骨质疏松症患者脊柱胸腰段椎体力学稳定性变化与椎体压缩性骨折风险预测的有限元分析

秦大平，张晓刚，权祯，张华，曹林忠，陈钵，徐斌，徐世伟

1.甘肃中医药大学中医临床学院，甘肃兰州730000；2.甘肃中医药大学附属医院脊柱外科，甘肃兰州730020

前言

骨质疏松症（Osteoporosis,OP）是骨科增龄性骨骼疾病之一，以骨量减少、骨微结构破坏、脆性骨折为主要特征，是中老年患者发生日常活动受限、骨折、致残的高危疾病因素。根据2018年国家卫健委发布，我国65 岁以上人群中，OP 的患病率达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%，城市地区人群中OP 患者占比为25.6%，农村地区人群中OP 患者占比为35.3%［1］。调查显示，我国40～49 岁人群OP 患病率为3.2%，其中女性人群中OP 患者占比4.3%，城市地区人群中OP患者占比中3.5%，农村地区人群中OP 患者占比3.1%。50 岁以上人群中OP 患病率为19.2%，其中女性人群中OP 患者占比32.1%，城市地区人群中OP 患者占比16.2%，农村地区人群中OP 患者占比20.7%［2］。目前中国骨质疏松和骨量减少人数将近3亿人［3］。骨质疏松性骨折是OP 最严重的后果，是老年患者致残和致死的主要原因之一。由此带来的高风险、高死亡率和高医疗耗费已经成为了全球共同关注的公众健康问题［4-5］。

针对OP 患者的脊柱胸腰段椎体、椎间盘、髓核、纤维环、关节突及周围附属结构应力异常变化与正常人体有限元对比分析，明确其椎体及附属结构骨弹性模量的异常改变和周围附属结构的束缚力下降，引起筋骨系统平衡失常和长期稳定性的下降，进而增加脊柱胸腰段椎体骨折的退变过程和风险，并针对椎体压缩性骨折风险做预防策略的干预。

1 材料与方法

1.1 一般资料

1.1.1 正常胸腰椎三维有限元模型的建立与有效性验证选择没有脊柱胸腰椎椎体伤病史的健康志愿者男女各1 人，男性69 岁、女性75 岁，身高分别为174、161 cm，体重分别为64.2、56 kg，X线检查排除胸腰椎相关病变，无明显畸形、增生、退变等。同时排除其他脊柱疾患病史、脊柱手术病史。使用西门子64 排螺旋CT 行T11椎体上缘至L2椎体下缘扫描，扫描条件140 kV，200 mA，层厚0.625 mm，以512×512像素DICOM 格式提取CT 数据。建立人体正常脊柱胸腰段T11～L2的有限元模型，运用软件Mimics 21.0将CT 数据转化为STL 格式，通过Geomagic 2013 对数据中的图像进行修补、去噪、铺面并转化为NURBS曲面模型，通过Hy-permesh 12.0 完成对所建模型前处理，在Abaqus 6.14 软件中完成有限元数据分析。在完成材料属性赋值、连接定义、网格划分以后，将L2椎体下部设为固定并定位基准平面，X 轴垂直于基准平面限定垂直载荷，Y 定义为3 个椎体矢状面限定左右侧屈载荷，Z 轴定义为冠状面限定屈曲载荷，按照椎体前柱和中柱承担载荷85%、后柱承担载荷15%的标准，自T11椎体上缘分别施加500 N的垂直向下载荷，同时分别施加7.5 N·m的前屈、左侧屈、右侧屈力矩模拟腰椎轴向、前屈、左右侧屈、后伸及旋转活动，并对活动度进行有效性验证［6-9］。

1.1.2 模型的材料属性参数根据目前国内外人体脊柱有限元文献资料和实验测量及有限元模型验证结果［6,10-13］。将各结构的材料性质导入ANASYS 17.0进行计算和分析（表1）。

表1 有限元分析模型各结构材料属性参数Tab.1 Properties parameters of each structural material in finite element analysis model

1.1.3 正常胸腰椎三维有限元模型网格划分Mimics 中进行面网格划分（Remesh）后，优化重组将三维模型以ANSYS element 文件格式输出至ANSYS，进行体网格划分，划分为六面体10 节点（Solid 2017）单元，单元（Elements）数为265 468，节点（Nodes）数目为450 939（图1～3）。

图1 正常人体胸腰段（T11～L2）的网格模型（a）和轴向受力图（b）Fig.1 Grid model of normal T11-L2(a)and axial load(b)

