有限元分析在PKP治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折脊柱生物力学的研究应用

姚鹏程 马斌祥 关永林 孙乐伟 张 洋 邓 梦 常 斌

1 甘肃中医药大学，甘肃省兰州市 730000； 2 甘肃省中医院

根据流行病学研究调查显示，截至2022年我国60岁以上老年人口数量将有可能超过2.2亿，流行病学统计机构预测到2050年，全世界60岁以上人口将达到60亿，随着老龄人口数量的增加，我国骨质疏松症患者人数已位居于世界前列，老年人身体各个器官功能逐渐衰退，使骨吸收大于骨形成，而导致骨量下降、骨质越发松弛，骨质疏松已经严重威胁到了全人类的骨骼健康问题[1-4]。骨质疏松(Osteoporosis,OP)是一种以骨量减少、骨组织微结构改变为特征，导致骨强度减弱、骨脆性增加，易发生全身性骨折的系统性骨代谢疾病[5-6]。骨折是骨质疏松的常见并发症之一， 骨质疏松性椎体压缩性骨折(OVCF)是老年人常发疾病，尤其是绝经后女性约占骨质疏松性骨折的45%[7]。发病后，骨折局部会产生剧烈疼痛反应，伴随肢体活动受限，严重影响患者生活质量[8]。本文依据有限元分析法(Finite element analysis,FEA)就经皮椎体后凸成形术(Percutaneous kyphoplasty，PKP)治疗OVCF后对脊柱生物力学的影响差异展开综述，明确PKP治疗椎体压缩性骨折的生物力学机制，为脊柱压缩性骨折的防治提供有效的临床指导。

1 治疗OVCF的手术方案

对于OVCF治疗，临床上除了有常规抗骨质疏松药物的治疗外，还有经皮穿刺椎体成形术(Percutaneous vertebra piasty，PVP)、PKP微创手术方案[9]。但是由于患者年龄一般较大，疼痛耐受性也随之减弱，因此应快速减轻患者疼痛症状，然而用常规保守治疗效果不佳[9],应尽快选择微创手术治疗解决患者疼痛。而PKP相对于PVP来说在快速缓解局部疼痛、恢复伤椎椎体高度、恢复椎体生物力学稳定性、防止骨水泥泄漏等方面具有更好的临床疗效[10]，通过行PKP对患者进行治疗，可以得到良好的临床疗效[11]。然而椎体压缩性骨折的主要原因还是骨质疏松，因此行PKP术后还应注重抗骨质疏松治疗以预防术后再发生椎体骨折。同时，经过骨水泥注入伤椎后使伤椎椎体局部密度增加，相邻椎体发生骨折的危险因素增加[12]，且伤椎及邻近椎体的生物力学分布规律尚不明确，自20世纪70年代Brekelmans等将FEA引用到骨科领域后，在脊柱生物力学中的研究应用已相当广泛，通过FEA实现三位一体化的方式对脊椎生物力学分布特征进行多元化研究。

2 FEA在OVCF脊柱生物力学研究中的基本原理及模型的建立

自20世纪70年代Brekelmans等将FEA引用到骨科领域，Belytschko 等[13]首次将FEA应用于脊柱生物力学的研究，之后在骨科建模实验中取得了一系列科研成果[14]。随着计算机应用技术和软件开发的快速发展，FEA广泛应用于机械制造、航天、土木工程及骨科生物力学等相关领域，是一种有效、低成本和可重复分析的力学结构分析法[15-16]。FEA是将一个实体整体分割成无限个小的单元，通过逐个研究这些小的单元，来获得分隔前实体的性质。将不规则的实体分割成的单元越多、越细，计算的结果越准确[17]。人体脊柱椎体形状特殊，传统试验方法很难对脊柱生物力学进行研究，但是FEA在脊柱某一椎体生物力学的研究中起到了关键且不可代替的作用，相比传统试验方法具有可重复实验和更加客观真实的数据等优势，FEA在取得众多骨科生物力学研究成果中起到了关键作用[18]。

有限元分析的建立是基于MRI、CT的原始数据来构建胸腰椎的三维模型，胸腰椎位于脊柱特殊位置，活动度较大，椎体应力比较集中，因此老年人、骨质疏松患者在突然脊柱椎体受力增加时易可造成椎体压缩性骨折[19]。因此对于脊椎生物力学的研究来防治骨折的发生成为骨科临床研究的重点。在有限元模型的建立中将一个实体整体分割成无限个小的单元，小的单元分割得越多越细，计算出的实验结果越准确[20]。有限元模型的建立是通过Mimics软件对实物原数据进行提取，经过Geomagic逆向软件和拟合曲面工具对原数据进行优化、降噪、光顺处理将三维模型整合成一个实体模型；再通过Solidworks软件对实体模型进行细节优化，添加终板、纤维环、髓核、关节软骨、黄韧带等软组织，为下一步利用Ansys FEA软件对模型进行网格划分、材料赋值、设置条件及加载方式做好准备，进行有限元分析，进而得出椎体生物力学应力数据云图。

