有限元分析在PKP治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折脊柱生物力學(xué)的研究應(yīng)用

姚鵬程 馬斌祥 關(guān)永林 孫樂(lè)偉 張 洋 鄧 夢(mèng) 常 斌

1 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅省蘭州市 730000； 2 甘肅省中醫(yī)院

根據(jù)流行病學(xué)研究調(diào)查顯示，截至2022年我國(guó)60歲以上老年人口數(shù)量將有可能超過(guò)2.2億，流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2050年，全世界60歲以上人口將達(dá)到60億，隨著老齡人口數(shù)量的增加，我國(guó)骨質(zhì)疏松癥患者人數(shù)已位居于世界前列，老年人身體各個(gè)器官功能逐漸衰退，使骨吸收大于骨形成，而導(dǎo)致骨量下降、骨質(zhì)越發(fā)松弛，骨質(zhì)疏松已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了全人類的骨骼健康問(wèn)題[1-4]。骨質(zhì)疏松(Osteoporosis,OP)是一種以骨量減少、骨組織微結(jié)構(gòu)改變?yōu)樘卣?，?dǎo)致骨強(qiáng)度減弱、骨脆性增加，易發(fā)生全身性骨折的系統(tǒng)性骨代謝疾病[5-6]。骨折是骨質(zhì)疏松的常見(jiàn)并發(fā)癥之一， 骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折(OVCF)是老年人常發(fā)疾病，尤其是絕經(jīng)后女性約占骨質(zhì)疏松性骨折的45%[7]。發(fā)病后，骨折局部會(huì)產(chǎn)生劇烈疼痛反應(yīng)，伴隨肢體活動(dòng)受限，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量[8]。本文依據(jù)有限元分析法(Finite element analysis,FEA)就經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(Percutaneous kyphoplasty，PKP)治療OVCF后對(duì)脊柱生物力學(xué)的影響差異展開(kāi)綜述，明確PKP治療椎體壓縮性骨折的生物力學(xué)機(jī)制，為脊柱壓縮性骨折的防治提供有效的臨床指導(dǎo)。

1 治療OVCF的手術(shù)方案

對(duì)于OVCF治療，臨床上除了有常規(guī)抗骨質(zhì)疏松藥物的治療外，還有經(jīng)皮穿刺椎體成形術(shù)(Percutaneous vertebra piasty，PVP)、PKP微創(chuàng)手術(shù)方案[9]。但是由于患者年齡一般較大，疼痛耐受性也隨之減弱，因此應(yīng)快速減輕患者疼痛癥狀，然而用常規(guī)保守治療效果不佳[9],應(yīng)盡快選擇微創(chuàng)手術(shù)治療解決患者疼痛。而PKP相對(duì)于PVP來(lái)說(shuō)在快速緩解局部疼痛、恢復(fù)傷椎椎體高度、恢復(fù)椎體生物力學(xué)穩(wěn)定性、防止骨水泥泄漏等方面具有更好的臨床療效[10]，通過(guò)行PKP對(duì)患者進(jìn)行治療，可以得到良好的臨床療效[11]。然而椎體壓縮性骨折的主要原因還是骨質(zhì)疏松，因此行PKP術(shù)后還應(yīng)注重抗骨質(zhì)疏松治療以預(yù)防術(shù)后再發(fā)生椎體骨折。同時(shí)，經(jīng)過(guò)骨水泥注入傷椎后使傷椎椎體局部密度增加，相鄰椎體發(fā)生骨折的危險(xiǎn)因素增加[12]，且傷椎及鄰近椎體的生物力學(xué)分布規(guī)律尚不明確，自20世紀(jì)70年代Brekelmans等將FEA引用到骨科領(lǐng)域后，在脊柱生物力學(xué)中的研究應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，通過(guò)FEA實(shí)現(xiàn)三位一體化的方式對(duì)脊椎生物力學(xué)分布特征進(jìn)行多元化研究。