1.1.4 骨质疏松性胸腰椎三维有限元模型的建立与有效性验证选择2 例住院老年OP 女性患者胸腰椎CT 及MRI 扫描资料，年龄分别为75 和78 岁，诊断、纳入标准参考《原发性骨质疏松症诊疗指南（2017）》［14-15］：①急性、轻度或中度暴力造成的骨折。②腰背部疼痛视觉模量（VAS）评分≥5。③受伤椎体MRI 检查T1加权像呈高信号，T2加权像呈低信号。④采用双能X 线吸收法（DEXA）测定L2～4椎骨密度，T值=（实测骨密度值-中国正常青年人峰值骨密度值）/中国正常青年人峰值骨密度的标准差（SD）；T值≥-1.0SD属正常；-2.5SD＜T值＜-1.0SD为骨量低下或骨量减少；T值≤-2.5SD为OP；伴有一处或多处非暴力性骨折为严重骨质疏松症［16］。X 线片排除脊椎压缩性骨折、肿瘤、结核等其他相关疾病，建立T11～L2骨质疏松性椎体的三维有限元模型并验证有效性。

图2 正常T11椎体上表面施加弯矩模拟Fig.2 Bending moment applied on the upper surface of vertebral body T11

图3 前屈（a）、后伸（b）、左侧弯（c）、右侧弯（d）、左旋转（e）、右旋转（f）、轴向（g）状态下正常人体胸腰段（T11～L2）松质骨-关节软骨应力分布图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 骨质疏松性胸腰椎三维有限元模型网格划分Mimics 中进行面网格划分（Remesh）后，优化重组将三维模型以ANSYS element 文件格式输出至ANSYS，进行体网格划分，划分为六面体10 节点（Solid 2017）单元，单元（Elements）数为1 980 018，节点（Nodes）数目为3 030 156（图4～图6）。

图4 骨质疏松症（OP）患者T11～L2椎体的网格模型（a）和轴向受力图（b）Fig.4 Grid model of T11-L2 in osteoporosis patients(a)and axial load(b)

图5 OP患者T11椎体上表面施加弯矩模拟Fig.5 Bending moment applied on the upper surface of vertebral body T11 in osteoporosis patients

2 结果

2.1 正常人体与OP患者脊柱胸腰段有限元模型有效性验证与分析

本研究对正常人体胸腰段（T11～L2）模型进行了7种运动状态下（前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转、轴向）的加载分析，测得各种运动状态下的关节活动度（Range of Motion,ROM），研究结果与国内外文献研究报道结论高度相似［9，17-20］（表2），有限元模型有效可行。

2.2 正常人体与OP患者脊柱胸腰段有限元模型应力变化分析

对所选正常人体胸腰段（T11～L2）模型在不同运动状态下椎体结构的Von Mises 应力、椎体位移变化情况分析，与国内外文献报道和课题组前期研究结果高度一致。正常人体与OP 患者脊柱椎体的材料属性、弹性模量、刚度、强度以及所处的生物力学环境变化进行分析表明，OP 患者在脊柱前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转、轴向7 种运动状态下与正常人体比较，其椎体结构包括椎体、关节突关节、椎间盘、终板、纤维环、髓核的Von Mises 应力有明显降低趋势，椎体最大位移呈现增大趋势（表3～9）。此外本研究对OP 模型的建立并非采用文献中降低正常模型皮质骨、松质骨、终板弹性模量的方法，而是采用临床中根据CT数据与临床症状、骨密度等明确诊断的OP患者数据，与目前文献所提供的模型数据对比更符合临床OP 患者真实的脊柱胸腰段椎体与附属结构的生物力学特性和属性变化。与正常人体模型相比较，从筋骨系统进行分析，骨与肌肉、韧带所代表的动静力变化都有明显的降低，这也印证了临床真实数据的变化，为临床干预策略的标准化建立和完善提供生物力学基础。

图6 OP患者前屈（a）、后伸（b）、左侧弯（c）、右侧弯（d）、左旋转（e）、右旋转（f）、轴向（g）状态下T11～L2椎体应力分布云图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椎体有限元模型关节活动度与既往研究结果对比（°）Tab.2 Range of motion of finite element model of T11-L2 and comparison with previous research results(°)

3 讨论

本文通过对正常人体与OP 患者脊柱胸腰段（T11～L2）在不同运动状态下的有限元分析对其本构进行生物力学分析，结合骨密度、结构、材料属性的变化对骨强度的影响进行分析评估。

OP 是一种与增龄相关的进行性和广泛性疾病，是一种伴有骨骼肌量减少、肌肉力量和（或）肌肉功能减退同时有骨量的丢失、骨组织微细结构破坏、骨骼脆性增高，骨折发生风险增加的综合征。其核心病机是筋骨失衡，即骨骼肌肉系统之间的生理动态平衡的异常变化，表现为肌肉收缩力学负荷对骨骼机械力的影响，以及肌肉与骨骼间力学生物信息调控机制［21］。