3 OVCF有限元模型的有效性验证

在进行脊柱椎体生物力学实验之前，必须对建模成功后的椎体进行生物力学验证，以验证模型的可靠性、精准性。OVCF有限元模型的有效性验证主要分为直接验证和间接验证。直接验证的准确性、可靠性较高，但难度系数较大。间接验证是将椎体模型的不同位置受力情况及角位移与标准脊柱生物力学实验的结果进行对比验证，对比两者的结果来判断所构建模型的有效性。权祯等[21]在众多OVCF志愿者病例中筛选出1名T12椎体压缩性骨折患者对其椎体进行建模，利用CT对脊柱T11～L2椎体进行扫描，将扫描的数据结果转化为DICOM格式，导入Mimics 19.0软件、Geomagic Warp 2017软件、Solidworks 2017软件、Ansys Workbench 17.0软件对CT扫描数据进行提取转化，光顺，特征去除，细化、添加附属结构及材料属性，坐标、边界条件、载荷设定进行生物力学分析。成功建立T12椎体且进行有限元分析得出实验数据与以往脊柱生物力学实验结果位移趋势一致。刘俭涛等[22]提取1名健康志愿者腰骶段(L3～S1)CT断层扫描数据，通过建模所需的上述软件进行数据提取、加工、建模、赋值、等处理后成功构建出有限元模型，并对L3椎体模型给予8Nm的弯矩载荷以测量椎体前屈、背伸、左右侧弯及左右扭转运动时椎间隙在上述方向的活动度，与之前在新鲜椎体标本下相同载荷时椎间隙活动度做对比，实验结果表明，在相同载荷下有限元模型与体外力学测试椎间隙移动度基本一致。肖永川等[23]选取1名健康者行胸腰段(T10～L3)薄层扫描，将扫描的数据结果转化为DICOM格式，导入Mimics、Geomagic、Solidworks等有限元分析构建出椎体模型，最后运用Abaqus软件对椎体施加力学载荷[24]，采用实体力学中力矩—旋转角度曲线对模型椎体进行验证，其验证结果与Panjabi等[25]的体外实验数据进行比较分析，对比数据结果显示模型椎体力矩—旋转角度曲线完全在Panjabi等的实验数据范围之内，证明有限元分析可以构建出具有科学性、可重复性及真实有效的椎体模型。虽然FEA在骨科生物力学的研究已相当的成熟并取得了一定的成绩，但是在模型的建造中需要不断地探索和突破，才能使建造的模型无限接近于实体。

