定量CT有限元分析椎体强化对不同位置非强化椎生物力学参数的影响

doi:10.12307/2023.778

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (34): 5436-5440.doi: 10.12307/2023.778

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定量CT有限元分析椎体强化对不同位置非强化椎生物力学参数的影响

刘进1，夏宾1，蔡鹏1，顾祖超2，杨浩森1，唐静3

1成都市第七人民医院骨科，四川省成都市 610041；2成都市第一人民医院骨科，四川省成都市 610041；3四川大学华西医院放射科，四川省成都市 610041

收稿日期:2022-10-14 接受日期:2022-12-09 出版日期:2023-12-08 发布日期:2023-04-20
通讯作者: 唐静，博士，副主任医师，四川大学华西医院放射科，四川省成都市 610041
作者简介:刘进，男，1985年生，四川省都江堰市人，汉族，2021年四川大学毕业，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科、骨质疏松的诊断与治疗相关研究。
基金资助:
四川省卫生健康委员会科研项目(20PJ194)，项目负责人：刘进；成都市卫生健康委员会科研项目(2020133)，项目负责人：刘进；成都医学院-成都市第七人民医院联合科研课题(2021LHJYPJ-04)，项目负责人：刘进

Effect of vertebral augmentation using quantitative computed tomography-based finite element analysis on biomechanical parameters of non-enhanced vertebrae in different locations

Liu Jin1, Xia Bin1, Cai Peng1, Gu Zuchao2, Yang Haosen1, Tang Jing3

1Department of Orthopedics, Chengdu Seventh People’s Hospital, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; 2Department of Orthopedics, Chengdu First People’s Hospital, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; 3Department of Radiology, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China

Received:2022-10-14 Accepted:2022-12-09 Online:2023-12-08 Published:2023-04-20
Contact: Tang Jing, MD, Associate chief physician, Department of Radiology, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China
About author:Liu Jin, MD, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Chengdu Seventh People’s Hospital, Chengdu 610041, Sichuan Province, China
Supported by:
Scientific Research Project of Sichuan Provincial Health Commission, No. 20PJ194 (to LJ); Scientific Research Project of Chengdu Municipal Health Commission, No. 2020133 (to LJ); Chengdu Medical College-Chengdu Seventh People’s Hospital Joint Research Project, No. 2021LHJYPJ-04 (to LJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

QCT：定量CT(quantitative computed tomography)是一种测量骨组织体积骨密度的CT扫描技术，测量结果单位为g/cm3。该技术能够根据骨组织的三维空间分布分别测量松质骨和皮质骨的骨矿物质含量，不受周围组织的影响，准确度较双能X射线骨密度仪测量的面积骨密度高。
QCT/FEA：即基于定量CT的有限元分析技术。该技术以QCT扫描数据为基础，能够建立骨微观三维结构，并将骨形态、骨密度分布的不同同时整合，以此进行虚拟力学研究，还可用于研究骨强度、骨折风险预测等；缺点在于辐射剂量较大，尚缺乏标准的有限元建模流程。

背景：骨水泥与骨质疏松椎体间在生物力学特性上的巨大差异是否会增加再骨折的发生还存有争议。骨水泥的置入将导致多大范围的非强化椎生物力学参数改变仍然不清楚。
目的：通过以定量CT为基础的长节段骨质疏松性椎体压缩骨折有限元模型，分析椎体强化对于骨质疏松脊柱生物力学参数的影响范围。
方法：以定量CT数据为基础构建T4-L5长节段T12椎体骨质疏松性压缩骨折模型，在对模型施加150 N垂直载荷的基础上，沿不同方向分别施加1.5 N•m的扭力矩以模拟前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转状态，比较骨水泥置入前后模型椎体、椎间盘及小关节的应力变化。

结果与结论：①模型骨水泥置入后，各个运动状态下整体位移幅度平均下降约16%；②强化椎近端5个椎体应力较术前平均增加约20%，头端第一椎间盘应力较术前下降约20%，第二、第三椎间盘应力则分别增加约4%及2%；强化椎及其尾端邻椎小关节应力较术前下降约6%，其余尾端小关节及头端相邻4个节段小关节应力均较术前不同程度增加；并且这种应力改变均表现为距强化椎越近变化越显著的趋势；③结果表明椎体强化将导致强化椎头尾端多个椎体、椎间盘及小关节应力的显著改变，且距强化椎越近改变越明显，这种应力改变可能与椎体强化后再骨折的发生有关。

