PKP不同增强方式对相邻椎体结构生物力学影响的有限元分析

唐勇涛，魏思奇，吴长军，欧阳汉斌，刘 岗

基础研究

PKP不同增强方式对相邻椎体结构生物力学影响的有限元分析

唐勇涛，魏思奇，吴长军，欧阳汉斌，刘 岗

目的探讨经皮椎体后凸成形术（PKP）术中不同椎体增强方式对相邻椎体结构生物力学特性的影响。方法应用1例正常志愿者CT断层扫描数据对T12～L2椎体进行三维重建，共建立3个椎体模型和2组椎间盘模型，基于文献数据对上述结构分别赋予相应的材料参数，设定站立位状态下脊柱承受的轴向压缩生理载荷和边界条件，分别模拟非增强、前柱增强、前中柱增强、中柱增强以及全椎体增强5种不同增强方式的L1PKP模型，对比不同组间结构的应力峰值和分布。结果5组不同增强方式产生的相邻椎体最大应力峰值变化差异均不超过5%；骨折的L1椎体强化后应力峰值显著降低，最大应力降低幅度可达80.85%；T12～L1及L1～L2椎间盘最大应力变化差异分别为5.9%和2.1%。结论PKP在术后早期静态垂直载荷下不会引起相邻结构应力的显著变化，而强化椎体则呈现出显著的应力下降，下降幅度与强化部位、范围密切相关。

胸椎；腰椎；椎间盘；脊柱骨折；骨质疏松；椎体成形术；骨黏合剂；生物力学；有限元分析；应力，物理

有限元分析作为计算力学的重要研究手段，目前已广泛应用于脊柱生物力学研究中。尽管椎体成形术后脊柱生物力学的相关研究国内外已有大量报道，但对于经皮椎体后凸成形术（percutaneous kyphoplasty，PKP）术后相邻椎体的应力变化问题，目前仍未形成一致的结论。研究手段、脊柱节段、增强方式、设计参数的不同，均可导致结果和结论上的差异。本研究通过建立T12～L2椎体的三维有限元模型，研究PKP不同增强方式对相邻椎体结构产生的影响，旨在阐明PKP术后相邻椎体结构生物力学特性的改变机制，为改良术后干预措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 胸腰段椎体压缩性骨折三维几何模型的建立

采集1例正常成人T12～L2椎体CT扫描数据（64排西门子螺旋CT，层厚0.625 mm），共获得316张连续横断面512×512像素的CT图像，以DICOM 标 准 格 式 导 入 Mimics 14.0软 件（Materialise公司，比利时），进行椎体皮质骨和松质骨图像分割处理，对分割的各个结构蒙板提取处理并计算，三维重建后得到椎体皮质骨和松质骨模型，导入逆向工程软件Geomagic Studio 2013（Geomagic公司，美国）进行后处理。完成椎体表面光顺、去特征和精简三角面片操作后，进一步构建曲面片并拟合成实体模型。将上述3个节段椎体的实体模型导入CAD软件UG NX 8.5（Siemens公司，德国）构建椎间盘模型，成功构建T12～L2椎体的三维模型，以组合模型x_t格式输出（图1）。

图1 T12～L2椎体三维重建模型

1.2 椎体三维有限元模型的建立

将椎体模型导入Abaqus 6.14有限元分析软件（达索公司，法国），依据参考文献[1-2]建立材料参数库。相应结构包括皮质骨、松质骨、骨水泥、终板、椎间盘髓核和纤维环，上述结构均简化为各向同性均质材料（表1）。本研究采用单一轴向压缩载荷进行分析，故建模过程中未构建椎间韧带结构；后方小关节结构则采用无摩擦和硬接触的方式建立接触对；椎间盘和椎体之间通过终板结分析结果后处理方面，选取T12～L2椎体和椎间盘的等效应力作为分析指标，以非增强组作为对照获得上述结构指标的组间对比结果。完成设置后，将模型提交至Abaqus求解器进行分析。构进行绑定连接。在网格划分方面，采用修正四面体（C3D10M单元）网格自由划分方式生成网格，对终板、椎间盘和相邻结构的兴趣区域进行网格细化，从而确保计算的精度。在载荷和边界条件设定方面，参照以往文献[3]，对T12椎体上表面施加500 N轴向压缩生理载荷，并完全约束L2椎体下端以及下关节突关节面的6个自由度，最终获得的有限元网格模型如图2所示。完整模型共包含271 475个单元和409 575个节点。

