T12椎体前缘不同压缩状态下相邻椎体终板应力的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.010

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (22): 3263-3271.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.010

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T₁₂椎体前缘不同压缩状态下相邻椎体终板应力的有限元分析

冯杰荣，殷海东，陈伟，黄明光

南方医科大学附属顺德第一人民医院，广东省佛山市 528300

修回日期:2016-02-29 出版日期:2016-05-27 发布日期:2016-05-27
通讯作者: 黄明光，主任医师，南方医科大学附属顺德第一人民医院，广东省佛山市 528300
作者简介:冯杰荣，男，1979年生，广东省佛山市人，汉族，2003年解放军第一军医大学毕业，主治医师，主要从事骨病关节外科、运动医学方面的研究。
基金资助:
佛山市卫生与计生局医学科研课题(2015236)

Finite element analysis of stress of the adjacent vertebral end plate of T₁₂ vertebral body in different compression states

Feng Jie-rong, Yin Hai-dong, Chen Wei, Huang Ming-guang

the First People’s Hospital of Shunde Affiliated to Southern Medical University, Foshan 528300, Guangdong Province, China

Revised:2016-02-29 Online:2016-05-27 Published:2016-05-27
Contact: Huang Ming-guang, Chief physician, the First People’s Hospital of Shunde Affiliated to Southern Medical University, Foshan 528300, Guangdong Province, China
About author:Feng Jie-rong, Attending physician, the First People’s Hospital of Shunde Affiliated to Southern Medical University, Foshan 528300, Guangdong Province, China
Supported by:
the Foshan Municipal Health and Family Planning Bureau Project, No. 2015236

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

椎体终板：椎体在生长发育过程中，椎体上下面的骨骺板骨化停止后形成骨板，呈轻度凹陷，即为骨性终板。椎体终板的中央仍为一薄层透明软骨覆盖，并终生存在，即为软骨终板，上下软骨终板与髓核和纤维环连接共同构成椎间盘。

椎体压缩性骨折：是老年性骨质疏松常见的并发症，主要发生在胸腰段椎体，以T₁₂椎体最为多见。椎体压缩性骨折由于椎体前缘的高度丢失，可导致局部后凸畸形、生理曲线发生改变，继而使骨折椎体前方应力集中及骨折椎体周围应力增大，从而导致邻近椎体再骨折的发生。

摘要

背景：椎体压缩骨折是老年骨质疏松症患者最常见的脊柱骨折，椎体前缘的压缩程度与邻近椎体再骨折是否相关尚未明确。

目的：利用有限元方法建立T₁₂椎体前缘不同压缩状态模型，并分析T₁₂椎体前缘压缩程度与邻椎终板应力的相关性。

方法：基于正常成年人志愿者的胸腰段CT数据，导入MIMICS/3-matic，经图像分割、修补及三维网格化获取胸腰椎T₁₁-L₁节段数据，网格赋材质属性后导入ABAQUS，建立韧带、小关节等特征，获取逼真的三维有限元模型。对模型前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋及右旋等6个自由度进行加载，验证正常模型的有效性。分别将T₁₂椎体前缘压缩至90%，80%，70%……10%共9个状态，提取T₁₁下终板及L₁上终板的MISES应力，获得压缩状态与邻近终板应力的关系曲线。

结果与结论：①该模型高度逼真，能真实反映实际受力状态；②结果表明，T₁₁椎体下位终板和L₁椎体上位终板的应力值与T₁₂椎体前缘的压缩程度呈正相关，应力增加可能导致终板骨折的可能性增加，进而增大相邻椎体的骨折风险。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

ORCID: 0000-0002-6266-2451(黄明光)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 胸腰椎, 有限元分析, ABAQUS, 三维模型, 压缩状态, 终板应力

Abstract:

BACKGROUND: Vertebral compression fractures are the most common vertebral fractures in the elderly patients with osteoporosis, and the correlation between the compression of anterior border of vertebral body and adjacent vertebral refractures is not clear.

OBJECTIVE: To establish a model of different compression of T₁₂ vertebral body with finite element method, and analyze the relationship between the compression of T₁₂ vertebral body and the stress of adjacent vertebral plate.

