骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.17.001

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (17): 3041-3048.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.17.001

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骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

邱兴，杨圣，芦健民，赵德伟，刘爱旗，陈华星，袁驰，任福泉，吕兴飞

大连大学附属中山医院骨科，辽宁省大连市 116001

收稿日期:2012-12-14 修回日期:2013-01-04 出版日期:2013-04-23 发布日期:2013-04-23
通讯作者: 通讯作者：杨圣，博士，教授，大连大学附属中山医院骨科，辽宁省大连市 116001 gzsyang@yahoo.com.cn
作者简介:邱兴★，男，1986年生，四川省宁南县人，汉族，2012年遵义医学院毕业，硕士，医师，主要从事脊柱外科研究。 fushang2102@126.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(30870647)

Finite element analysis on the vertebral body and adjacent vertebrae of osteoporotic fractures before and after bone and cement injection

Qiu Xing, Yang Sheng, Lu Jian-min, Zhao De-wei, Liu Ai-qi, Chen Hua-xing, Yuan Chi, Ren Fu-quan, Lü Xing-fei

Department of Orthopedics, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China

Received:2012-12-14 Revised:2013-01-04 Online:2013-04-23 Published:2013-04-23
Contact: Yang Sheng, Doctor, Professor, Department of Orthopedics, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China gzsyang@yahoo.com.cn
About author:Qiu Xing★, Master, Physician, Department of Orthopedics, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, Liaoning Province, China fushang2102@126.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 30870647*

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前有限元构建模型主要是基于医学图像的建模方法，骨水泥注入主要是人为假设的，而文章中治疗前后的数据直接来源于CT扫描，可靠性更高。
目的：构建骨水泥注入前后骨质疏松性腰椎骨折椎体的三维有限元模型，分析治疗前后病椎及邻椎的应力变化。
方法：选取1例75岁骨质疏松性L₂椎体压缩性骨折患者，经双侧椎弓根注入少量骨水泥获得良好疗效，随访2年病椎及邻椎无新发骨折，局部无疼痛。根据其治疗前后的腰椎CT数据，构建三维有限元模型，模拟腰椎屈伸、左右侧屈、旋转等运动，统计分析治疗前后同一运动状态下的应力变化。
结果与结论：建立了腰椎压缩骨折骨水泥注入前后的三维有限元模型，共生成222 727个单元。骨水泥注入增加了L₂椎体(病椎)屈、伸、侧屈各运动时的应力(P < 0.05)，对其旋转时的应力无明显影响(P > 0.05)；对L₁，L₃椎体(邻椎)在屈、伸、侧屈及旋转时的应力亦无影响(P > 0.05)。提示少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性腰椎骨折可增加病椎强度及应力，但不改变相邻椎体应力。

关键词: 骨关节植入物, 脊柱植入物, 骨质疏松, 腰椎, 骨折, 骨水泥, 相邻椎体, 三维有限元, 生物力学, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: At present, the establishment of finite element model mainly depends on the medical image modeling method, and bone cement injection is the artificial assumptions, while the data before and after treatment used in this study are mainly obtaind through CT scan which have a higher reliability.
OBJECTIVE: To establish the three-dimensional finite element models of osteoporotic lumbar vertebral fracture before and after bone cement injection, and to analyze the stress changes of vertebral body and adjacent vertebrae before and after treatment.
METHODS: A 75-year-old patient with osteoporotic vertebral compression fracture of lumbar was selected and treated by bilateral bone cement injection. Clinical curative effect was good, and 2-year follow-up of the vertebral body and adjacent vertebrae showed there was no new vertebral fracture and partial pain. The three-dimensional finite element model was established according to the preoperative and postoperative CT image data in order to simulate lumbar spine flexion and extension, lateral bending, rotating around movement, and then the stress changes were statistical analyzed under the same state of motion before and after treatment.
RESULTS AND CONCLUSION: We have established three-dimensional finite element model of preoperative and postoperative vertebral compression fracture which had 222 727 units. Cement injection into vertebral body (disease vertebral) could increase the stress of L₂ vertebral body when having the flexion and extension and lateral bending movements (P < 0.05), and had no influence on the stress when having rotating around movement (P > 0.05); the bone cement injection had no influence on the stress of L₁ and L₃ vertebral body (adjacent vertebrae) when having the flexion and extension, lateral bending and rotating around movements (P > 0.05). Small amount of bone cement injection for the treatment of elderly osteoporotic lumbar fracture can increase the strength and stress of the disease vertebrae without changing the stress of the adjacent vertebrae.

