过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析

谢孝枫，郑 斌，顾雪平，王文晔

·论 著·

过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析

谢孝枫，郑 斌，顾雪平，王文晔

目的研究有限元分析应用于胸腰椎压缩性骨折治疗过程中的结构力学特性。方法选取T11～L2椎体压缩性骨折患者10例，根据其210层CT影像学检查结果建立T11～L2椎体压缩性骨折的有限元模型，对已完成的模型实施有效验证后模拟并建立过伸手法复位三维模型，根据分析计算结果探究受压缩椎骨复位前后形状变化以及各位置压力分布情况。结果通过构建胸腰椎压缩性骨折的三维有限元模型，其模拟外观直观清晰且具有结构力学应力分析能力，给予手法复位后其压缩的椎体出现较为明显的过伸，同时，在其过程应用的手法复位原理与经典的胸腰椎体力学试验结果一致。三维有限元分析相比传统研究方法更为精确可靠，其成本较低，更易于操作研究。结论利用建立三维有限元分析技术研究胸腰椎压缩性骨折以及手法复位的力学特点，其结果直观、精确，易于分析比对且操作简易，值得广泛应用及推广。

胸腰椎压缩性骨折； 手法复位； 有限单元法； 生物力学； 3D模型

过伸复位法治疗压缩性脊椎骨折的机制主要为利用上半身和下半身的相对运动以使受伤部位弧形弯曲并产生牵引力,最终使椎体复位,其核心原则为受伤部位曲率半径越小,牵引力就越大,复位效果越好。目前，有限单元法常用于工程力学分析，是一种主要用于分析结构应力分布的计算方法。20世纪末，有研究者将其用于医学领域分析并研究生物力学的相关实验。目前，关于有限单元法应用于胸腰椎骨折过伸复位应力特点及其分布的报道较少[1-3]。本研究通过针对胸腰椎压缩性骨折患者的CT检查结果进行三维有限元分析，研究并讨论模拟临床手法复位结果，计算各结构位置应力分布情况，比对传统试验结果发现三维有限元分析应用于骨折复位手法分析意义显著。

材料与方法

1研究材料

选取2016年T11～L2椎体压缩性骨折患者10例，男性5例，女性5例；年龄58～62岁，平均61.1岁；身高160～175cm，体重65～90kg。患者入院均摄胸腰部正侧位X线片、胸腰部MRI以及螺旋CT连续扫描T11～L2椎体检查，结果示：胸腰椎体压缩性骨折，压缩度I～II度。所有患者一般状况良好，除骨折外未见其他异常。影像学检查数据以Dicom3.0标准录入研究过程。本研究未存在伦理研究冲突，入选患者均为退休工人、教师、企事业单位工作者等，本人知情并认可实验过程及目的。

入选标准：(1)明确存在胸腰椎压缩性骨折且未合并严重并发症，能够配合进行相关影像学检查的患者；(2)既往无严重并发症以及相关骨骼基础疾病，如骨肉瘤、骨结核等；(3)患者除胸腰椎外伤外不存在可致骨质疏松或畸形的营养代谢异常[4]。

排除标准：(1)患者除胸腰椎压缩骨折外合并严重并发症，生命垂危；(2)患者既往存在严重基础疾病，营养状况极差。

2方法

2.1研究设备及软件 采用以下电脑研究环境：Intel Core i7 4770K处理器，16G内存，21寸液晶显示器，4G显存，GTX960显卡，Windows 7(微软公司)操作系统。分析软件：Mimics 10.01(Materialise公司)，Ansys10.0(ANSYS公司)有限元分析软件。

2.2有限单元模型的建立 通过Mimics软件获取以Dicom格式储存的CT断层影像结果数据。通过定位、组织骨折椎体及其周围图片，采用内插值处理以及区域增长方法分离胸腰椎骨组织图像，通过3D演算以建立网格化的胸腰椎体3D立体模型。将上述3D模型胸腰椎关节相关数据导入Ansys10.0进行进一步分析实验，根据不同的部位采用适当的单元类型以及定义常数并将椎体图形数据进行网格划分。划分椎体网格后，将图形数据再次导入Mimics进行分析，应用经验化数据赋予不同材料部位不同的CT值[5]。最后将已经赋予模型化数据转入Ansys后应用单元模拟化各部位及韧带解剖部位，同时完善各解剖韧带起止点模型建立工作。最后根据不同部位关节面模拟相应空间位置关系。