METHODS: Based on thoracolumbar CT data of normal adult volunteers, MIMICS/3-matic was imported. Through image segmentation, repair and three-dimensional mesh of access to thoracic and lumbar T₁₁-L₁data, grid assigned material properties was imported to ABAQUS so as to establish ligament, joint and other small features and obtain realistic three-dimensional finite element model. The six degrees of freedom, including anteflexion, posterior extension, left and right flexion, left and right rotation, were loaded, to verify the validity of the normal model. With the frontier of vertebral body compression to 90%, 80%, 70%…10% of the nine states, MISES stresses of the T₁₁ and L₁segment intervertebral disc endplate were extracted; the relationship curve of compression state and endplate stress was obtained.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The model was highly realistic and could reflect the actual stress state. (2) The stress value of T₁₁ vertebral body and L₁ vertebral body was positively correlated with the compression of T₁₂ vertebral body. Increased stress may lead to an increased likelihood of end plate fractures, which increases the risk of fractures in the adjacent vertebral bodies.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Thoracic Vertebrae, Lumbar Vertebrae, Stress, Mechanical, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

冯杰荣，殷海东，陈伟，黄明光. T₁₂椎体前缘不同压缩状态下相邻椎体终板应力的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(22): 3263-3271.

Feng Jie-rong, Yin Hai-dong, Chen Wei, Huang Ming-guang. Finite element analysis of stress of the adjacent vertebral end plate of T₁₂ vertebral body in different compression states[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(22): 3263-3271.

图/表（结果） 4

2.1 正常胸腰椎T₁₁-L₁节段三维有限元模型有效性验证 正常胸腰椎T₁₁-L₁节段有限元模型包括前后纵韧带、棘间韧带、小关节等解剖结构，与真实胸腰椎模型具有较高的拟合度(图1)。通过载荷、边界约束，该正常模型在前屈、后伸、左右旋转、左右侧屈的结果与Brown^[8]、Markolf^[9]、Tencer^[10]、Schltz等^[11]的体外实验结果相吻合。证明该模型可以用于下一阶段的胸腰椎T₁₁-L₁压缩状态的生物力学有限元分析。该模型的分析结果见图2，3。

2.2 胸腰椎T₁₁-L₁节段压缩三维有限元模型分析 在正常胸腰椎T₁₁-L₁节段椎骨有限元模型验证的基础上，在ABAQUS 6.12-1中，以T₁₂椎体前缘高度/后缘高度的数值建立不同前缘压缩状态模型，每10%为一个状态，建立出了9个工况的前缘压缩状态模型，提取出了前屈、后伸及旋转工况下T₁₁下终板及L₁上终板的应力大小及分布情况，分别列出各状态终板的应力对比数据，见图4-9。

前屈载荷工况下，9种状态结果表明，当压缩比例从10%增加到90%时，T₁₁下终板应力从0.812 MPa提高到4.019 MPa；L₁上终板应力从0.614 1 MPa提高到3.056 MPa。

后伸载荷工况下，9种状态结果表明，当压缩比例从10%增加到90%时，T₁₁下终板应力从1.151 MPa提高到5.827 MPa；L₁上终板应力从0.605 1 MPa提高到2.908 MPa。

轴向压缩载荷工况下，9种状态结果表明，当压缩比例从10%增加到90%时，T₁₁下终板应力从1.431 MPa提高到6.333 MPa；L₁上终板应力从0.847 MPa提高到3.535 MPa。

胸腰椎T₁₁-L₁系统有限元模型可模拟真实脊柱内的各部分连接状况，包括椎骨与椎间盘之间，椎骨之间韧带连接等，可真实反映椎间盘的受力状态。提取各载荷条件下9种状态的T₁₁下终板及L₁上终板的Mises应力。前屈90%状态最大Mises应力T₁₁下终板为4.019 MPa，L₁上终板为3.056 MPa；后伸90%状态最大Mises应力T₁₁下终板为5.827 MPa，L₁上终板为2.908 MPa；轴向压缩90%状态最大Mises应力T₁₁下终板为6.333 MPa，L₁上终板为3.535 MPa。随着压缩状态的增大，椎间盘受到的压迫力更大，其椎间盘表现出来的应力水平随着压缩程度的增大而增大，见图10。

