黃 宇 林 晉 陳宣維 許衛(wèi)紅 林建華

(福建醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院脊柱外科，福建 福州 350005)

1984年法國醫(yī)生Dearmnod首先應用經皮椎體成形術(PVP)于臨床〔1〕，近年來，因其創(chuàng)傷小、療效確切等優(yōu)點，已成為治療老年骨質疏松性椎體壓縮骨折首要選擇。但廣泛應用的同時該手術的并發(fā)癥逐漸顯現(xiàn)〔2～4〕，其中對于是否提高了鄰近椎體骨折的危險性，爭議頗大，骨水泥的注射量始終是研究討論的焦點。目前研究普遍表明〔5〕，骨水泥注射容量與疼痛緩解之間沒有顯著相關性，但是骨折椎體的剛度與硬度的恢復卻嚴重依賴骨水泥的劑量，劑量越大，骨折椎體的剛度與硬度恢復越多。因此，目前普遍認為PVP降低了治療節(jié)段發(fā)生新發(fā)骨折的概率，但卻會增加相鄰椎體發(fā)生骨折的概率。本研究建立胸腰段骨質疏松性椎體壓縮性骨折的病理三維有限元模型，通過模擬PVP術在L1 注入臨床常用不同容量的骨水泥(2、4、6、8 ml)，分析手術前后病椎及鄰近椎體應力變化情況。

1 材料與方法

1.1有限元模型的建立 采用的影像資料來自一位35歲男性健康志愿者，取T12～L2節(jié)段1 mm薄層CT掃描影像，圈選椎體輪廓，利用計算機輔助設計軟件MIMICS10.0實現(xiàn)建立椎體的三維實體模型，以三維有限元分析軟件ANSYS12.0調用椎體模型，并手工依據解剖圖譜測量及文獻報道的經驗，添制椎間盤、髓核及椎體后方結構的理想化模型，實現(xiàn)最終建模(圖1)。

圖1 T12-L1三維有限元模型

1.2材料參數的設定 根據文獻報道〔6～8〕的經驗，對椎體皮質骨、松質骨、后方小關節(jié)、終板、纖維環(huán)、髓核分別以不同的元件加以模擬，并以恰當的分割方式將其網格化，設置相應的物理參數：皮質骨彈性模型8 040 Mpa,泊松比0.3；松質骨彈性模型34 Mpa泊松比0.2；終板彈性模型670 Mpa泊松比0.4；椎體后部彈性模型2 345 Mpa泊松比0.25；椎間盤纖維環(huán)彈性模型4.2 Mpa泊松比0.45；髓核彈性模型1.0 Mpa泊松比0.499；骨水泥彈性模型3 000 Mpa泊松比0.41，依據文獻中報道〔9〕的有關骨質疏松骨密度值和正常骨骼骨密度值的測量數據，建立骨質疏松模型。依據Pollketi等〔10〕實驗，將使實驗節(jié)段的強度和穩(wěn)定性下降約35%，這符合既往生物力學實驗中報道的關于骨質疏松椎體強度與硬度的結論。

1.3PVP手術的模擬 在ANSYS10.0建立好的T12-L2三維有限元模型上實施模擬操作，模擬PVP手術過程在L1椎體松質骨內置入骨水泥，沿椎弓根方向，平行與L1椎體上表面，改變部分松質骨單元的材料性質為骨水泥(PAMA)的材料性質，形成圓柱形骨水泥塊，基本位于椎體中心，容量先后設置為2、4、6、8 ml。

1.4邊界條件及載荷的設置 參照Libschner等〔11〕研究中實驗施力設定與裝置，將所有模型固定在兩個剛性板之間，下板固定，上板給定軸向負荷和彎曲力矩，整個模型采用力量控制，加載軸向應力模擬自身重力，將L2椎體底部及后方關節(jié)突等處的最低點設置約束，加以固定，文獻報道4 N·m的彎曲力矩對腰椎各元件的結構不會造成破壞，因此本實驗給定4 N·m的彎曲力矩，分別向前、向左側模擬前屈、側彎，向右模擬旋轉。

2 結 果

隨著骨水泥注入量逐漸增大，如從術前至4 ml，病椎在不同體位下的應力大致都是先逐漸增高，但當注入量超過4～8 ml之間，除側彎體位下，其余體位病椎應力均逐漸減小。見表2。