2.3手法复位模拟过程及有效性验证过程 依据以下手法特征和受力特点进行过伸手法复位的三维模拟：嘱患者取俯卧位，给予胸下垫枕使其上胸离开床面约10cm,以按摩手法轻柔放松其腰背肌肉后由助手固定患者腋下并嘱其余操作人员各持一腿,前后进行对抗牵引将患者身体拉直,同时嘱患者下半身再牵引过程中逐渐抬高使身体与床面形成45°。术者于患者左侧以左手掌根压于后突的椎棘突,右手环抱患者两大腿,其余操作助手继续抬高下半身,术者左手掌根骤然发力弹压并用右手抱两大腿背伸使患者脊柱背伸达90°,此时常可听见响亮的咔嚓音,即过伸复位特有声音，复位完成后将患者缓缓放平,触摸后突的椎棘突已平复，若其响声不明显或复位不满意可按照上述手法重复进行。根据上述模拟后，将其结果与经典的胸腰椎体力学试验结果相比较，验证所模拟试验的可行性及有效性。

3相关指标的读取及分析

运算完成后将结果提取，选择不同复位部位支点查看其骨折模型的复位后形状变化，并分析研究其椎体结构力学分布情况。

结 果

1患者影像学检查结果

根据患者CT、MRI检查结果，其诊断明确为T12压缩性骨折。见图1、2。

图1 CT矢状位图2 MRI矢状位

2几何模型的建立

通过原始患者数据建立3D有限元立体模型，其直观地展现了患者胸腰椎体压缩性骨折的整体外形。见图3。整体图形完整显示了T11～L24段椎体、3个椎间盘、5组脊柱韧带，共计82 760个单元以及112 880个结点，模拟复位后受压椎体出现显著过伸变化。见图4(受力大小以红色为高，青色为低，图9均以此法表达)。

图3 T12椎体压缩性骨折有限元模型图4 T12椎体压缩性骨折复位手法作用后的效果图

3模拟复位过程中各部位受力情况变化

所建立模型前纵韧带、小关节及其上下面(椎间盘)受力随时间变化情况见图5～8。

图5 复位过程中前纵韧带的应力-时间分布图

图6 复位过程中关节突关节的应力-时间分布图

图7 复位过程中上位椎间盘的应力-时间分布图

图8 复位过程中下位椎间盘的应力-时间分布图

4压缩性骨折椎体应力变化

受压缩椎体其前柱部分表现为张应力受力大小随部位后移逐渐减小，中柱以及后柱部分表现为压应力，其力量大小随位置后移逐渐增大，其应力分布见图9。

图9 复位后脊柱节段的等效应力分布云图

讨 论

过伸复位治疗脊椎骨折较为常见，其价格低廉、疗效明显迅速，不良反应小，一直得到国内临床医疗的推崇。随着时代的发展以及科技的进步，国外越来越多的医疗器械、技术被引入中国用来治疗各种伤病，中医手法应用的发展受到阻碍与瓶颈，有不少学者认为这主要是因为中医理论及技术还未能得到社会及世界公认的科学理论以及标准的认可，加之操作者自身对于技术掌握水平层次不齐造成的[6-7]。近年来，不少研究者开始运用现代理论及研究设备对祖国传统医学提出的理论以及治疗手法进行科学验证[8]，其中，有限元分析法对于研究过伸复位治疗胸腰椎体压缩性骨折的效果及科学基础提供了可研究的通路和令人满意的结果。

