经皮椎体成形术治疗骨质疏松性压缩性骨折的有限元力学分析

黄 宇 林 晋 陈宣维 许卫红 林建华

(福建医科大学附属第一医院脊柱外科，福建 福州 350005)

1984年法国医生Dearmnod首先应用经皮椎体成形术(PVP)于临床〔1〕，近年来，因其创伤小、疗效确切等优点，已成为治疗老年骨质疏松性椎体压缩骨折首要选择。但广泛应用的同时该手术的并发症逐渐显现〔2～4〕，其中对于是否提高了邻近椎体骨折的危险性，争议颇大，骨水泥的注射量始终是研究讨论的焦点。目前研究普遍表明〔5〕，骨水泥注射容量与疼痛缓解之间没有显著相关性，但是骨折椎体的刚度与硬度的恢复却严重依赖骨水泥的剂量，剂量越大，骨折椎体的刚度与硬度恢复越多。因此，目前普遍认为PVP降低了治疗节段发生新发骨折的概率，但却会增加相邻椎体发生骨折的概率。本研究建立胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折的病理三维有限元模型，通过模拟PVP术在L1 注入临床常用不同容量的骨水泥(2、4、6、8 ml)，分析手术前后病椎及邻近椎体应力变化情况。

1 材料与方法

1.1有限元模型的建立 采用的影像资料来自一位35岁男性健康志愿者，取T12～L2节段1 mm薄层CT扫描影像，圈选椎体轮廓，利用计算机辅助设计软件MIMICS10.0实现建立椎体的三维实体模型，以三维有限元分析软件ANSYS12.0调用椎体模型，并手工依据解剖图谱测量及文献报道的经验，添制椎间盘、髓核及椎体后方结构的理想化模型，实现最终建模(图1)。

图1 T12-L1三维有限元模型

1.2材料参数的设定 根据文献报道〔6～8〕的经验，对椎体皮质骨、松质骨、后方小关节、终板、纤维环、髓核分别以不同的元件加以模拟，并以恰当的分割方式将其网格化，设置相应的物理参数：皮质骨弹性模型8 040 Mpa,泊松比0.3；松质骨弹性模型34 Mpa泊松比0.2；终板弹性模型670 Mpa泊松比0.4；椎体后部弹性模型2 345 Mpa泊松比0.25；椎间盘纤维环弹性模型4.2 Mpa泊松比0.45；髓核弹性模型1.0 Mpa泊松比0.499；骨水泥弹性模型3 000 Mpa泊松比0.41，依据文献中报道〔9〕的有关骨质疏松骨密度值和正常骨骼骨密度值的测量数据，建立骨质疏松模型。依据Pollketi等〔10〕实验，将使实验节段的强度和稳定性下降约35%，这符合既往生物力学实验中报道的关于骨质疏松椎体强度与硬度的结论。

1.3PVP手术的模拟 在ANSYS10.0建立好的T12-L2三维有限元模型上实施模拟操作，模拟PVP手术过程在L1椎体松质骨内置入骨水泥，沿椎弓根方向，平行与L1椎体上表面，改变部分松质骨单元的材料性质为骨水泥(PAMA)的材料性质，形成圆柱形骨水泥块，基本位于椎体中心，容量先后设置为2、4、6、8 ml。

1.4边界条件及载荷的设置 参照Libschner等〔11〕研究中实验施力设定与装置，将所有模型固定在两个刚性板之间，下板固定，上板给定轴向负荷和弯曲力矩，整个模型采用力量控制，加载轴向应力模拟自身重力，将L2椎体底部及后方关节突等处的最低点设置约束，加以固定，文献报道4 N·m的弯曲力矩对腰椎各元件的结构不会造成破坏，因此本实验给定4 N·m的弯曲力矩，分别向前、向左侧模拟前屈、侧弯，向右模拟旋转。

2 结 果

随着骨水泥注入量逐渐增大，如从术前至4 ml，病椎在不同体位下的应力大致都是先逐渐增高，但当注入量超过4～8 ml之间，除侧弯体位下，其余体位病椎应力均逐渐减小。见表2。

随着骨水泥注入量逐渐增大，临近椎体的各体位应力变化大致未见明显改变。随着骨水泥注入量逐渐增大，病椎在前屈体位下所受应力最大，在后伸体位下所受应力最小；而临近椎体在后伸体位下所受应力最大，其他体位应力较小。见表2。