2 FEA在OVCF脊柱生物力學(xué)研究中的基本原理及模型的建立

自20世紀(jì)70年代Brekelmans等將FEA引用到骨科領(lǐng)域，Belytschko 等[13]首次將FEA應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)的研究，之后在骨科建模實(shí)驗(yàn)中取得了一系列科研成果[14]。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展，F(xiàn)EA廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航天、土木工程及骨科生物力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域，是一種有效、低成本和可重復(fù)分析的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析法[15-16]。FEA是將一個(gè)實(shí)體整體分割成無(wú)限個(gè)小的單元，通過(guò)逐個(gè)研究這些小的單元，來(lái)獲得分隔前實(shí)體的性質(zhì)。將不規(guī)則的實(shí)體分割成的單元越多、越細(xì)，計(jì)算的結(jié)果越準(zhǔn)確[17]。人體脊柱椎體形狀特殊，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法很難對(duì)脊柱生物力學(xué)進(jìn)行研究，但是FEA在脊柱某一椎體生物力學(xué)的研究中起到了關(guān)鍵且不可代替的作用，相比傳統(tǒng)試驗(yàn)方法具有可重復(fù)實(shí)驗(yàn)和更加客觀真實(shí)的數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)EA在取得眾多骨科生物力學(xué)研究成果中起到了關(guān)鍵作用[18]。

有限元分析的建立是基于MRI、CT的原始數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建胸腰椎的三維模型，胸腰椎位于脊柱特殊位置，活動(dòng)度較大，椎體應(yīng)力比較集中，因此老年人、骨質(zhì)疏松患者在突然脊柱椎體受力增加時(shí)易可造成椎體壓縮性骨折[19]。因此對(duì)于脊椎生物力學(xué)的研究來(lái)防治骨折的發(fā)生成為骨科臨床研究的重點(diǎn)。在有限元模型的建立中將一個(gè)實(shí)體整體分割成無(wú)限個(gè)小的單元，小的單元分割得越多越細(xì)，計(jì)算出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確[20]。有限元模型的建立是通過(guò)Mimics軟件對(duì)實(shí)物原數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，經(jīng)過(guò)Geomagic逆向軟件和擬合曲面工具對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化、降噪、光順處理將三維模型整合成一個(gè)實(shí)體模型；再通過(guò)Solidworks軟件對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化，添加終板、纖維環(huán)、髓核、關(guān)節(jié)軟骨、黃韌帶等軟組織，為下一步利用Ansys FEA軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料賦值、設(shè)置條件及加載方式做好準(zhǔn)備，進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而得出椎體生物力學(xué)應(yīng)力數(shù)據(jù)云圖。

3 OVCF有限元模型的有效性驗(yàn)證

在進(jìn)行脊柱椎體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，必須對(duì)建模成功后的椎體進(jìn)行生物力學(xué)驗(yàn)證，以驗(yàn)證模型的可靠性、精準(zhǔn)性。OVCF有限元模型的有效性驗(yàn)證主要分為直接驗(yàn)證和間接驗(yàn)證。直接驗(yàn)證的準(zhǔn)確性、可靠性較高，但難度系數(shù)較大。間接驗(yàn)證是將椎體模型的不同位置受力情況及角位移與標(biāo)準(zhǔn)脊柱生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)比兩者的結(jié)果來(lái)判斷所構(gòu)建模型的有效性。權(quán)禎等[21]在眾多OVCF志愿者病例中篩選出1名T12椎體壓縮性骨折患者對(duì)其椎體進(jìn)行建模，利用CT對(duì)脊柱T11～L2椎體進(jìn)行掃描，將掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為DICOM格式，導(dǎo)入Mimics 19.0軟件、Geomagic Warp 2017軟件、Solidworks 2017軟件、Ansys Workbench 17.0軟件對(duì)CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行提取轉(zhuǎn)化，光順，特征去除，細(xì)化、添加附屬結(jié)構(gòu)及材料屬性，坐標(biāo)、邊界條件、載荷設(shè)定進(jìn)行生物力學(xué)分析。成功建立T12椎體且進(jìn)行有限元分析得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與以往脊柱生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果位移趨勢(shì)一致。劉儉濤等[22]提取1名健康志愿者腰骶段(L3～S1)CT斷層掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)建模所需的上述軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、加工、建模、賦值、等處理后成功構(gòu)建出有限元模型，并對(duì)L3椎體模型給予8Nm的彎矩載荷以測(cè)量椎體前屈、背伸、左右側(cè)彎及左右扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)椎間隙在上述方向的活動(dòng)度，與之前在新鮮椎體標(biāo)本下相同載荷時(shí)椎間隙活動(dòng)度做對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同載荷下有限元模型與體外力學(xué)測(cè)試椎間隙移動(dòng)度基本一致。肖永川等[23]選取1名健康者行胸腰段(T10～L3)薄層掃描，將掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為DICOM格式，導(dǎo)入Mimics、Geomagic、Solidworks等有限元分析構(gòu)建出椎體模型，最后運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)椎體施加力學(xué)載荷[24]，采用實(shí)體力學(xué)中力矩—旋轉(zhuǎn)角度曲線對(duì)模型椎體進(jìn)行驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果與Panjabi等[25]的體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果顯示模型椎體力矩—旋轉(zhuǎn)角度曲線完全在Panjabi等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，證明有限元分析可以構(gòu)建出具有科學(xué)性、可重復(fù)性及真實(shí)有效的椎體模型。雖然FEA在骨科生物力學(xué)的研究已相當(dāng)?shù)某墒觳⑷〉昧艘欢ǖ某煽?jī)，但是在模型的建造中需要不斷地探索和突破，才能使建造的模型無(wú)限接近于實(shí)體。