https://orcid.org/0000-0002-5623-6106 (刘进)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 骨质疏松, 骨质疏松性椎体压缩骨折, 椎体成形术, 定量CT, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Whether the huge difference in biomechanical properties between bone cement and osteoporotic vertebral body will increase the occurrence of refracture is still controversial. The extent to which cement implantation will affect the biomechanical parameters of unaugmented vertebrae remains unclear.
OBJECTIVE: To analyze the influence range of vertebral augmentation on biomechanical parameters of the osteoporotic spine through the finite element model of long-segment osteoporotic vertebral compression fracture based on quantitative CT.
METHODS: The osteoporotic compression fracture model of T12 vertebrae with a long segment of T4-L5 was constructed based on quantitative CT data. On the basis of 150 N vertical load, 1.5 N•m torsional torque was applied to the model in different directions to simulate flexion, extension, lateral flexion and rotation. The stress changes of the vertebral bodies, intervertebral disc and facet joint were compared before and after bone cement implantation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) After implantation of model bone cement, the overall displacement amplitude of each movement state decreased by 16% on average. (2) The stress of the fifth vertebrae away from the treated vertebra at the cephalic side increased by approximately 20% on average; the stress of the first intervertebral disc at the cephalic side decreased by approximately 20%, and the stress of the second and third intervertebral discs increased by approximately 4% and 2%, respectively. The stress of the facet joints of the treated vertebrae and its caudal adjacent vertebrae decreased by approximately 6%, and the stress of the other caudal facet joints and the four cephalic adjacent facet joints increased to different degrees. In addition, the stress changes tended to be more significant the closer to the treated vertebra. (3) The results of this study show that the stress of multiple vertebral body, intervertebral discs and facets at the cephalic and caudal sides from the augmented vertebra will be significantly changed by cement implantation, and the closer to the treated vertebra, the more obvious the effect is. This stress change may be associated with the occurrence of new fractures after vertebral augmentation.

Key words: osteoporosis, osteoporotic vertebral compression fracture, vertebroplasty, quantitative CT, finite element analysis

中图分类号:

刘进, 夏宾, 蔡鹏, 顾祖超, 杨浩森, 唐静. 定量CT有限元分析椎体强化对不同位置非强化椎生物力学参数的影响[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(34): 5436-5440.

Liu Jin, Xia Bin, Cai Peng, Gu Zuchao, Yang Haosen, Tang Jing. Effect of vertebral augmentation using quantitative computed tomography-based finite element analysis on biomechanical parameters of non-enhanced vertebrae in different locations[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(34): 5436-5440.

图/表（结果） 7

2.1 位移云图比较模型强化前后在各个运动状态下整体位移幅度见表3。可见强化后各运动状态下模型整体位移幅度均有下降，平均约16%，并以左右侧屈时下降最明显。模型强化前后位移云图比较见图2。

2.2 应力变化比较模型强化前后各椎体、椎间盘及小关节在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转状态下的应力云图见图3。

2.2.1 椎体应力变化比较模型强化后各状态下，强化椎应力均出现显著下降，而强化椎头端5个椎体(T7-T11)应力均较术前升高约20%，并表现为离强化椎越近的椎体应力增加越明显；而强化椎尾端各椎体应力则无明显变化(图4)。这种应力变化以旋转运动最显著，侧屈次之，前屈后伸时应力变化最小。

2.2.2 椎间盘应力变化比较模型强化后各状态下，强化椎头端相邻椎间盘(T11-12)应力下降约20%，而强化椎头端第二、三个椎间盘(T10-11、T9-10)则分别出现4%及2%的应力增加；同时，其余各椎间盘应力则无明显变化。这种应力变化同样以旋转运动时最显著，侧屈次之，前屈后伸时最小(图5)。

2.2.3 小关节应力变化比较模型强化后各状态下，强化椎及其尾端邻椎(T12、L1)双侧小关节应力均较术前显著下降，平均约6%；而其余尾端椎体及头端相邻的4个椎体小关节应力均较术前不同程度增加，并表现为离强化椎越近的小关节应力增加越显著，而且以后伸、侧屈时最明显，见图6，7。

