胸腰段相邻两椎体新旧骨折中对新鲜骨折实施PVP术对邻近节段力学影响的有限元分析

籍超超 何 仿 周 涛(通讯作者)

(安徽医科大学马鞍山临床学院骨科中心，安徽 马鞍山 243000)

随着人口的老龄化，骨质疏松性椎体压缩性骨折发病率越来越高，目前治疗骨质疏松性压缩性骨折的一种安全有效的手术方法就是经皮椎体成形术(PVP)，主要是指经皮通过椎弓根或者椎弓根外向椎体内注入骨水泥，从而发挥出提高椎体强度及稳定性的作用，有效缓解患者疼痛感，在临床上取得了一定治疗价值，尤其是针对骨质疏松性压缩性骨折，明显减轻患者顽固性腰背疼痛情况，受到临床及患者广泛认可。随着临床对PVP手术的广泛使用，术后相邻椎体再骨折发生率较高受到重点关注[1]。为了研究这种相邻椎体的骨折是否与PVP术有关，前人通过有限元分析的方法进行模拟研究，但是通过检索和阅读相关文献，之前各位学者研究的基本都是发病率较高的单个椎体骨折的PVP术对相邻节段的影响[2-3]，现探讨对新鲜骨折行PVP术是否会增加相邻椎体压缩性骨折的风险?我们通过有限元分析技术进一步研究这种特殊情况。报告如下。

临床资料

1 一般资料：选取1例两个相邻椎体骨质疏松性压缩性骨折的患者(男性，77岁，171cm，65kg，签署知情同意书)，排除脊柱畸形、破坏等病理性病变，MRI证实T12为新鲜骨折，L1为陈旧性骨折。

2 有限元模型的建立：从医院影像数据库获取患者胸腰段T11-L2的CT扫描数据(CT扫描采用64排螺旋CT机，具体参数为 GE Lightspeed 64 排 CT，层厚 0.625mm)。

2.1 图像处理阶段：采用Materialise公司开发的Mimicsl6.0软件对提供的DICOM文件进行转换和处理，来实现二维CT数据的三维实体化，并导出STL文件，做好模型建立的基础工作。

2.2 曲面拟合及PVP术前、术后模型建立阶段：由于软件转化和处理初步得到的T11-L2椎体三维几何模型比较粗糙，呈现出三角面片模型，其中存在着扭曲、畸形、表面过于粗糙等多种不良结构现象。为了解决这一问题，我们将在Geomagic Studio2014软件中导入STL文件，对之前Mimicsl6.0软件导出的数据进行三角面片细分、降噪以及光顺化处理；选择较小剂量的4ml，最终形成T11-L2的PVP术后三维几何模型。

2.3 有限元几何模型处理完善阶段：对逆向处理好的胸腰段T11-L2椎体模型进行结构补充[4]。通过模型处理，完成胸腰段T11-L2对应的PVP术前模型(PVP术后模型直接在网格模型上处理)。

3 有限元网格的划分：将胸腰段T11-L2结构模型IGES文件导入Hypermeshl3.0软件中进行网格划分，导出BDF格式文件，最后在 MSC.Patran/Nastran2012软件中进行有限元网格2次处理和其他组织网格划分，完成胸腰段T11-L2的PVP术前网格模型和PVP术后网格模型。胸腰段T11-L2模型网格划分情况：共计80147个节点(nodes),374559个4面体单元(Tet4elements)；胸腰段各椎体、各椎间关节、各椎间盘均采用实体单元网格；关节处设置摩擦系数为0.2；各韧带采用两节点非线性弹簧单元(lD Spring element)，胸腰段各结构之间保持网格节点协调对应，完全接触，确保受力正常传递。

4 边界条件的假定：对胸腰段T11-L2有限元模型边界约束条件进行假定。(1)采用固定约束L2椎体下表面及下关节区域，来限制6个方向的自由度。(2)假定骨结构为各向同性、均匀、连续的线弹性材料。(3)假定椎间盘纤维环为各向同性、均匀、连续的线弹性材料，髓核为黏弹性材料。(4)假定韧带为两节点1D的非线性弹簧单元，定义为弹塑性材料。(5)对胸腰段T11-L2的PVP术前及术后模型于T11上表面均匀加载竖直载荷500N(模拟生理状态下的轴向应力作用)[5-6]，将T11上表面点全部耦合于某个参考点，此参考点位于胸腰椎的旋转中心上方，以便直接施加运动附加力10 N·M，来模拟前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转等计算工况下的胸腰段T11-L2生物力学特性。见图1-2。

图1 直立状态下PVP术前T11-L2椎体应力图

图2 直立状态下PVP术后T11-L2椎体及椎间盘应力图

5 结果：各状态下各组织结构术前术后的应力变化无明显差异。见表1。

表1 PVP术前和术后模型不同部位在不同体位下的应力表(Mpa)

讨 论

各位学者在之前的研究当中得出这样的结论：三维有限元力学分析在老年骨质疏松性压缩性骨折的力学研究当中具有良好的应用前景及临床价值;PVP术中较小剂量的骨水泥的注入是安全有效的，不会增加邻近椎体骨折的风险[7-8]。本研究借助前人的经验，也延伸了前人的思路，研究椎体骨折的一种特殊情况：2个相邻椎体骨折(一个陈旧性骨折、一个新鲜骨折)的有限元分析。得出这样的结论：胸腰段相邻两椎体新旧骨折中对其新鲜骨折实施PVP术理论上不会增加上下相邻两个椎体骨质疏松性压缩性骨折的风险。

通过有限元方法对胸腰段T11-L2植入骨水泥术前术后模型进行定量定性的生物力学研究，得出具有一定借鉴意义的生物力学结论，从理论角度研究其力学行为变化，为推动胸腰椎PVP术的生物力学发展起到一定的作用。但是本文毕竟是基于有限元方法进行研究的，属于纯理论研究，其边界条件约束、材质属性等假设，与胸腰椎实际受力存在一定的差异。因此，理论研究的成果更多以从趋势和定性角度借鉴，如果需要更高精度的定量研究，在结合理论研究的同时，还应该进行大量的实验佐证和临床的验证，实验的佐证可以更好地确保医学科学研究的严谨性。