表1 有限元模型不同结构的材料参数[1-2]

图2 有限元网格模型的载荷及边界条件

1.3 PKP不同增强方式的参数设定

选取L1椎体作为压缩性骨折椎体进行模拟，以此作为PKP增强的目标椎体。在Abaqus软件中对L1椎体以矢状面为参考平面进行模型划分，以前柱、前中柱以及中柱共3个部分作为L1椎体增强部位，共划分非增强组、前柱增强组、前中柱增强组、中柱增强组和全椎体增强组等5组模型。对其中3处不同增强部位的单元创建相应单元集合并依次赋予骨水泥的材料属性。在有限元

2 结果

2.1 不同增强方式对T12～L2椎体等效应力峰值的影响

通过计算可获得5组共计15个椎体在不同增强方式下的应力数据（图3）。其中，T12椎体在5种增强方式作用下的应力峰值分别为8.337、8.386、8.449、8.455和8.469 MPa，最大值和最小值之间的差异为1.56%；L1椎体（骨折增强椎体）在5种增强方式作用下的应力峰值分别为8.386、7.263、4.133、5.714和1.606 MPa，最大值和最小值之间的差异为80.85%；L2椎体在5种增强方式作用下的应力峰值分别为8.701、8.704、8.714、8.669和8.687 MPa，最大值和最小值之间差异为0.52%。可见5种增强方式对T12和L2椎体的应力峰值影响并不大；而骨折L1椎体在5种不同增强方式下发生显著的应力峰值改变，且与增强部位、体积密切相关，最小应力峰值出现在全椎体增强组。

2.2 不同增强方式对相邻节段椎间盘等效应力分布的影响

图3 不同增强方式下椎体等效应力峰值对比

如图4所示，对于2组相邻的椎间盘结构，5种不同增强方式均产生了不同的应力峰值改变。对于T12～L1椎间盘，5种增强方式作用下的应力峰值分别为2.501、2.432、2.361、2.382、2.354 MPa，最大值和最小值之间差异为5.88%；对于L1～L2椎间盘，5种增强方式作用下的应力峰值分别为2.208、2.173、2.186、2.167、2.161 MPa，最大值和最小值之间差异为2.13%。可见不同增强方式对T12～L1椎间盘应力峰值的影响大于对L1～L2椎间盘。此外，5种增强方式作用下T12～L1椎间盘和L1～L2椎间盘的应力分布云图呈现出基本一致的特点（图5），可见2组椎间盘的高应力区主要位于纤维环的外环和内环区域（髓核-纤维环交界区），而髓核区则表现为低应力状态。

图4 不同增强方式下2组椎间盘应力峰值对比

3 讨论

3.1 PKP与椎体压缩性骨折

椎体压缩性骨折好发于脊柱的胸腰段椎体，是骨质疏松常见的并发症，老年人多发，特别是绝经后的妇女人群[4]。患者骨折部位持续性疼痛，同时伴有椎体高度丢失、脊柱不稳和脊柱后凸畸形等[5]，严重影响生活质量。临床多采用保守治疗和手术治疗，其中保守治疗主要通过长期卧床休息、支具固定及服用止痛和抗骨质疏松药物来达到治疗目的，但对于老年人而言，存在依从性差、并发症发生率高等问题；手术治疗以经皮椎体强化术（percutaneous vertebral augmentation，PVA）为主，包括经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）和PKP等，两种术式均能快速止痛并强化骨折椎体的强度和刚度，而PKP能更有效地恢复骨折椎体高度，防止后凸畸形进一步发展[6-7]。