利用有限元法对正常人体与OP 患者的脊柱椎体材料属性、弹性模量、刚度、强度以及所处的力学生物学环境变化进行分析表明，OP患者在脊柱前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转、轴向7种运动状态下与正常人体脊柱胸腰段比较，其椎体结构的Von Mises 应力有明显降低趋势，椎体最大位移呈现增大趋势。这种力学强度变化和材料属性改变导致脊柱椎体与周围附属结构及相邻椎体应力发生变化，是骨质疏松性骨折、邻近椎体骨折和脊柱功能稳定性下降和腰背部疼痛、活动受限、脊柱后凸畸形加重等一系列并发症出现的关键因素。通过有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）对正常人体脊柱与OP患者胸腰段力学特性变化分析，可明确其椎体及附属结构骨弹性模量的异常改变，并针对椎体压缩性骨折风险制定和进一步规范预防策略。针对不同OP 患者进行预防性干预，增加椎体及周围结构的应力，提高骨骼肌肉系统的应力阈值，重塑“骨张筋、筋束骨”生理状态，重建脊柱关节的生物力学平衡，有效降低骨质疏松性椎体压缩骨折（Osteoporotic Vertebral Compression Fractures,OVCF）的发生。

表3 正常模型与OP模型不同运动状态下椎体结构应力-位移变化Tab.3 Changes of stress-displacement of vertebral structure in normal model and osteoporosis model

表5 正常模型与OP模型不同运动状态下椎间盘、终板最大等效应力变化（MPa）Tab.5 Changes of maximum equivalent stress of intervertebral disc and endplate in normal model and osteoporosis model(MPa)

表6 正常模型与OP模型不同运动状态下终板最大等效应力变化（MPa)Tab.6 Changes of maximum equivalent stress of endplate in normal model and osteoporosis model in different motion states(MPa)

表7 正常模型不同运动状态下松质骨最大等效应力变化（MPa）Tab.7 Changes of maximum equivalent stress of cancellous bone in normal model in different motion states(MPa)

如何寻找和探索符合椎体长期稳定状态和脊柱筋骨动态平衡的预防性干预标准是今后脊柱外科临床长期研究要解决的问题，而骨的稳定与支撑结构是由肌肉、肌腱、韧带、筋膜等即“筋”所产生的应力载荷变化的力学调控系统的控制，通过这种力学调控起到“筋-骨”结构、功能与生物特性的平衡关系；这种力学调控过程符合Wolff 定律，通过对“筋”的微环境的调控来调节骨骼发育、修复和重建。

预防性干预过程就是通过对骨骼肌的外力靶点作用将力学信号转化为生物学信号，激活与敏化生物学信号通路转导环节，调控“筋-骨”之间能量转换、化学元素、分子信号、靶向基因的相关表达，维持“筋-骨”之间的动态平衡［22］。

表8 正常模型与OP模型不同运动状态下纤维环最大等效应力变化（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”理论指导下采用不同干预方法逆转“筋骨失衡”的病理状态［5,23-24］，调和脏腑、筋络、关节气血的运行，重建脊柱关节的生物力学平衡，达到治病疗伤的目的，改善OP 患者脊柱椎体的材料属性、力学生物学环境、椎体刚度、强度，重塑和恢复椎体附件、椎间盘、软骨终板、相邻椎体之间的平衡状态。

通过FEA 对正常人体脊柱与OP 患者胸腰段力学特性变化分析，能够明确脊柱筋骨系统失衡状态的关键异常或病理应力的来源和存在区域，为改变“筋出槽、骨错缝”的病理状态，建立外来干预策略，恢复脊柱椎体肌肉、韧带、椎间盘等椎体附属结构正常应力变化，即重塑“骨张筋、筋束骨”生理状态，重建筋骨生物力学平衡。

表9 正常模型与OP模型不同运动状态下髓核最大等效应力变化（MPa）Tab.9 Changes of maximum equivalent stress of nucleus pulposus in normal model and osteoporosis model in different motion states(MPa)

但是，复位后对其椎体高度恢复与其脊柱力学稳定性差异性评价与研究至关重要，如何应用先进的方法研究传统手法的相关生物力学问题以及建立复位手法科学标准显得非常重要。

近年来已有不少学者利用先进的计算机技术和FEA方法研究脊柱骨骼-肌肉系统生理与病理力学稳定变化机制［25-30］。应用数字化骨科技术揭示人体脊柱胸腰段骨骼-肌肉系统即“筋-骨”系统生理与病理生物力学变化机制及关键应力区域变化的差异性对脊柱功能的影响，更好为OP 患者预防性干预策略的标准化建立和完善提供理论和生物力学依据。