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引言

材料方法

1.1 设计以QCT为基础的有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2021年在成都市第七及第一人民医院完成。
1.3 对象选择成都市第一人民医院骨科收治的1例男性70岁T12椎体压缩骨折患者的QCT资料。该患者因无明显诱因腰背部疼痛1 d入院，既往无肿瘤、脊柱感染及代谢性疾病病史，双能X射线骨密度仪检测T值为-3.2，面积骨密度值为0.71 g/cm2，QCT测定体积骨密度为42.50 g/cm3。
研究方案经成都市第一人民医院伦理委员会批准(批准号：2020KT043)，患者及家属同意其病历及检查资料以匿名形式用于临床科研与教学。
1.4 材料 QCT扫描采用西门子128层螺旋 CT、骨密度分析采用Analysis Bone Mineral Density(option)软件。有限元分析采用DELL工作站；软件采用Mimics 17.01(Materialise Corporation，Belgium)、Abaqus 6.14 (Dassault System，France)。
1.5 方法
1.5.1 三维几何模型的建立采用Mimics图像处理软件对获得的DICOM格式原始图像进行分割和轮廓提取，将各椎体及椎间盘三维模型以STL几何文件格式导入到Geomagic逆向工程软件进行光滑化及曲面拟合，生产NURBS曲面，得到T4-L5节段三维模型。
1.5.2 骨密度赋值通过Mimics软件对前述几何模型进行骨密度赋值，即将几何模型的每一个体素的Hounsfield Unit(Hu)值带入公式换算为骨灰密度，并获得骨密度赋值后的几何模型(图1A)，以IGES格式文件导出。换算公式如下[22-24]：
ρash=0.839ρQCT +69.8
ρash=47+1.122·Hu
其中ρQCT为骨矿物质密度，ρash为骨灰密度，单位为kg/m3。

1.5.3 材料属性赋值将IGES文件导入到hypermesh软件中，通过布尔运算进行网格划分，网格平均尺寸为1.2 mm。根据已换算出的椎体骨密度分布，结合文献[25-26]中的经验公式计算出弹性模量(表1)，根据KEYAK等[27]及MORGAN等[25]提出的弹性模量与骨强度之间的关系，换算出皮质骨、松质骨的骨强度。

经计算，模型皮质骨的平均骨密度为 322.19 kg/m3、松质骨的平均骨密度为42.50 kg/m3；模型皮质骨的屈服强度为77.12 MPa、松质骨屈服强度为1.58 MPa。椎间盘、韧带、骨水泥等结构具体材料属性见表2；通过材料参数赋值生成并组合为最终模型见图1B。

1.5.4 有限元分析将上述参数导入非线性有限元分析软件Abaqus 6.14作有限元运算求解，运用 Newton-Raphson 技术求解非线性平衡方程。
边界条件：设定L5椎体下终板所有节点在X、Y、Z轴3个方向上完全固定，所有椎体终板表面与椎间盘完全绑定约束。设定摩擦系数为0.000 1。椎体承受的力可以通过椎间盘、关节突关节、韧带结构进行传递。
加载方式：将人体头部、颈椎及T1-3节段体质量换算为150 N的伴随载荷施加到T4椎体上终板上。分别对各模型施加如下运动载荷：①从X方向施加±1.5 N•m的扭力矩，模拟前屈、后伸动作；②从Y方向施加±1.5 N•m的扭力矩，模拟左、右侧屈动作；③从Z方向施加±1.5 N•m的扭力矩，模拟左、右旋转动作。
1.6 主要观察指标比较模型模拟T12椎体骨质疏松性压缩骨折行椎体成形术骨水泥置入前后各椎体、椎间盘及小关节在不同运动状态(前屈、后伸，左右侧屈，左右旋转)下的应力变化，以及各种运动状态下的总位移变化。

