陶偉偉，朱建非

椎體內(nèi)骨水泥強(qiáng)化治療骨質(zhì)疏松性椎體骨折雖然可以獲得良好的效果，但術(shù)后易發(fā)生再骨折。骨水泥在體內(nèi)對(duì)脊柱生物力學(xué)產(chǎn)生多大的影響，需要對(duì)脊柱的生物力學(xué)進(jìn)行相關(guān)研究并分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)脊柱的生物力學(xué)研究由以往的實(shí)體測(cè)量研究逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)模擬，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及有限元分析軟件，采用三維有限元分析的方式對(duì)骨質(zhì)疏松性椎體骨折骨水泥強(qiáng)化術(shù)后的生物力學(xué)進(jìn)行模擬研究，同時(shí)建立骨水泥不同分布位置的對(duì)比模型，找出避免再發(fā)骨折的因素。

1 材料與方法

1.1 模型建立選出6例健康成年志愿者，均為男性，年齡30歲，體重70 kg，身高175 cm。使用高分辨率CT 128排機(jī)器以120 kV、290 mA、0.1 mm為間隔對(duì)下腰椎進(jìn)行薄層掃描，獲得DICOM格式圖片，導(dǎo)入Mimics 16.0軟件中，設(shè)定閾值，描繪蒙面，重建三維模型。將其進(jìn)行有限元分析處理，表面有限元網(wǎng)格化，通過自動(dòng)縮減網(wǎng)格并調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量得到三角面網(wǎng)格圖形，將三角面網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為四面體網(wǎng)格，并通過經(jīng)驗(yàn)公式賦值的方式，將模型進(jìn)行材料賦值，經(jīng)過公式賦值后與經(jīng)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，進(jìn)行彈性模量及泊松比的修改，建立完整的L1椎體模型。將模型導(dǎo)入Ansys 14.0軟件中，通過負(fù)荷加載及約束，模擬脊柱在前屈、后伸、左右側(cè)彎曲及旋轉(zhuǎn)等情況下的形變情況，證實(shí)模型與實(shí)際情況相符合，外觀符合生理解剖，精準(zhǔn)可使用。

1.2 模擬手術(shù)填充在Mimics軟件中對(duì)模型進(jìn)行賦值切割，布爾減操作，松質(zhì)骨松泊比減半，皮質(zhì)骨設(shè)為1 mm，其余參數(shù)不變，得到L1椎體骨質(zhì)疏松性模型。根據(jù)骨水泥填充位置分別制作右側(cè)、后方及前方骨水泥填充模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、賦值，得到相應(yīng)的有限元模型。將骨質(zhì)疏松性模型、右側(cè)方填充骨水泥手術(shù)模型、后方填充骨水泥手術(shù)模型及前方填充骨水泥手術(shù)模型分別定義為A、B、C、D 4組，見圖1。

圖1 4組模型橫斷位及側(cè)位示意圖(其中★區(qū)域?yàn)樗少|(zhì)骨、▲區(qū)域?yàn)楣撬? A.骨質(zhì)疏松性模型；B.右側(cè)方填充骨水泥手術(shù)模型；C.后方填充骨水泥手術(shù)模型；D.前方填充骨水泥手術(shù)模型 圖2 4組站立位壓力及位移云圖分布情況，骨水泥填充區(qū)域壓力增大、角位移減??；未填充骨水泥區(qū)域壓力下降、角位移增大(箭頭所示) A.骨質(zhì)疏松性模型；B.右側(cè)方填充骨水泥手術(shù)模型；C.后方填充骨水泥手術(shù)模型；D.前方填充骨水泥手術(shù)模型

1.3 模型加載及計(jì)算對(duì)4組外觀逼真、模擬壓力與生理狀態(tài)一致的三維有限元模型進(jìn)行模擬賦值，將其導(dǎo)入Ansys軟件中進(jìn)行加載及計(jì)算。通過模擬生理狀態(tài)觀察4組不同模型的表現(xiàn)，通過約束L1的下表面，在L1的上表面有限元體網(wǎng)格上施加500 N的壓力，再分別施加2個(gè)軸向的7.5 N·m的力矩，模擬站立位、屈伸位、扭轉(zhuǎn)位3種不同姿勢(shì)，觀察4組模型的的壓力云圖及位移云圖(見圖2～4)，統(tǒng)計(jì)模型的最大角位移及最大壓力數(shù)值。