然而，随着PKP技术的广泛应用，其所带来的相邻椎体再骨折、相关结构退行性改变等并发症逐渐引起人们的关注。这些并发症的发生是否与骨折椎体PKP术后刚度增加存在直接关联，目前尚未明确。研究表明，在接受椎体成形术的患者中，术后1年内约20%的患者发生椎体骨折，其中相邻椎体骨折占50%[8-10]。在对相邻椎体骨折的进一步机制研究中，不同学者的研究结论截然不同。Aquarius等[11]通过尸体生物力学实验探究椎体强化对相邻节段椎体的影响，结果表明，椎体强化并未使邻近椎体终板的应力峰值显著升高，因此推测相邻椎体继发骨折的原因和椎体强化并无直接关联；Berlemann等[12]则认为，骨水泥灌注后椎体刚度的提高将显著影响整个脊柱序列的力学传导，终板的缓冲功能减弱，相邻椎体椎间盘及终板应力明显增加，椎体骨折风险也相应增加。3.2有限元分析与PKP生物力学

随着计算机技术的快速发展，有限元分析方法目前已被广泛应用于航天、土木工程和机械制造等领域，是一种有效、准确和低成本的力学结构分析方法[13]。同样，在骨生物力学研究中，有限元方法也可对人体骨骼、肌肉和韧带等组织进行仿真分析，特别是在载荷作用下骨骼内部结构的应力应变分析方面，有效弥补了传统生物力学手段的不足，具有不可比拟的优势。Polikeit等[14]通过有限元分析法建立L2～L3椎体三维有限元模型，结果表明椎体强化术可有效增强骨折椎体的刚度和强度，但同时也增加了相邻椎体终板的应力峰值，并改变了相应节段的力学传导模式；徐晖等[3]建立T11～L2椎体的三维有限元模型，认为PKP术后相邻椎体终板应力的增加与骨水泥填充量呈正相关，随着骨水泥填充量的增加，PKP术后相邻椎体骨折的概率随之升高；方国芳等[15]建立L1～L2椎体的三维有限元模型，指出骨折椎体注入骨水泥后其应力发生了转移，终板应力明显减少，但手术对邻近椎体的应力分布和幅值影响不大。

图5 不同增强方式下2组椎间盘应力分布云图

与有限元分析相比，传统生物力学实验尽管从大体上对PKP术后相邻结构的力学特性进行了分析，但既往研究所获得的有限数据尚不足以全面揭示其内在的生物力学机制，也无法就术后相邻椎体发生退行性改变和继发骨折的机制得出明确结论。尽管如此，这些生物力学实验结果为

PKP进一步的有限元建模提供了可靠的数据基础。本研究也正是基于这些数据建立了PKP三维有限元模型，并通过计算力学手段对不同增强方式术后椎体相邻结构的应力分布特性展开深入分析，以此阐明不同椎体增强方式对相邻结构力学传导模式的改变机制。

3.3 PKP不同增强方式对相邻结构生物力学的影响国内外有不少学者围绕椎体成形术骨水泥的用量和部位进行相关研究[1,3,11,14-16]。骨水泥的弹性模量、容积和分布与邻近椎体的退行性改变密切相关，但关于其理想用量和椎体强化的最佳部位尚无一致结论[1,17-19]。特别是对于椎体增强部位，既往文献多以单侧或双侧增强作为影响因素来研究邻近椎体的应力变化特点，而对于矢状面前柱、中柱部位增强所产生的影响却鲜有报道[20-21]。实际上，在整个脊柱结构中，相应椎体在矢状面的局部结构刚度可对主应力的传递方向产生显著影响。因此，本研究围绕椎体的前柱和中柱，采用有限元模拟方法对矢状面的椎体增强方式展开探索，以此作为临床上选择合适椎体部位进行定向增强的理论依据。

