单侧与双侧入路椎体成形后椎间盘生物力学分析

隆全利 任国玲 孟丽 孙建筑 白胜辉 胡建威

（唐山市丰润区人民医院 河北唐山 063000）

单侧与双侧入路椎体成形后椎间盘生物力学分析

隆全利 任国玲 孟丽 孙建筑 白胜辉 胡建威

（唐山市丰润区人民医院 河北唐山 063000）

根据患者的CT图像资料建立椎体的L1到L2三维有限元模型，然后将材料信息输入，设立模型的边界条件，将轴向负载， 施加在有限元模型上，模拟人体重力方向。根据结果评价单侧及双侧入路椎体成形术后椎间盘应力分布情况。随着负载力的增加，应变和应力也会逐渐提高，导致患者的椎间盘发生近似线性的弹性变形，但变形程度较小。椎间盘的应力出现集中现象，如果单独考虑生物力学，双侧人路注射比单侧注射方法有明显的优势。

椎间盘 单双入路 弹性变形 有限元

引言

作为一种微创手术,椎体成形术指的是将骨水泥从椎弓根注射入椎体当中,以期改善患者椎体的变形程度,并发挥出稳定骨折的效果,同时缓解腰痛,现在已在临床得到广泛应用。病人穿刺后偶尔出现腰疼加重及下肢麻木的情况,除了受到患者本身椎间盘或脊柱等因素的影响外,很大程度上可能来自椎体成形术本身,因为穿刺方法和注射骨水泥的方式均会直接影响椎体内骨水泥的分布从而影响椎间盘,从而造成腰及双下肢症状。就目前看来,椎体成形术包括了单侧穿刺和双侧穿刺,虽然治疗效果没有显著区别,但在是否其力学分布上也相似？特别是椎间盘的生物力学,其对临床症状的影响更大,本研究利用几何生物力学模型对两种穿刺法进行分析,旨在找到更佳的穿刺方式。

1 材料和方法

1.1 原始数据来源

模型的原始影像是一位男性患者,患者进行了椎体成形术,手术采用单侧入路,注射骨水泥6ml,对患者椎间盘L1到L2节段利用CT扫描进行术前、术后的诊断扫查,将层厚设置为0.75mm,并将数据集分辨率设定为512×512×90,通过CT扫查获取相应节段的影像。之后使用PHOTO SHOP软件 对图像进行模拟计算,并在软件中虚拟双侧穿刺,患者左右侧各注入骨水泥3ml。

1.2 对三维几何模型进行建立

将得到的CT图像使用阈值分割法以及人工分割法进行分割,之后利用ansys商业软件进行下一步操作。将点和面的相关信息完整输入软件,从而保证实体模型的完备,之后在网格划分的基础上将各种材料信息详细输入,从而建立起实体模型［1］。

1.3 有限元模型施加负载

本研究在施加负载之前,对椎体及椎间盘模型进行了下位椎体下表面的固定。在患者的受损椎体上施加纵向负载,负载力为500N,并成倍增加,直到2500N为止,从而模拟出各种负载力施加下椎体以及椎间盘当中应力的变化情况。与此同时,观察此过程中骨水泥在两种入路注射情况下发生的生物力学变化。

2 结果

经过分析研究我们发现,随着负载力的增加,应变和应力也会逐渐提高,导致患者的椎间盘发生近似线性的弹性变形,但变形程度较小。单侧穿刺注射骨水泥会承受更大的应力,同时椎间盘的应力出现集中现象。

3 讨论

本研究课题具有如下特点：（1）具有较强的可比性及真实性。研究中所用病例为实际病例,患者接受的是单侧入路椎体成形术。在临床治疗中,对于仅有一个椎体骨折的患者来说,不可同时进行单侧穿刺和双侧穿刺；而如果研究不同的患者或者不同的椎体,由于椎体间存在较大差异,那么很可能失去可比性。因此如何对单侧穿刺椎体成形术和双侧穿刺椎体成形术的优劣进行准确的评价呢？无论是使用干湿标本还是在现实治疗当中都无法实现两种方式的同时应用,因此需要找到一种仿生学来解决这个问题,而有限元分析方法将这一研究付诸于了实践。（2）在本次研究中,由于计算量十分大,因此应用了展磊［2］论文中所提到的一个数学模型,并参考了文中的三维有限元分析,同时还参考了林宏銘［3］所著的椎体成形术之生物力学分析。

［1］陈响，李海云，杨新建.一种基于影像特征经皮椎体成形术生物力学稳定性评估的有限元模型［J］.中国组织工程研究与临床康复，2007，9：1796-1800.

［2］展磊.股骨头坏死的三维有限元分析及与治疗方法选择的研究广州中医药大学2008.博士论文.

［3］林宏铭.椎体成形术之生物力学分析台湾国立阳明大学2003 硕士论文.

R-3

A

1674-2060（2016）03-0123-01