4 PKP治療OVCF的有限元生物力學(xué)研究

對(duì)OVCF生物力學(xué)研究的前提是建立有效的脊柱椎體生物力學(xué)模型，用以觀察不同椎體在不同方向受力情況下的生物力學(xué)分布情況。在OVCF發(fā)生后椎體結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的改變，導(dǎo)致椎體的脊柱生物力學(xué)分布情況也發(fā)生了巨大改變，因此，明確PKP治療OVCF術(shù)后脊柱生物力學(xué)的應(yīng)力分布及傷椎術(shù)后椎體內(nèi)骨水泥應(yīng)力分布情況對(duì)OVCF的治療方案的優(yōu)化起到關(guān)鍵作用。因此臨床上眾多醫(yī)者對(duì)PKP治療OVCF的有限元生物力學(xué)進(jìn)行了深入研究。姚龔等[26]通過(guò)建立骨質(zhì)疏松性(T12～L2)椎體壓縮性骨折的術(shù)前及根據(jù)骨水泥在傷椎內(nèi)彌散的三維有限元模型，研究了骨水泥在傷椎內(nèi)的不同彌散方式，對(duì)術(shù)前、后椎體模型施加五種不同方向的載荷，對(duì)比、記錄兩種模型的應(yīng)力分布及形變，發(fā)現(xiàn)骨水泥在傷椎內(nèi)不同彌散的三種模式(骨水泥僅與上終板接觸、骨水泥僅與下終板接觸、骨水泥與上下終板均接觸)，其形變差異不大，但是在Von Mises應(yīng)力值比較中，發(fā)現(xiàn)骨水泥與上下終板均接觸時(shí)Von Mises應(yīng)力值最低，結(jié)果表明骨水泥與上下終板均接觸時(shí)可降低椎體的應(yīng)力水平、減少傷椎及鄰近椎體再發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)。李石頭等[27]利用了1例T12椎體壓縮性骨折的有限元模型，研究不同骨水泥注入量后對(duì)上下終板受力的影響，發(fā)現(xiàn)6個(gè)月后傷椎高骨水泥注入量的患者疼痛明顯高于低骨水泥注入量的患者疼痛，并在傷椎上下終板的應(yīng)力分布對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，低骨水泥注入量會(huì)比高骨水泥注入量在椎體內(nèi)的分布均勻，揭示了在PKP治療OVCF中高骨水泥注入量并不能很好地緩解患者的疼痛，而且會(huì)增加傷椎體及相鄰椎體的退變。王德國(guó)等[28]選取1名男性健康者的T11～L2椎體的CT掃描數(shù)據(jù)，建立了OVCF椎體模型，通過(guò)模擬注入2、4、6ml骨水泥在傷椎椎體內(nèi)分布的情況，獲得骨水泥注入后的模型，研究在模型椎體表面均勻施加300N的不同角度的壓力，發(fā)現(xiàn)注入三種不同劑量的骨水泥后各終板應(yīng)力明顯高于骨折前水平，隨著注入劑量增加相鄰終板應(yīng)力也逐漸增加，但是傷椎應(yīng)力卻呈下降趨勢(shì)，結(jié)果表明在進(jìn)行PKP治療OVCF時(shí)并不是骨水泥注入量越多對(duì)傷椎的恢復(fù)越好，在本次研究中發(fā)現(xiàn)在分別向傷椎注入2、4、6ml骨水泥時(shí)，注入量為4ml比較適宜。李世文等[29]通過(guò)1名接受過(guò)嵌入式椎體后凸成型治療椎體創(chuàng)傷壞死患者的術(shù)后CT掃描數(shù)據(jù)，建立了嵌入式椎體后凸成形與T9～T11椎體成形治療的三維模型，通過(guò)對(duì)不同模型給予一定的軸向壓力和力矩使椎體產(chǎn)生不同方向的運(yùn)動(dòng)，觀察骨水泥在T10椎體內(nèi)的位移變化，發(fā)現(xiàn)嵌入式椎體后凸成形治療的椎體內(nèi)骨水泥的移位量明顯小于椎體成形治療。魯輝等[30]建立了骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的單側(cè)和雙側(cè)入路植入骨填充網(wǎng)袋三維有限元模型，比較在給予一定垂直向下和彎矩載荷作用力時(shí)椎體模型的位移和應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)單側(cè)入路比雙側(cè)入路植入骨填充網(wǎng)袋治療OVCF效果更好。