表2 术前及注入不同剂量骨水泥不同体位下T12、L1形变及应力变化

3 讨 论

老年人胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折是骨质疏松最常见的并发症之一，轻微外伤即可造成多阶段的椎体压缩性骨折，甚至出现脊髓损伤。其治疗包括外科干预、应用抗骨质疏松性药物、功能锻炼。目前国内外已广泛应用PVP及经皮后凸成形术(PKP)于骨质疏松性椎体压缩性骨折、椎体血管瘤、椎体转移瘤和骨髓瘤等的治疗，均取得了良好的临床效果。

经皮椎体成形术适当的骨水泥注射量可达到止痛和恢复椎体强度的目的，故一直是临床研究的焦点。PVP手术的止痛机制不明，可能有机械性、血管性、化学性、热效应等多方面因素共同参与其中。目前研究普遍表明〔5〕，骨水泥注射容量与疼痛缓解之间没有显著相关性。但是骨折椎体的刚度与硬度的恢复却依赖骨水泥的剂量。

Deramond等〔3〕通过调查分析得出椎体常规注入骨水泥的量：胸椎4～6 ml、腰椎7～10 ml可取得较好的临床疗效，此后Baroud 等〔12，13〕研究发现仅小剂量骨水泥填充即可使椎体硬度恢复到损害前的水平。而在临床中过少的骨水泥无法恢复椎体的硬度，过多的骨水泥填充将使椎体的硬度超过完整椎体的水平，进而使椎间盘压力及相邻椎体负荷增加，从而增加相邻椎体骨折的风险。

本实验通过建立老年骨质疏松性压缩性骨折的三维有限元模型，探讨在不同骨水泥注射量下(2、4、6、8 ml)病椎及临近椎体不同体位的应力变化。研究表明，小剂量骨水泥注入(2～4 ml)，病椎所受应力逐渐增加，较大治疗量骨水泥注入(4～8 ml)，随着病椎硬度及刚度加强，其所受应力逐渐下降；而临近椎体在骨水泥注入量逐渐增加过程中，所受应力未见明显改变，故而在能够避免大治疗剂量骨水泥注入所带来并发症(如渗漏)前提下，4～8 ml骨水泥注入量更加有效，且不增加临近椎体骨折的风险。而在术前，因病椎在前屈体位下所受应力最大，后伸体位下所受应力最小，故应避免前屈体位而致骨折加重；在术后，病椎强度及刚度增强，临近椎体在后伸体位下所受应力最大，故应避免后伸体位而致临近椎体骨折风险加大。

有限元法是数值计算中的一种离散化方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。Belytschko 等〔14〕将有限元分析法首次应用于脊柱生物力学研究至今，有限元分析广泛应用于脊柱外科学生物力学研究中，通过分析可以较为全面的理解胸腰椎各种内固定手术及术后产生的长期生物力学改变，尤其是内部应力的变化规律，提供融合术后邻近脊柱结构的应力变化，对预测手术的远期疗效及其并发症的预防具有重要意义。本研究中的脊柱胸腰段骨质疏松性压缩性骨折，有限元分析法更是具有临床应用前景及独特价值。

由于有限元分析研究方法本身的局限性、脊柱解剖及人体材料的精细性多样性、骨质疏松性压缩性骨折病理过程的复杂性，本研究选择骨质疏松性压缩性骨折好发区T12～L2，建立骨质疏松性压缩性骨折三维有限元模型进行PVP模拟，得出大体应力分布趋势，其实验结果将进一步应用于临床，检验实验结果的正确性。

4 参考文献

1Galibert P，Dermaond H，Rosat P，etal.Perliminary note on the treatment of vertebral angloma by percutaneous acrylic vertebralplasty〔J〕.Neurochirurgie，1987;33(2):166-8.

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3Dearmond H，Depriester C，Galibert P，etal.Percutaneous vertebroplasty with polymethylmethacrylate:techniques indications and results〔J〕.Radiol Clin North Am，1998；36(3):533-46.

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12Baroud G，Nemes J，Heini P，etal.Load shift of the intervertebral disc after a vertebroplasty：a finite element study〔J〕.Eur Spine J，2003；12(4)：421-6.

13Molly S，Mathis JM，Belkoff SM.The effect of vertebral body percentage fill in mechanical behavior during percutaneous vertebralplasty〔J〕.Spine，2003；28(14)：1549-54.

14Belytschko TB，Andriacchi TP，Schuhz AB，etal.Analog studies of forces in human spine:computational techniques〔J〕.J Biomech,1973;6(4): 361-71.