圖3 4組屈伸位壓力及位移云圖分布情況，骨水泥填充區(qū)域壓力增大，未填充骨水泥區(qū)域壓力減小(箭頭所示)，角位移無(wú)變化 A.骨質(zhì)疏松性模型；B.右側(cè)方填充骨水泥手術(shù)模型；C.后方填充骨水泥手術(shù)模型；D.前方填充骨水泥手術(shù)模型 圖4 4組扭轉(zhuǎn)位壓力及位移云圖分布情況，骨水泥填充區(qū)域壓力增大，未填充骨水泥區(qū)域出現(xiàn)壓力減小(箭頭所示)，角位移均無(wú)變化 A.骨質(zhì)疏松性模型；B.右側(cè)方填充骨水泥手術(shù)模型；C.后方填充骨水泥手術(shù)模型；D.前方填充骨水泥手術(shù)模型

2 結(jié)果

站立位、屈伸位及扭轉(zhuǎn)位狀態(tài)時(shí)B、C、D組的角位移及最大壓力與A組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；B、C、D組組間比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；見表1。

表1 4組模型站立位、屈伸位及扭轉(zhuǎn)位的數(shù)據(jù)比較

3 討論

3.1 椎體成形術(shù)后椎體骨水泥強(qiáng)化生物力學(xué)研究的必要性目前椎體成形術(shù)是治療骨質(zhì)疏松性椎體骨折良好有效的方法，在緩解老年患者的疼痛及恢復(fù)功能方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但術(shù)后易發(fā)生再骨折，對(duì)于椎體成形術(shù)后椎體骨水泥強(qiáng)化是否會(huì)導(dǎo)致再骨折的發(fā)生尚存在爭(zhēng)議。Fribourg et al(2004年)指出,因?yàn)樾g(shù)后的椎體強(qiáng)化給骨折椎體及鄰近椎體之間帶來(lái)生物力學(xué)變化，導(dǎo)致相鄰節(jié)段需要時(shí)間來(lái)適應(yīng)新的力學(xué)改變，可能造成再骨折。而Kim et al(2006年)通過對(duì)新鮮冷凍尸體椎體強(qiáng)化后進(jìn)行機(jī)械壓力分析指出，椎體強(qiáng)化不會(huì)造成新的骨折。Li et al[1]通過薈萃分析指出,非手術(shù)治療或椎體強(qiáng)化手術(shù)與再發(fā)骨折無(wú)關(guān)。由于現(xiàn)有的儀器無(wú)法對(duì)人體內(nèi)部生物力學(xué)進(jìn)行研究，所以采用大數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬建立的模型對(duì)生物力學(xué)研究顯得尤為重要。隨著CT掃描精確度提高，有限元分析模型更接近實(shí)體，通過在Mimics軟件中導(dǎo)入CT掃描的DICOM格式圖片，使用Ansys軟件進(jìn)行力學(xué)模擬分析可以用于模擬模型在各個(gè)受力條件下的組織壓力改變及組織形變情況，目前已結(jié)合不同內(nèi)固定材料的參數(shù)開展各種骨科手術(shù)的模擬研究[2-4]。

3.2 椎體成形術(shù)骨水泥強(qiáng)化后椎體生物力學(xué)研究結(jié)果分析本研究結(jié)果顯示，站立位、屈伸位、扭轉(zhuǎn)位狀態(tài)時(shí)的角位移及最大壓力B、C、D組與A組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，這表明骨水泥填充對(duì)椎體生物力學(xué)改變是一定存在的。通過云圖發(fā)現(xiàn)站立位狀態(tài)下B、C、D組的箭頭所指區(qū)域(未填充骨水泥區(qū)域)出現(xiàn)壓力下降、移位增大，表現(xiàn)出脆性改變的現(xiàn)象；屈伸位時(shí)B、C、D組箭頭所指區(qū)域(填充骨水泥區(qū)域)壓力增大，而移位均無(wú)變化；扭轉(zhuǎn)位時(shí)壓力改變集中于椎體中部，B、C、D組箭頭所指區(qū)域(填充骨水泥區(qū)域)壓力增大，而移位均無(wú)變化。說(shuō)明填充骨水泥后椎體內(nèi)未填充骨水泥區(qū)域的松質(zhì)骨壓力下降，垂直壓力通過更堅(jiān)硬的骨水泥傳遞，出現(xiàn)松質(zhì)骨壓力遮蔽現(xiàn)象，但未填充骨水泥的松質(zhì)骨在受力后形變加大，脆性增加，容易引起再骨折。所以椎體成形術(shù)骨水泥強(qiáng)化應(yīng)該使骨水泥與上下終板皮質(zhì)盡可能耦合接觸，且在椎體內(nèi)均勻彌散分布。

綜上所述，椎體成形術(shù)中均勻彌散與皮質(zhì)耦合的骨水泥分布對(duì)術(shù)后脊柱生物力學(xué)影響最小，能預(yù)防再骨折。