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引言

材料方法

1.1 设计 三维有限元分析，单一样本实验。

1.2 时间及地点 于2015年1至7月在南方医科大学附属顺德人民医院完成。

1.3 对象 选择1例成年健康男性志愿者，身高173 cm，体质量72 kg。拍摄X射线片检查并排除病变、创伤、畸形等情况。

1.4 方法

1.4.1 建立胸腰椎T₁₁-L₁节段三维有限元模型采用螺旋CT，连续扫描志愿者胸腰椎T₉-L₃节段，获取连续断层图像，层厚0.6 mm，导出*.dcm格式文件，并保存。采用Materialise上海公司提供的医学图像处理软件Mimics 17.0试用版，导入上述扫描的断层图像，通过阀值区分，区域增长，模型修补等一系列必要操作，重建胸腰椎T₁₁-L₁三维模型。采用结构设计软件PRO/E5.0对胸腰椎T₁₁-L₁三维模型进行组装。将三维模型导入达索公司的ABAQU6.12-1有限元分析软件，通过材质属性赋值，网格划分，模型组装，完成三维有限元模型。具体系统结构如下所述：椎骨区分皮质骨与松质骨，皮质骨厚1.5 mm；模型包括黄韧带、翼状韧带、后纵韧带、小关节、椎间盘等。骨质模型采用高阶四面体单元，韧带等简化为采用truss绳索单元，椎间盘采用高阶六面体单元。所有结构均采用均质、连续、线弹性有限元材料。椎骨与韧带采用共节点约束，小关节之间采用contact接触关系，接触摩擦系数为0.1。胸腰椎T₁₁-L₁三维模型结构的具体材质属性以及单元类型，单元数量见表1^[5-7]。

1.4.2 正常胸腰椎节段有限元模型有效性验证依据正常生理条件下胸腰椎所承受的载荷，对建立的正常胸腰椎T₁₁-L₁有限元模型进行载荷施加以及边界约束，载荷条件为在T₁₁椎骨上表面一点施加15 N•m扭矩载荷，T₁底面全自由度固定约束。

进行前屈、后伸、左旋、右旋、左侧屈、右侧屈6个方向运动，验证胸腰椎运动自由度数据，并与Brown^[8]、Markolf^[9]、Tencer^[10]、Schltz等^[11]的体外胸腰椎生物力学测试结果做对比。

1.4.3 胸腰椎T₁₁-L₁节段压缩有限元模型分析单纯研究T₁₂椎体前缘压缩程度与邻近椎体终板应力的相关性，获取T₁₂椎体前缘压缩程度-邻椎终板应力峰值曲线图。用以分析老年性骨折疏松性T₁₂椎体楔形压缩性骨折后，T₁₂椎体前缘压缩程度是否为邻近椎体再骨折的危险因素。

以T₁₂椎体前缘高度/后缘高度的数值建立不同前缘压缩状态模型，每10%为一个状态，依次建立90%，80%，70%……10%前缘压缩状态模型；在三维有限元模型上对L₁下表面进行全自由度固定约束，在T₁₁上缘施加与正常胸腰椎节段有限元模型相同的载荷；9个状态模型分别模拟实体生物力学进行生理载荷下前屈、后伸及轴向压缩运动；获取T₁₂椎体下终板及L₁椎体上终板应力数据；获取T₁₂椎体前缘压缩程度与邻近椎体终板应力的相关性。

1.5 主要观察指标 ①有限元模型的建立及有效性验证；②不同T₁₂椎体前缘压缩状态下模型在轴向压缩、前屈、后伸3种加载状态下T₁₁椎体下终板及L₁椎体上终板应力值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

3.1 T₁₂椎体压缩骨折与邻近椎体再骨折的关系 目前老年性骨质疏松性椎体压缩性骨折的临床治疗主要选用两种微创方法：经皮穿刺椎体成形术或经皮穿刺椎体后凸成形术^[12-19]。相比之下，采用经皮穿刺椎体成形术时骨水泥在椎体内分布较为均匀，费用相对较低；但经皮穿刺椎体后凸成形术能够较好地恢复压缩椎体的高度。两种治疗方法均有能显著而又快速的减轻骨折疼痛、明显提高患者生活质量等优点，从而被广泛应用于临床^[20-24]。然而，研究报道椎体强化术后椎体再骨折发生率高达10%-38%^[25-26]。

目前再骨折危险因素中生物力学改变的研究已经成为当今的热点。生物力学改变有骨水泥因素和非骨水泥因素两方面，主要包括强化椎体刚度增高效应、骨水泥的量与分布、终板凹陷角改变及椎体压缩骨折后局部畸形等椎体强化术后再发椎体骨折的临床特点和危险因素^[27-30]。理论上而言，椎体前缘的压缩程度与邻近椎体终板应力存在相关性，由于胸腰椎压缩骨折造成局部后凸畸形、生理曲线发生改变，可导致重心前移，使骨折椎体前方应力集中或骨折椎体周围应力增大，从而导致再骨折的发生。作者此次研究建立多个T₁₂椎体前缘不同压缩状态模型，分别模拟实体生物力学进行生理载荷运动，分析T₁₂邻近椎体终板的应力情况。以排除骨质疏松、椎体骨水泥填充、脊柱退变等干扰性因素的影响，单纯研究T₁₂椎体前缘压缩程度与邻近椎体终板应力的相关性。

