區(qū)域占比、爆散程度，建立了中度骨折與不穩(wěn)定重度骨折兩種模型。Li等[20]參考了一名46歲男性患者CT圖像，將椎體前緣壓縮至1/2，后凸Cobb角調(diào)整為18.6°，構(gòu)建了T12椎體壓縮性骨折三維有限元模型。王健等[21]同樣結(jié)合了臨床實際壓縮性骨折病例，將傷椎的高度調(diào)整到正常高度的1/2或1/3，切除椎體前方部分皮質(zhì)骨，模擬骨折后的骨折線，構(gòu)建出與臨床實際病例影像學(xué)改變相類似的胸腰椎壓縮性骨折模型。以上模型均為參照胸腰椎骨折即時或復(fù)位固定后的影像學(xué)改變構(gòu)建的模型，研究者模擬相應(yīng)的影像學(xué)改變來切除相應(yīng)部分骨折范圍來構(gòu)建三維有限元模型，該方式能直觀形象地理解相應(yīng)模型，但實際上除了影像學(xué)改變部分外，剩余的部分采用正常椎體的彈性模量來分析跟臨床實際情況也還是存在一定差異的。

3 根據(jù)個體化研究目的構(gòu)建的模型

除了以上兩種方式構(gòu)建的模型，還有部分研究根據(jù)個體化研究目的構(gòu)建了三維有限元模型。Elmasry等[22]為比較經(jīng)皮椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)(PPSF)、經(jīng)皮球囊擴(kuò)張椎體后凸成形術(shù)(PKP)和PKP聯(lián)合PPSF治療胸腰椎爆裂性骨折3種手術(shù)的術(shù)后生物力學(xué)性能，按照手術(shù)治療的納入標(biāo)準(zhǔn)[23]，將前柱壓縮50%，后凸Cobb角調(diào)整為20°，構(gòu)建了L1椎體爆裂性骨折模型，為模擬骨折復(fù)位后及注入骨水泥后情形，設(shè)定椎體高度恢復(fù)95%，后凸角度調(diào)整到4°作為復(fù)位后的模型，在此模型基礎(chǔ)上，通過在L1椎體中心創(chuàng)建兩個對稱的骨水泥腔，約占椎體體積的13%來模擬PKP術(shù)后的情形，最后植入內(nèi)固定裝置進(jìn)行力學(xué)分析。Liao等[24]根據(jù)傷椎置釘及注入骨水泥的需要，選擇在T12椎體中心位置切除占整個椎體一半的松質(zhì)骨同時保留后路結(jié)構(gòu)來模擬椎體骨折。Liao等[25]另一篇研究短節(jié)段椎弓根螺釘固定治療胸腰椎爆裂性骨折效果的文章中也是采用同樣的方法構(gòu)建了骨折模型。以上模型均為根據(jù)個體化研究目的構(gòu)建的模型，研究者根據(jù)特定研究目的來切除和保留相應(yīng)部分椎體和附件來構(gòu)建模型，進(jìn)行相應(yīng)的三維有限元分析，相應(yīng)模型僅限于特定研究中使用，在其他研究中無參考價值。

4 總結(jié)與展望

胸腰椎骨折為臨床常見的脊柱外傷，在應(yīng)用有限元分析法分析胸腰椎骨折治療的研究中，建立胸腰椎骨折三維有限元模型是研究基礎(chǔ)，但目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建相應(yīng)模型。因為臨床實際情況中骨折程度個體差異較大，軟組織的損傷程度也不同，大部分文獻(xiàn)更著重比較整體趨勢，并沒有詳細(xì)考慮骨折節(jié)段周圍軟組織的力學(xué)影響，多側(cè)重于研究骨性結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)具體研究目的不同，構(gòu)建了不同種類的三維有限元模型。

胸腰椎骨折的骨折椎體和損傷的終板及鄰近椎間盤在彈性模量上是有相應(yīng)改變的，但因為損傷部位和程度不同，相應(yīng)的彈性模量改變也存在很大的區(qū)別，實際分析中難以精確對相應(yīng)損傷組織進(jìn)行賦值，所以目前文獻(xiàn)中通常采用的是直接對部分椎體進(jìn)行切除，而不是重新賦值，具體骨性結(jié)構(gòu)切除范圍如本文所總結(jié)的有以上3種分類。綜合而言從模型的可參考性來看，參照現(xiàn)有骨折通用分類和臨床影像學(xué)特征構(gòu)建的模型會更具有價值，而從臨床仿真度來看，參照臨床影像學(xué)特征構(gòu)建的模型會相對來說更有優(yōu)勢一些，但現(xiàn)有研究中以上3種模型均采用簡單的切除部分骨性結(jié)構(gòu)來模擬骨折，與骨折后椎體內(nèi)實際彈性模量改變是存在一定差異的，這也是目前三維有限元分析的難點所在。

綜上所述，目前胸腰椎骨折三維有限元模型的構(gòu)建方法多樣，根據(jù)不同研究目的，研究者采用了各種不同的模型，雖然現(xiàn)有的參考骨折分型和影像學(xué)特征構(gòu)建的模型具有一定可參考性和臨床仿真度，但仍存在以上列舉的諸多問題，有待于以后的研究進(jìn)一步完善。