Key words: bone and joint implants, spinal implants, osteoporosis, lumbar, fracture, bone cement, adjacent vertebral body, three-dimensional finite element, biomechanics, National Natural Science Foundation

中图分类号:

R318

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Qiu Xing, Yang Sheng, Lu Jian-min, Zhao De-wei, Liu Ai-qi, Chen Hua-xing, Yuan Chi, Ren Fu-quan, Lü Xing-fei. Finite element analysis on the vertebral body and adjacent vertebrae of osteoporotic fractures before and after bone and cement injection[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(17): 3041-3048.

图/表（结果） 10

参考文献

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引言

骨质疏松是一种常见的疾病，骨质疏松性椎体压缩骨折导致严重的持续性腰背部疼痛。往往限制患者活动，影响患者生活质量。经皮椎体成形术已在临床应用多年，能早期迅速并持续地缓解疼痛。是治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的良好方法^[1]。通过手术向骨折椎体注入骨水泥，恢复病变椎体的强度和稳定性，从而防止骨折进一步发展以及塌陷，消除骨折部位微动，避免局部外周神经受刺激，缓解疼痛，同时防止脊髓受压^[2-3]。虽然骨水泥渗漏等并发症发生率低，但随着临床随访观察，椎体成形术后再发骨折常见，且相邻椎体骨折发生率较远处椎体高[^4-5]。注入骨水泥的量与再骨折可能相关^[6-7]。经皮椎体成形术可能存在增加邻椎骨折的风险。经皮椎体成形术治疗骨质疏松椎体压缩骨折，相邻节段椎体应力增加与骨水泥注入量相关，注入量越大，应力越大，骨折发生率增加^[8-9]。且注入量越大，注入压力越高，出现骨水泥渗漏的并发症发生率越高^[10]。需要以较少骨水泥注入取得良好的临床治疗效果，而不明显增加相邻椎体应力，同时减少骨水泥渗漏带来的各种并发症^[11]。因此，施行椎体成形术时既能有良好的临床疗效，并且相邻椎体的生物力学性质没有明显改变是今后研究的重点。探寻能取得稳定椎体骨折，缓解疼痛的合适骨水泥注入量是目前研究的核心^[12-13]，作者针对1例双侧注入少量骨水泥缓解疼痛，随访2年，无新发骨折出现的患者作为研究对象，评价骨水泥注入后病椎及相邻椎体应力的改变情况。

有限元模型为进行脊柱生物力学分析提供了较动物模型、尸体及活体研究更加简单、可行、真实并且能反复改变实验条件的研究平台[14]。脊柱的三维有限元模型由简单少量单元的各向同性线性模型发展到拥有上百万单元各向非同性，非线性材料模型，可以更加真实地模拟各种生理状态^[15]。同时还能将各肌肉、韧带考虑在内^[16]。脊柱有限元模型对于研究了解脊柱提供了便利，提供了丰富的研究脊柱生理、病理表现的资源，减少了人们对动物脊柱模型、尸体研究的依赖^[17]。

材料方法

设计：三维有限元分析。

时间及地点：于2011-12-08/2012-02-10在大连大学附属中山医院骨科完成。

对象：根据术前X射线检查排除骨骼异常情况，选取临床疗效良好患者进行分析。回顾性选取1例75岁，男性骨质疏松L₂椎体压缩性骨折患者。该患者采用双侧少量约3.5 mL(<4 mL)^[11]，右侧2.5 mL、左侧1 mL骨水泥注入治疗骨质疏松椎体压缩骨折，临床症状明显缓解，术后第2天即在腰围保护下活动，随访2年无新发骨折。患者生活质量明显改善，无腰痛。制备有限元模型已取得患者知情同意。

注入材料为聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，在临床已经应用多年，效果确切。

方法：获取治疗前后的L₁-L₄CT影像数据，先行X射线检查以排除可见的脊柱病变及损害。将CT数据导入MIMICS图像处理软件，有限元软件ANSYS构建实体模型。按以往脊柱有限元模型报道设置参数，按照解剖结构组装韧带。前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、关节囊韧带、横突间韧带等各组韧带^[18-19]。小关节行简单化处理，补充关节囊，定义为仅受拉的杆单元，关节软骨层的表面接触选用面-面接触单元模拟^[20-23]。椎间盘及各组韧带弹性模量和泊松比、各结构材料性质及单元类型见表1所示^[16-17]。