3.3.1 不同增强方式下相邻椎体的最大应力峰值

本研究所建立的有限元模型模拟了5种不同增强方式作用下T12～L2椎体的生物力学响应情况。在轴向压缩载荷下，不同增强方式对3个椎体的应力峰值影响并不明显。其中最大应力峰值差异均未超过5%，表明椎体增强并不会显著增加相邻椎体的即时应力峰值。这一结果和国内外多个生物力学研究的结果基本一致[11,15]。然而，同样也有不少大样本量的随机对照临床研究指出，椎体增强术后相邻椎体发生再骨折的风险显著增高[22-23]。造成这一结论差异的原因可能来自多个方面。首先，椎体压缩性骨折主要发生在伴骨质疏松症的中老年人群，此类患者通常需要长期规范化治疗。PKP在有效恢复椎体高度的同时，能够大大缓解椎体骨折产生的局部疼痛，促进患者早期下床恢复日常活动，而这一显著的止痛效果易导致依从性差的患者中断其骨质疏松的后续治疗，使骨质疏松这一根本病因无法得到有效干预，导致相邻椎体再骨折的发生风险无异于初次骨折。其次，本组研究建立的有限元模型并未考虑松质骨的非均质和非线性材料属性，这与人体真实情况存在一定差异，而实际上，与椎体骨小梁结构强度密切相关的非线性弹塑性分析需要较为准确的活体骨组织测定数据，因此，要获得与真实情况较为接近的计算结果并进行临床验证仍需要开展进一步的基础研究。再者，PKP术后椎体高度的恢复尽管可有效纠正椎体后凸畸形，但纠正效果未能精确控制，致使相应节段的力学传导机制可能与术前存在不同程度的差异。本研究有限元模型的分析结果是基于术后即时椎体位置状态所得到的数据，无法反映术后相当长一段时间内发生的力学传导路径变化，脊柱力学传递机制在术后呈现的动态变化过程无法通过单次静态有限元分析得到准确反映。从这个意义上讲，基于个体化动态过程的有限元分析方法有望成为更加可靠的预测分析手段[24]。

3.3.2 不同增强方式对L1骨折椎体应力峰值的影响 对于骨折椎体的应力变化，本研究结果显示，L1责任椎体在不同增强方式下呈现出显著的应力峰值改变，组间最大差异达到80.85%，这一结果和以往文献报道的结论基本一致[15,17]。无论增强部位和增强范围如何变化，骨水泥的弹性模量均显著高于人体松质骨[1,14]，在共同承担轴向压缩载荷的基础上，骨水泥将承载更多的力学载荷，从而分摊了邻近结构的应力，最终表现为另一种形式的应力遮挡效应[25]。本研究中的最低应力峰值出现在全椎体增强组，基本符合生物力学基本规律，这意味着对于骨折椎体，伤椎术后发生再骨折的风险要显著低于相邻椎体，而这一结果也与刘健等[26]的研究一致。此外，不同的椎体增强方式对骨折椎体应力峰值降低的幅度也有所不同。其中，全椎体增强对L1椎体应力峰值的降低作用最大，而前中柱增强方式的应力峰值下降幅度次之，前柱和前中柱两种方式相比非增强组也有一定程度的下降。临床上由于球囊扩展范围有限，PKP可增强的范围无法达到PVP强化程度，但正因如此，也有效避免了骨水泥向椎管渗漏的风险。本研究结果提示临床上应用PKP定向选择椎体中前部进行强化，有利于降低骨折椎体的应力峰值，保证手术安全。

本研究存在一定的局限性。首先，对所建立的有限元模型进行了适当的简化，如椎间盘简化为各向同性、均质的理想线弹性材料。由于模型所采用的载荷幅值为生理性载荷，国内外相关研究已证实该载荷幅值下脊柱相关结构均表现为线弹性的特点，因此，适当的材料特性简化已被国内外学者广泛认同和接受[2,27]。其次，模型采用的不同部位增强方式是以椎体前后径为参考进行理想化划分的，临床上PKP手术操作尚难以达到在数字模型上模拟的精准强化效果；本研究的5种强化方式也仅仅是PKP术中椎体强化方式的代表，更多的是作为指导PKP手术实施的理论依据之一。而未来基于个体化有限元分析方法和精准外科导航技术的结合，将为临床上椎体压缩性骨折的个体化治疗提供更为理想的方案。

总之，PKP术后短期内并不会引起相邻椎体和椎间盘结构应力峰值的显著变化；而增强的目标椎体在应力峰值上将出现显著的应力下降，应力下降的幅度与增强的部位和范围密切相关。提示临床上在保证PKP术中椎体高度恢复的前提下，定向选择椎体前中柱进行强化是一种安全有效的方式。