讨论

椎体强化是否会导致再骨折风险增加一直是OVCF研究领域的热点问题之一。大量学者通过有限元分析技术以及体外标本的生物力学实验对此进行了深入研究，但目前仍没有就此形成一致意见[6-18]。此次研究通过1例包含T4-L5节段的T12椎体压缩骨折患者QCT扫描资料，构建了基于QCT数据的有限元模型，采用QCT/FEA技术对模型强化前后屈伸、侧屈及旋转状态下的相关参数进行了比较。作者发现，骨水泥置入后将导致与强化椎相邻的3-5个运动节段出现应力改变，而且还表现出距离强化椎越近改变越明显的趋势。这种应力改变意味着椎体强化可能会改变与强化椎相距一定范围内的非强化椎再骨折风险。
在此次研究中，通过对比强化前后模型不同节段应力变化，发现模型中强化椎头端5个椎体出现了近20%的应力增加，并且头端2个椎间盘、4个小关节以及尾端多个节段小关节应力也出现一定程度的增加。与作者的发现类似，BAROUD等[6]采用L4-L5节段的有限元模型发现骨水泥在椎体内形成的支柱作用将使骨折椎的刚度增加约11%、终板位移减少约7%，邻近椎间盘髓核应力增加约19%、终板应力增加约17%。POLIKEIT等[7]采用L2-L3节段的有限元模型发现强化将导致邻近椎体应力的重新分布，使相邻椎间盘及椎体应力显著增加。NAGARAJA等[15]通过20份包含T11-L3的脊柱标本进行生物力学测试，发现强化将使头端邻椎及头端椎间盘的应变分别增加4倍和2倍。CHO等[8]、WILCOX等[9]以及国内徐建彪等[10-12]的有限元分析也发现了邻近椎体终板应力增加的现象。但是这些研究由于建模时选择的运动单元有限，仅能反映强化椎所在运动单元的应力改变，没有关注更远节段的应力变化[6-14]。
当然，也有研究结果与此相反。CHEN等[13]采用T12-L2节段有限元模型发现强化仅恢复了由骨折导致的应力变化，并没有增加额外的应力。LUO等[16]通过对28份包含2个运动单元的尸体标本进行生物力学测试，发现强化可以将骨折引起的伤椎及其邻近节段椎体应力改变分别减少76%和81%，形变分别减少约62%和52%，并不增加邻椎的应力。KAYANJA 等[17]、唐勇涛等[14]的研究也没有观察到强化后邻椎应力增加的现象。
作者认为这些研究间存在巨大差异的原因可能在于建模方式及实验标本的选择上。对于有限元分析而言，真实的几何外形与符合实际的材料特性是保证其可靠性所必需的要素[18，28]。而在这些阴性结果的有限元研究中，建模时所选择的病例均为非骨质疏松患者，其椎体在形状及骨密度等方面都与老年骨质疏松患者存在显著的差异[13-14]。CHAE等[29]也证实了采用非骨质疏松患者资料建模进行椎体强化相关有限元分析可能会削弱骨密度对于分析结果的影响。虽然CHEN等[13-14]在材料属性赋值时进行了调整，但是这种调整可能也不足以抵消模型差异带来的影响。而KAYANJA等[17]生物力学实验研究采用的标本并不完全是骨质疏松的椎体标本。此外，生物力学实验还存在标本“疲劳”、获取标本内部应力应变困难以及标本之间存在的个体差异等因素影响[18，28]。
此次研究的另一特色在于采用了QCT/FEA技术，该技术能够将骨微观三维结构、骨形态与骨密度分布的不一致同时整合进行虚拟力学研究，充分考虑了骨密度对于有限元分析的影响[30]。而部分采用骨质疏松患者资料建模的有限元分析也并没有按实际的骨密度值进行赋值[6-14]，仅通过调整材料参数模拟骨质疏松，仍然存在低估骨密度对于骨质疏松椎体影响的可能[31]，从而仅得出阴性结果[13-14]。
此次研究中还发现强化椎体自身应力将显著下降的现象。对此，较多文献也有报道，认为骨水泥弹性模量显著高于人体松质骨[6，14，32]，进入椎体后将会承担更多的载荷而使椎体承担的载荷减少，表现出典型的应力遮挡效应[33]，而且这种应力遮挡效应是否与观察到的尾端应力变化小于头端有关还需进一步研究。
此次研究在骨水泥模型的构建上，采用了人工模拟骨水泥形态以达到较理想的骨水泥分布状态。这种方式虽然不如直接通过术后CT构建骨水泥模型真实，但是能够避免因实际中骨水泥不规则分布带来的分割困难及个体差异等对有限元分析的影响，也减少了因骨水泥量[9，34]、骨水泥分布对于分析结果造成的影响[33]，更具有代表性。
此次研究的主要不足在于：首先，分析时未对骨折椎体进行复位处理，因而可能会对有限元分析结果产生一定影响[35]；其次，建模节段长，有限元分析时影响因素多，因而分析结果还需要进一步验证；第三，有限元分析时没有对各椎体内部及上下终板应力等进行比较，对椎间盘、韧带等组织的材料属性赋值可能过于理想。
综上，椎体强化将导致强化椎头尾端，尤其是头端3-5个节段椎体、椎间盘及小关节应力的显著改变，且距强化椎越近改变越明显，这种应力改变可能与椎体强化后再骨折的发生有关。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

定量CT有限元分析椎体强化对不同位置非强化椎生物力学参数的影响

Effect of vertebral augmentation using quantitative computed tomography-based finite element analysis on biomechanical parameters of non-enhanced vertebrae in different locations

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