约束L₄椎体下表面和下关节突底面所有节点的XYZ三个方向的自由度。即在加载时，L₄椎体下表面和下关节突底面所有节点均不发生位移。在L₁椎体上表面加均布向下荷载500 N模拟生理状态下的上半身压力。同时分别给予屈、伸、左右侧屈、旋转各向荷载模拟日常活动下的前屈50 N•m，后伸50 N•m，侧屈40 N•m，轴向旋转15 N•m弯矩^[9]。提取应力集中部位屈、伸、左右侧屈、轴向旋转等运动状态应力云图，点应力等计算结果。

椎体上部1/3是骨折常发生部位；另外椎体靠近终板位置，应力分布较大^[24]。前屈时，应力较大且集中区域位于椎体前部；后伸时，应力较大且集中区域位于椎体后部；左侧屈时，应力较大且集中区域位于椎体左侧；右侧屈时，应力较大且集中区域位于椎体右侧；轴向旋转时，应力较大且集中区域位于椎体中部。将应力集中部位的应力云图提取，平均地选取各部点应力值。行治疗前后各运动状态自身配对t 检验，观察治疗前后的应力数值差异是否具有显著性意义。

主要观察指标：腰椎骨折椎体及相邻椎体各个方向运动的点应力、应力云图分布情况。

统计学分析：作者采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，先对各组数据行正态性检测，然后对术前术后相同运动状态数据行配对t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

3.1 有限元简介有限元能够计算出模型任意位置的应力和位移状态，同时能给出直观立体的应力或位移云图。通过它能更简单、准确、直观地了解脊柱生物力学性能，提供真实的数字化模型；为人们改进内固定器材，改善现有手术方式提供有力的生物力学证据。材料的各向异性，模型选用材料的性质与实际存在差异，材料的线性、非线性等问题，设置模型载荷，边界条件与实际载荷的差异都可能导致研究结果出现偏差。

3.2 经皮椎体成形术治疗骨质疏松脊椎压缩骨折经皮椎体成形术已成为治疗骨质疏松脊椎压缩骨折的一种常规方法。通过向骨折椎体填充骨水泥恢复椎体强度，缓解疼痛，稳定脊柱。早期经皮椎体成形术，人们追求大量骨水泥注入，认为注入量越大，强度恢复越好，缓解疼痛作用越强。但后期随访发现有可能引发新的相邻椎体骨折^[4-5]。因此适量的骨水泥注入既能达到良好临床疗效同时对相邻椎体生物力学影响又较小，减少相邻椎体再骨折。

3.3 椎体成形术对相邻椎体影响一文章通过6年，188例患者，214个椎体研究椎间盘渗漏与邻椎骨折的关系发现骨水泥平均注入量小于4 mL时，出现椎间盘渗漏与相邻椎体骨折无相关性^[7]。骨水泥注入量则由1 mL至16 mL不等，平均约5 mL，腰椎为6 mL，渗漏发生率约为30%，未出现渗漏并发症，约18%患者1年内出现椎体再骨折^[5]_。随着临床运用骨水泥注入量越大，渗漏的发生率越高，椎间盘渗漏本身即可导致邻椎应力增加，骨折风险增高^[7,9]。再骨折主要集中在胸腰段T₁₂，L₁，L₂椎体，可能与胸腰段椎体应力较大有关^{[6, 24]}。体外尸体实验，骨水泥注入约2 mL可恢复椎体强度，注入约 4 mL可恢复椎体刚度^[24]。以往报道，在经皮椎体成形术治疗初期过分追求治疗椎刚度恢复，认为骨水泥注入量较大疗效越好，然而注入量越大渗漏概率增加，渗漏并发症也相应增多。并且骨水泥注入量与疼痛缓解程度没有量效关系^[24]。为了减少渗漏并发症出现，降低了骨水泥注入量。以往的临床随访报道经皮椎体成形术增加相邻椎体骨折的风险。作者认为经皮椎体成形术能增加相邻椎体骨折风险或许是当初的骨水泥的注入量较大而增加相邻椎体应力，使相邻椎体骨折风险增高。近年文章报道的骨水泥注入量减少从而降低相邻椎体应力，降低再骨折风险。经皮椎体成形术后再骨折与骨水泥注入后应力增加有关以外还与术后是否持续抗骨质疏松症，是否应用激素等有关。激素是公认的导致骨质疏松因素之一。使用激素的骨质疏松患者，椎体再骨折的风险也高于其他未使用激素者。目前对于椎体成形术是否增加邻椎应力导致邻椎再骨折无法进行随机分组对照研究，均为回顾性分析，不能得出直接的证据，不能直接证明椎体成形术会直接导致邻椎再骨折。在保证疗效的同时不增加相邻椎体应力以减少邻椎再骨折风险还需继续探索。但疗效良好，最小程度的影响邻椎应力是最基本的原则。本例经皮椎体成形术对相邻椎体的应力没有显著影响(P > 0.05)。临床症状明显缓解，术后第2天即在腰围保护下活动，随访2年病椎及相邻椎体无新发骨折，无腰疼。骨质疏松椎体骨折是综合因素所致，在行椎体成形术的同时，为了降低椎体再骨折发生的风险，除减少骨水泥注入量外还需要从根本上解决问题，同时行抗骨质疏松治疗。