4 PKP治疗OVCF的有限元生物力学研究

对OVCF生物力学研究的前提是建立有效的脊柱椎体生物力学模型，用以观察不同椎体在不同方向受力情况下的生物力学分布情况。在OVCF发生后椎体结构发生了显著的改变，导致椎体的脊柱生物力学分布情况也发生了巨大改变，因此，明确PKP治疗OVCF术后脊柱生物力学的应力分布及伤椎术后椎体内骨水泥应力分布情况对OVCF的治疗方案的优化起到关键作用。因此临床上众多医者对PKP治疗OVCF的有限元生物力学进行了深入研究。姚龚等[26]通过建立骨质疏松性(T12～L2)椎体压缩性骨折的术前及根据骨水泥在伤椎内弥散的三维有限元模型，研究了骨水泥在伤椎内的不同弥散方式，对术前、后椎体模型施加五种不同方向的载荷，对比、记录两种模型的应力分布及形变，发现骨水泥在伤椎内不同弥散的三种模式(骨水泥仅与上终板接触、骨水泥仅与下终板接触、骨水泥与上下终板均接触)，其形变差异不大，但是在Von Mises应力值比较中，发现骨水泥与上下终板均接触时Von Mises应力值最低，结果表明骨水泥与上下终板均接触时可降低椎体的应力水平、减少伤椎及邻近椎体再发生骨折的风险。李石头等[27]利用了1例T12椎体压缩性骨折的有限元模型，研究不同骨水泥注入量后对上下终板受力的影响，发现6个月后伤椎高骨水泥注入量的患者疼痛明显高于低骨水泥注入量的患者疼痛，并在伤椎上下终板的应力分布对比中发现，低骨水泥注入量会比高骨水泥注入量在椎体内的分布均匀，揭示了在PKP治疗OVCF中高骨水泥注入量并不能很好地缓解患者的疼痛，而且会增加伤椎体及相邻椎体的退变。王德国等[28]选取1名男性健康者的T11～L2椎体的CT扫描数据，建立了OVCF椎体模型，通过模拟注入2、4、6ml骨水泥在伤椎椎体内分布的情况，获得骨水泥注入后的模型，研究在模型椎体表面均匀施加300N的不同角度的压力，发现注入三种不同剂量的骨水泥后各终板应力明显高于骨折前水平，随着注入剂量增加相邻终板应力也逐渐增加，但是伤椎应力却呈下降趋势，结果表明在进行PKP治疗OVCF时并不是骨水泥注入量越多对伤椎的恢复越好，在本次研究中发现在分别向伤椎注入2、4、6ml骨水泥时，注入量为4ml比较适宜。李世文等[29]通过1名接受过嵌入式椎体后凸成型治疗椎体创伤坏死患者的术后CT扫描数据，建立了嵌入式椎体后凸成形与T9～T11椎体成形治疗的三维模型，通过对不同模型给予一定的轴向压力和力矩使椎体产生不同方向的运动，观察骨水泥在T10椎体内的位移变化，发现嵌入式椎体后凸成形治疗的椎体内骨水泥的移位量明显小于椎体成形治疗。鲁辉等[30]建立了骨质疏松性椎体压缩性骨折的单侧和双侧入路植入骨填充网袋三维有限元模型，比较在给予一定垂直向下和弯矩载荷作用力时椎体模型的位移和应力变化，发现单侧入路比双侧入路植入骨填充网袋治疗OVCF效果更好。

同时，骨水泥不同的注入量对邻近椎体的影响也是比较明显的，马朋朋等[31]建立了T12～L2椎体的三维有限元模型，通过模拟不同剂量的骨水泥形椎体成形术，来观察不同剂量的骨水泥对邻近椎体产生的形变及应力的影响，发现伤椎行椎体成形术后上位椎体较下位椎体应力大，更容易发生骨折。李安明等[32]通过选取30例OVCF L2椎体的CT扫描数据，建立了三维有限元模型用以模拟日常生活中不同运动椎体应力情况，通过向模型椎体施加轴向的压力，来观察行椎体成形术后相邻椎体的终板的应力分布，发现骨水泥的注入量及其弥散分布的大小可对邻近椎体产生直接的影响，通过三维椎体数据模拟后得出较小剂量的骨水泥注入椎体后呈双侧弥散分布时对邻近椎体的应力影响较小。陈贤艺等[33]依据1名健康成人的CT扫描数据建立了T12～L1三维有限元模型，比较使用单侧入路与双侧入路行PKP穿刺对T12～L1椎体模型术前、后各种状态下的T12椎体、伤椎终板的应力及伤椎术后终板凸起变化，发现T12椎体终板应力在行单侧穿刺时明显低于双侧穿刺时的终板应力，行双侧入路伤椎术后终板凸起程度高于单侧入路穿刺，揭示了伤椎邻近椎体再发生骨折与椎体成形术后邻近椎体终板应力增加及明显的椎体终板凸起有很大的关系。

5 小结

近年来，随着计算机技术的开发应用和FEA软件的不断升级，为脊柱三维有限元模型的建立提供了坚实的基础，经过FEA各软件对数据进行提取转化之后所建立的模型，可从多角度对三维模型进行分析、验证其模型的准确性和实用性，FEA已广泛应用于骨科脊柱生物力学研究之中，且能够真实地反映椎体内部各结构的应力情况，为OVCF伤椎的生物力学变化提供客观的数据指标[34-36]。极大程度上为OVCF的防治提供力学参考[37]。经研究发现OVCF经常发生于前中柱，但对于较严重的爆裂骨折还涉及到椎体的后柱及后纵韧带相关软性组织，FEA目前在脊柱硬性结构研究分析较多，但是在脊柱椎体周围软组织生物力学的研究较少，因此对于建立椎体周围软性组织的椎体模型研究其生物力学机制，具有极其重要的临床价值。因此，通过FEA研究PKP治疗OVCF术后椎体及邻近椎体终板应力变化，对临床治疗OVCF提供了重要临床依据，提高了临床疗效。