同時(shí)，骨水泥不同的注入量對(duì)鄰近椎體的影響也是比較明顯的，馬朋朋等[31]建立了T12～L2椎體的三維有限元模型，通過(guò)模擬不同劑量的骨水泥形椎體成形術(shù)，來(lái)觀察不同劑量的骨水泥對(duì)鄰近椎體產(chǎn)生的形變及應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)傷椎行椎體成形術(shù)后上位椎體較下位椎體應(yīng)力大，更容易發(fā)生骨折。李安明等[32]通過(guò)選取30例OVCF L2椎體的CT掃描數(shù)據(jù)，建立了三維有限元模型用以模擬日常生活中不同運(yùn)動(dòng)椎體應(yīng)力情況，通過(guò)向模型椎體施加軸向的壓力，來(lái)觀察行椎體成形術(shù)后相鄰椎體的終板的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)骨水泥的注入量及其彌散分布的大小可對(duì)鄰近椎體產(chǎn)生直接的影響，通過(guò)三維椎體數(shù)據(jù)模擬后得出較小劑量的骨水泥注入椎體后呈雙側(cè)彌散分布時(shí)對(duì)鄰近椎體的應(yīng)力影響較小。陳賢藝等[33]依據(jù)1名健康成人的CT掃描數(shù)據(jù)建立了T12～L1三維有限元模型，比較使用單側(cè)入路與雙側(cè)入路行PKP穿刺對(duì)T12～L1椎體模型術(shù)前、后各種狀態(tài)下的T12椎體、傷椎終板的應(yīng)力及傷椎術(shù)后終板凸起變化，發(fā)現(xiàn)T12椎體終板應(yīng)力在行單側(cè)穿刺時(shí)明顯低于雙側(cè)穿刺時(shí)的終板應(yīng)力，行雙側(cè)入路傷椎術(shù)后終板凸起程度高于單側(cè)入路穿刺，揭示了傷椎鄰近椎體再發(fā)生骨折與椎體成形術(shù)后鄰近椎體終板應(yīng)力增加及明顯的椎體終板凸起有很大的關(guān)系。

5 小結(jié)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和FEA軟件的不斷升級(jí)，為脊柱三維有限元模型的建立提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)FEA各軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取轉(zhuǎn)化之后所建立的模型，可從多角度對(duì)三維模型進(jìn)行分析、驗(yàn)證其模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，F(xiàn)EA已廣泛應(yīng)用于骨科脊柱生物力學(xué)研究之中，且能夠真實(shí)地反映椎體內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，為OVCF傷椎的生物力學(xué)變化提供客觀的數(shù)據(jù)指標(biāo)[34-36]。極大程度上為OVCF的防治提供力學(xué)參考[37]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)OVCF經(jīng)常發(fā)生于前中柱，但對(duì)于較嚴(yán)重的爆裂骨折還涉及到椎體的后柱及后縱韌帶相關(guān)軟性組織，F(xiàn)EA目前在脊柱硬性結(jié)構(gòu)研究分析較多，但是在脊柱椎體周圍軟組織生物力學(xué)的研究較少，因此對(duì)于建立椎體周圍軟性組織的椎體模型研究其生物力學(xué)機(jī)制，具有極其重要的臨床價(jià)值。因此，通過(guò)FEA研究PKP治療OVCF術(shù)后椎體及鄰近椎體終板應(yīng)力變化，對(duì)臨床治療OVCF提供了重要臨床依據(jù)，提高了臨床療效。