本文脊柱的三维有限元模型解剖结构和材料属性均接近真实的结构。骨水泥的注入量为3.28 mL，低于文章报道的少量(腰椎4 mL)^[24]。其中右侧2.39 mL 左侧0.89 mL为构建模型时，计算机通过CT测量计算获得，与实际注入量3.5 mL稍有偏差，但差别不大。由于各运动状态载荷不同，椎体前方韧带结构不如后方韧带结构强劲，左右两侧骨水泥的注入量，两块骨水泥形状均不规则，各运动状态选取的点应力值区域不同，故各运动状态之间无对比性。仅在同一运动状态下，治疗前后的对比有可比性。L₁，L₃椎体治疗前后应力差异无显著性意义(P > 0.05)。因此少量注入骨水泥对骨质疏松性腰椎骨折疗效好，同时不增加相邻椎体应力。

3.4 椎体成形术对治疗椎体影响通过注入骨水泥能恢复骨折椎体的强度和刚度，稳定骨折椎体，减少骨折局部的微动，缓解疼痛^[11]_。骨水泥注入约2 mL可恢复椎体强度，注入约4 mL可恢复椎体刚度，注入越多，刚度增加越多，对相邻节段应力越大[24]。L2椎体治疗前后的最大应力与前人报道的应力位于同一数量级，应力值较低，这可能与骨水泥注入量较少有关。L2椎体前屈、后伸、左右侧屈运动治疗前后的应力差异有显著性意义 (P < 0.05)。轴向旋转时轴向载荷为77 N，重力为500 N，此运动状态对椎体的应力影响不大(P > 0.05)，这可能与骨水泥注入量少，椎体刚度增加不大，轴向旋转时载荷与重力方向垂直，且重力较旋转载荷明显大有关。本例经皮椎体成形术的少量骨水泥注入能达到良好的治疗效果，增加椎体强度，恢复脊柱稳定性，同时又不增加相邻椎体应力。此例有限元分析结果表明，骨水泥注入后，邻椎的应力没有明显改变。结合良好的疗效，作者认为少量即4 mL左右(此例3.5 mL)可能是一种适宜的骨水泥注入量。而既往的研究也与作者的观点类似^[7]。骨水泥注入后相邻椎体的应力不仅与量有关还与所处的部位有关，受单侧或双侧注入方法影响。单侧少量骨水泥注入疗效不如等量骨水泥双侧注入好，这可能与骨水泥单侧注入后椎体两侧应力不平衡有关。本例尽管不是对称的双侧注入，但却有良好疗效。这提示行少量 (4 mL)骨水泥注入时，尽量保持双侧均有骨水泥是良好疗效的保证。但本例右侧约2.5 mL，左侧约1 mL的不平衡分布仍有良好的效果也提示骨水泥少时疗效不一定差。既往研究也支持这样的观点。

3.5 文章的局限性脊柱的解剖结构复杂，材料属性复杂多样，且存在个体差异退变程度不同。目前脊柱各种材料属性研究以线性各向同性为主，对于材料属性的基础研究尚处于发展阶段。三维有限元技术对计算机速度和内存要求较高，尤其是对内存要求高。2 G内存的电脑不能满足单元数较多的有限元模型运算(一般需达到16 G内存)，构建更加逼真的本身解剖结构就复杂脊柱三维有限模型有难度。鉴于硬件条件有限，本文对真实的解剖结构进行了必要且合理的简化，摒弃了脊柱周围的肌肉和腹部肌肉^[18-19]。但这些肌肉间有序的配合有利于维持脊柱稳定性，因此与真实的生理状态存在一定差异。

结论：少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性L2椎体骨折可增加椎体强度及应力，获得良好疗效又不改变相邻椎体的应力。

骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

Finite element analysis on the vertebral body and adjacent vertebrae of osteoporotic fractures before and after bone and cement injection

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