3.2 正常胸腰椎T₁₁-L₁有限元模型有效性验证 文章研究胸腰椎T₁₁-L₁系统三维有限元模型，该模型包括胸腰椎T₁₁-L₁椎骨、椎间盘终板、髓核、纤维环以及各部分牵连韧带。依据韧带的相关特性以及材质属性，对于韧带在有限元中，采用非线性TRUSS单元来模拟韧带的特性，只承受拉力，不承受压力，实现了韧带的功能；椎骨与椎间盘之间设定为绑定关系^[31-33]。要进行有限元分析，需先保证模型准确，建模方法可靠^[34-36]。在此基础上才能保证由该建模方法获得的模型是可靠的，为分析结果的可靠性提供最基础的条件。参考国外学者研究方法^[37-38]，对正常胸腰椎T₁₁-L₁有限元模型的有效性验证方法是：将模型定义和加载与标本实验相同的边界条件和载荷，分别进行了前屈、后伸、侧屈以及轴向旋转等运动模拟，然后将有限元结果与实验结果Brown等^[8]的研究做比较，以验证模型有效性。

结果表明，本文建立的正常胸腰椎T₁₁-L₁节段椎骨及椎间盘、韧带系统三维有限元模型的有效性验证结果与参考文献结果相吻合，能够准确无误的呈现胸腰椎的受力状态，充分证明能够用于下一步的胸腰椎压缩状态有限元分析。

3.3 压缩状态胸腰椎T₁₁-L₁系统三维有限元模型分析 获取的T₁₁下终板及L₁上终板的MISES应力大小及分布结果显示，椎体前缘压缩程度越高，其终板应力越大。通过研究T₁₂椎体前缘压缩程度与邻椎终板应力的相关性，可以通过数据分析得知，老年性骨折疏松性T₁₂椎体楔形压缩性骨折后，椎体压缩程度为邻近椎体再骨折的危险因素，对指导临床治疗具有较大的意义。T₁₂椎体前缘压缩程度与邻近椎体终板应力的具有明显正相关性，结果表明，T₁₂椎体前缘压缩程度为邻近椎体再骨折的危险因素；通过精确建模手段及三维有限元计算方法，对于指导临床，降低治疗后邻近椎体再骨折的发生概率具有重要意义^[39]。

文章有限元结果表明，在90%-60%区间，椎间盘能够较好的保持其形态，但在50%-10%，随着压缩程度的增加，椎间盘产生剧烈变形，并有变形溢出现象，这是由于椎间盘髓核等类似近似不可压缩流体，力学强度很低，而纤维环也属于高泊松比物质，在椎骨暴力压缩强度条件下，将会产生大变形，本研究针对此种现象，对椎间盘进行高阶六面体单元划分，该类型单元能够支持材料大变形计算，较好的模拟了椎间盘的变形状态^[40]。

研究首次以T₁₂椎体前缘不同压缩状态三维有限元模型分析邻近椎体终板的应力情况；以健康成人脊柱胸腰段三维有限元模型为基础，单纯研究T₁₂椎体前缘压缩程度与邻近椎体终板应力的相关性。文中结果表明，当压缩比例超过30%时，T₁₁下终板及L₁上终板应力明显升高，尤其轴向压缩状态下终板应力值最大，其次是前屈压缩状态及后伸压缩状态，分析原因为达到相同的压缩程度，轴向压缩条件下，整个椎间盘均受到压迫，产生的压应力最大，而前屈和后伸载荷条件下，椎间盘只有局部受压迫，其压应力小于轴向压缩状态。因此在老年性骨质疏松性T₁₂椎体楔形压缩性骨折临床治疗中需考虑局部后凸畸形及椎体前缘高度恢复等问题，以减小邻近椎体应力，降低治疗后邻近椎体再骨折的发生概率。

综上所述，作者所研究的胸腰椎T₁₁-L₁节段三维有限元模型包含椎间盘纤维环、髓核、韧带、小关节等特征，具有精确的几何外形，能够准确模拟实际临床力学环境，力学研究结果表明，通过有限元算法能够为临床提供良好的术前指导。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

T₁₂椎体前缘不同压缩状态下相邻椎体终板应力的有限元分析

Finite element analysis of stress of the adjacent vertebral end plate of T₁₂ vertebral body in different compression states

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