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（本文编辑：白朝晖）

第八期数字骨科技术（CAD-RP）应用学习班暨第四届广总创伤骨科高峰论坛通知

为促进数字骨科技术——计算机辅助设计-快速成型（computer assisted design-rapid prototyping，CAD-RP）技术的发展与普及，提高骨科医师的数字骨科理论知识和实际操作水平，提升创伤骨科年轻医师处理复杂创伤的理论与实践能力，广州军区广州总医院骨科医院定于2017年7月7至8日举办第八期数字骨科技术（CAD-RP）应用学习班暨第四届广总创伤骨科高峰论坛。本次学习班由广州军区广州总医院骨科医院章莹及丁焕文教授主持，为国家级、全军级和广东省级继续教育项目（8学分），欢迎各位骨科同仁参加。

学习班将由尹庆水、余斌、王钢、黄枫、张元智、唐三元、李彬、陈斌、赵小文、叶哲伟、孙鸿涛、吴增晖、黄华扬、章莹、丁焕文等国内数字骨科及创伤骨科领域权威专家教授理论课程，同时有兴趣的学员还可安排术前计算机模拟演示、快速成型机工作流程及各类快速成型标本展示等内容（需报名时预约）。

学习班报名地点：广州军区广州总医院骨科医院编辑部

授课地点：广州军区广州总医院六号楼（招待所）四楼第二教室

日程安排：7月7日14:30～17:30报到

7月8 日 理论授课

费用：免注册费，住宿可统一安排（需提前预定），食宿费用自理。

报名Email：gzzyy_gk@126.com（邮件主题请标注“学习班报名”）

联系人：麦小红（020-36655321），李恒锐（020-88654551）

通信地址：510010广州市流花路111号广州军区广州总医院骨科医院

报名截止时间：2017年7月1日（限额50人，额满即止）

Effects of various augmentation methods during PKP on the biomechanics of adjacent vertebral structures via finite element analysis

TANG Yongtao*,WEI Siqi,WU Changjun,OUYANG Hanbin,LIU Gang.
*Department of OrthopaedicsⅠ, People's Hospital of Guangming New Strict of Shenzhen City,Shenzhen,Guangdong 518106,China

OUYANG Hanbin,E-mail:robin85@163.com

Objective To investigate the effects of various augmentation methods during percutaneous kyphoplasty(PKP)on the biomechanics of adjacent vertebral structures.Methods A group of a volunteer's CT scan data was obtained for 3D reconstruction of spine,ranging from T12 to L2 vertebrae.A total of five models including three vertebrae and two intervertebral discs were established.Material properties assignment of all above structures,axial compressive load during mid-stance,and boundary conditions were set according toprevious studies.With regard to the L1 vertebrae,various augmentation methods during PKP,including non-augmentation,anterior column,anterior-middle column,middle column,and full vertebral augmentation, were simulated.Comparisons for the magnitude and distribution of peak von Mises stress among five groups were conducted.Results The maximal deviations of peak stress on the adjacent vertebra among five groups were all under 5%;A significant greater decrease up to 80.85%in peak stress was exhibited in the augmented L1 vertebra comparing to those non-augmented adjacent vertebrae;The maximal deviations of peak stress for the intervertebral discs of T12-L1 among the five groups were 5.9%,and 2.1%for L1-L2 respectively.Conclusions In the early stage after PKP,no significant change of peak stress was observed in the adjacent vertebral structures under the static vertical load.However,a significant decrease of peak stress was found in the augmented vertebra,and the decrease magnitude showed a significant correlation to both location and volume of the augmentation.

Thoracic vertebrae;Lumbar vertebrae;Intervertebral disk;Spine fractures;Osteoporosis; Vertebroplasty;Bone cements;Biomechanics;Finite element analysis;Stress,mechanical

R687.42，R683.2，R356.1

：A

：1674-666X(2017)03-167-08

2017-02-28；

2017-04-10）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.03.006

深圳市卫生计生系统科研项目（201402143）

518106广东，深圳市光明新区人民医院骨一科（唐勇涛，魏思奇，吴长军，刘岗）；510515广州，南方医科大学基础医学院人体解剖学教研室（欧阳汉斌）

欧阳汉斌，E-mail：robin85@163.com