在经典的动物实验中，过伸复位主要是以关节突(或椎体后部)为支撑点，通过前纵韧带及其上下椎间盘部分产生的牵引力将受到压缩的椎体骨进行牵拉复位[9]。在本次试验中，受压缩椎体其前柱部分表现为张应力，其受力大小随部位后移逐渐减小，中柱以及后柱部分表现为压应力，其力量大小随位置后移逐渐增大。同时，在模拟复位过程中，前纵韧带牵引力随时间而逐渐增大，受压缩椎体产生张应力，小关节及其上线关节面形成了复位所支撑的着力点，以上应力分布及结构关系均表明了本实验所模拟的情况与经典生物力学理论[10]的一致性，同时也间接证实了手法复位治疗胸腰椎体压缩性骨折的有效性及科学依据。此外，通过有限元分析实验对现实胸椎体压缩性骨折进行建模，其核心在于原始准确真实的影像学检查资料以及更为准确的不同骨结构的CT值、密度等物理化数据。以上数据将直接决定所建立模型与现实情况的关联度，是指导下一步研究分析的保证。同时，通过大量有限元模型的建立，研究者可根据不同复位手法针对性研究不同骨折情况下复位过程的进行方式以及力量大小并且避免进一步损伤，这主要依赖于相关计算机模型的建立而节省大量的动物实验和数据分析。在棘突作用时间方面，笔者发现由于患者在过伸状态下骨折椎体上下两端承受相当大的牵引力，故当术者突然向棘突发力，其复位效果可以令人满意；在现实操作过程中，过于缓慢的发力或发力持续时间过久都不利于患者骨折椎体复位，难以到达满意效果或明显增加患者痛苦。因此，突然精准的发力是此项手法复位的关键，也是每一名操作者需要反复练习的核心环节。通过对于手法复位的过程模拟和计算机拆解，笔者发现其结果有助于操作者更加精确地控制手法复位的方向、位移程度的大小、发力情况，通过反复的模拟训练，最终提高过伸复位的可行性和治疗的有效性。

通过本次研究的有限元分析模型，不难看出椎体关节突在复位全程中始终处于承力的状态，其应力大小在整个手法复位过程中是不断变化的，具体表现在复位前期其受力较小，支撑点效应无法完全发挥，但随着复位过程的进行，其支力点效果明显增强。通过本次研究结果可以发现以脊椎棘突作为复位过伸点，其复位过程中应力稳定上升，且在复位完成时应力达到最大值，此时临床治疗中一般以固定术稳定其空间结果，造成了椎体棘突在此期间始终处于承力部位，从而使得其关节囊受到压迫，患者产生相应不适，这就从结构力学方面完整阐明了胸椎体压缩性骨折患者复位术后关节囊退行性病变、腰背疼痛的原因。上述观点也对之前学术界认为的组织肿胀渗出、腰背组织损伤后粘连、神经刺激等观点提供新的补充解释，同时也间接指导了临床工作者在治疗胸椎体压缩性骨折患者时应着重注意减少椎体棘突负重时间，避免上述不良反应的产生。

综上所述，通过建立3D有限元分析模型能够更为直观有效地分析和研究过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的力学基础和治疗效果，同时其成本较低，操作简便，适合反复研究，对于其他骨折类型复位治疗方法分析有着深远的研究价值和意义。

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(本文编辑： 郭 卫)

Hyperextensionforthetreatmentofthoracolumbarspinecompressionfracturebasedon3Dfiniteelementmethod

XIEXiao-feng,ZHENGBin,GUXue-ping,WANGWen-ye

(Department of Orthopedics，Suzhou Municipal Hospital District,Suzhou,Jiangsu 215008,China)

ObjectiveTo analyze the treatment mechanisms of thoracolumbar spine compression fracture by hyperextension based on 3D finite element method.MethodsTotally 10 cases with compression fracture of T11～L2were selected into our study. Based on the 210-layer consecutive CT DICOM3.0 format images，a 3D finite element model of hyperextensive manipulative reduction for compression fracture of T11～L2was built after the effect of model was confirmed. The analysis of the result of the shape and the stress distribution of the model was carried out based on the results.ResultsThrough the 3D finite element model construction of thoracic and lumbar vertebral compression fracture，the simulated appearance was clear and intuitive，which had mechanical structure stress analysis ability. After given manipulative reduction，the compressed vertebra developed hyperextension. At the same time，the results in the manipulative reduction principle and the classic mechanical test were the same，which meant that 3D finite element method was durable，precise and laconic.ConclusionThe 3D finite element analysis is more accurate and reliable than the traditional research methods with easy analysis and simple operation，which is worthy of further application and promotion.

thoracolumbar compression fractures; manipulative reduction; finite element method; biomechanics; 3D model

R 683.2

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.10.005

1009-4237(2017)10-0737-04

215008 江苏，苏州市立医院北区骨科

2016-12-15；

2017-02-08)