隨著骨水泥注入量逐漸增大，臨近椎體的各體位應力變化大致未見明顯改變。隨著骨水泥注入量逐漸增大，病椎在前屈體位下所受應力最大，在后伸體位下所受應力最小；而臨近椎體在后伸體位下所受應力最大，其他體位應力較小。見表2。

表2 術前及注入不同劑量骨水泥不同體位下T12、L1形變及應力變化

3 討 論

老年人胸腰段骨質疏松性椎體壓縮性骨折是骨質疏松最常見的并發(fā)癥之一，輕微外傷即可造成多階段的椎體壓縮性骨折，甚至出現(xiàn)脊髓損傷。其治療包括外科干預、應用抗骨質疏松性藥物、功能鍛煉。目前國內外已廣泛應用PVP及經皮后凸成形術(PKP)于骨質疏松性椎體壓縮性骨折、椎體血管瘤、椎體轉移瘤和骨髓瘤等的治療，均取得了良好的臨床效果。

經皮椎體成形術適當的骨水泥注射量可達到止痛和恢復椎體強度的目的，故一直是臨床研究的焦點。PVP手術的止痛機制不明，可能有機械性、血管性、化學性、熱效應等多方面因素共同參與其中。目前研究普遍表明〔5〕，骨水泥注射容量與疼痛緩解之間沒有顯著相關性。但是骨折椎體的剛度與硬度的恢復卻依賴骨水泥的劑量。

Deramond等〔3〕通過調查分析得出椎體常規(guī)注入骨水泥的量：胸椎4～6 ml、腰椎7～10 ml可取得較好的臨床療效，此后Baroud 等〔12，13〕研究發(fā)現(xiàn)僅小劑量骨水泥填充即可使椎體硬度恢復到損害前的水平。而在臨床中過少的骨水泥無法恢復椎體的硬度，過多的骨水泥填充將使椎體的硬度超過完整椎體的水平，進而使椎間盤壓力及相鄰椎體負荷增加，從而增加相鄰椎體骨折的風險。

本實驗通過建立老年骨質疏松性壓縮性骨折的三維有限元模型，探討在不同骨水泥注射量下(2、4、6、8 ml)病椎及臨近椎體不同體位的應力變化。研究表明，小劑量骨水泥注入(2～4 ml)，病椎所受應力逐漸增加，較大治療量骨水泥注入(4～8 ml)，隨著病椎硬度及剛度加強，其所受應力逐漸下降；而臨近椎體在骨水泥注入量逐漸增加過程中，所受應力未見明顯改變，故而在能夠避免大治療劑量骨水泥注入所帶來并發(fā)癥(如滲漏)前提下，4～8 ml骨水泥注入量更加有效，且不增加臨近椎體骨折的風險。而在術前，因病椎在前屈體位下所受應力最大，后伸體位下所受應力最小，故應避免前屈體位而致骨折加重；在術后，病椎強度及剛度增強，臨近椎體在后伸體位下所受應力最大，故應避免后伸體位而致臨近椎體骨折風險加大。

有限元法是數值計算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的發(fā)展和應用。Belytschko 等〔14〕將有限元分析法首次應用于脊柱生物力學研究至今，有限元分析廣泛應用于脊柱外科學生物力學研究中，通過分析可以較為全面的理解胸腰椎各種內固定手術及術后產生的長期生物力學改變，尤其是內部應力的變化規(guī)律，提供融合術后鄰近脊柱結構的應力變化，對預測手術的遠期療效及其并發(fā)癥的預防具有重要意義。本研究中的脊柱胸腰段骨質疏松性壓縮性骨折，有限元分析法更是具有臨床應用前景及獨特價值。

由于有限元分析研究方法本身的局限性、脊柱解剖及人體材料的精細性多樣性、骨質疏松性壓縮性骨折病理過程的復雜性，本研究選擇骨質疏松性壓縮性骨折好發(fā)區(qū)T12～L2，建立骨質疏松性壓縮性骨折三維有限元模型進行PVP模擬，得出大體應力分布趨勢，其實驗結果將進一步應用于臨床，檢驗實驗結果的正確性。

4 參考文獻

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