有限元法评估经皮椎体成形和后凸成形治疗脊柱三明治骨折的生物力学变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.35.021

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

三明治骨折：是2008 年由 Hierholzer和Pitton等学者报道的一种特殊类型的脊柱骨折。其中，脊柱三明治骨折(Sandwich Body Fracture)是指一个完好的未骨折椎与其上下两方所相邻的两个发生骨折的椎体组成的特殊类型的椎体骨折。

经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty，PVP)：是指经皮通过椎弓根或椎弓根外向椎体内注入骨水泥以达到增加椎体强度和稳定性，防止塌陷，缓解疼痛，甚至部分恢复椎体高度为目的一种微创脊椎外科技术。椎体成形术是将骨组织或骨水泥注入椎体，从力学上增强其结构强度。20世纪80年代，法国医生 Deramand 和Galiber 首先运用经皮椎体成形术治疗椎体血管瘤，此后这一技术被广泛用于，开创了椎体压缩骨折微创治疗的新纪元。

经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty，PKP)：这种微创技术在治疗骨质疏松性椎体骨折、疼痛性椎体血管瘤以及各种脊柱转移瘤和骨髓瘤等方面取得了满意的效果，可使患者的疼痛即刻显著减轻或消失，明显提高患者的生活质量。由于其微创、安全、疗效显著，得到了越来越多的医生与患者的青睐。经皮椎体后凸成形术是在经皮椎体成形术的基础上，于1994年由美国学者Wong和Reiley等设计，并于1998 年由美国FDA批准用于临床。

摘要

背景：研究证明脊柱三明治骨折经皮椎体后凸成形和经皮椎体成形强化后椎体后骨折发生率相较于传统保守治疗有明显的效果，但经皮椎体后凸成形与经皮椎体成形治疗的生物学性能还需要进一步探索。

目的：比较后凸成形和经皮椎体成形2种疗法治疗脊柱三明治骨折的生物力学特性。

方法：基于脊柱三明治骨折有限元模型，构建治疗骨折的后凸成形及经皮椎体成形有限元模型。在两种模型加载荷的工况下，分析变形和应力分布特征。

结果与结论：经皮椎体成形模型治疗L₁、T₁₁三明治骨折，治疗前与治疗后情况相比，脊柱处胸腰段刚度变化不明显，夹心椎处最大应力变化及变形量基本没有明显改善，夹心椎前柱处应力集中现象无明显改观(26.12 MPa减小到23.37 MPa，减小了10.53%)。而后凸成形模型脊柱处胸腰段刚度明显增加，夹心椎处的最大应力变化及变形量明显减少(27.15 MPa 减小到17.52 MPa，减小了36.71%)。

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: 0000-0002-4156-7906(王吉博)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 脊柱模型, 经皮椎体成形术, 后凸成形术治疗法, 生物力学评估

Abstract:

BACKGROUND: Percutaneous kyphoplasty (PKP) and percutaneous vertebroplasty (PVP) have been shown to obtain satisfactory clinical efficacy in the treatment of spinal sandwich fracture compared with conventional conservative method, but a further investigation on the related biomechanical characteristics is required.

OBJECTIVE: To compare the biomechanics characteristics of PVP and PKP for spinal sandwich fracture.

METHODS: The finite element models of PVP and PKP were constructed based on the finite element model of spinal sandwich fracture. The deformation and stress distribution characteristics were analyzed after loaded.

RESULTS AND CONCLUSION: After PVP for L₁, T₁₁sandwich fracture, the stiffness at the thoracic and lumbar segments, the maximum stress and deformation at the sandwich vertebrae showed no obvious improvement, and the stress concentration at the anterior column of sandwich vertebrae was not improved significantly (from 26.12 Mpa to 23.37 Mpa, reduced by 10.53%). Meanwhile, PKP significantly increased the stiffness at the thoracic and lumbar segments, the maximum stress and deformation of the sandwich vertebrae were significantly decreased (from 27.15 Mpa to 17.52 Mpa, reduced by 36.71%).

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Key words: Spine, Fractures, Bone, Finite Element Analysis, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王吉博. 有限元法评估经皮椎体成形和后凸成形治疗脊柱三明治骨折的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(35): 5703-5708.

Wang Ji-bo. Biomechanical characteristics of percutaneous kyphoplasty versus percutaneous vertebroplasty for spinal sandwich fracture by finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(35): 5703-5708.

图/表（结果） 1

2.1 载荷的工况下两种模型整体的变形 采用后凸成形术模型治疗T₁₁-L₁骨折后，模拟在前屈、直立、侧弯、右旋及后伸工况下，变形情况相较于经皮椎体成形术模型治疗骨折后的T₁₀-L₂变形量显著降低，后凸成形术有限元模型治疗骨折后的变形数值相较于三明治骨折前模型变形数值略为降低；而经皮椎体成形术模型治疗T₁₁-L₁三明治骨折后，模拟在前屈、直立、侧弯、右旋及后伸工况下，T₁₀-L₂模型变形情况与T₁₁-L₁骨折后比较基本无显著变化。在加载相同载荷的工况下，后凸成形术模型治疗后的较经皮椎体成形术模型治疗刚度有明显恢复迹象，实验表明脊柱骨折后应用经皮椎体成形术模型治疗对脊柱三明治骨折后刚度影响很小，而后凸成形术模型治疗能效增加脊柱刚度，且能达到高于骨折前水准。见图5，6。

2.2 不同载荷下两种模型的应力分布 经过经皮椎体成形术模型治疗过后，骨折后脊柱前柱处应力集中无明显缓解现象，而后凸成形术模型治疗后应力集中得到显著改善。采用后凸成形术模型治疗后，骨折L₁椎体的最大应力明显减小，主要体现在直立、前屈状况下。但经皮椎体成形术模型治疗骨折，实验显示骨折T₁₁、L₁后，应用经皮椎体成形术模型治疗后，骨折L₁椎体的最大应力相较于术前有所增加。见图7，8。

2.3 两种模型的椎体最大应力 T₁₁-L₁骨折后，在侧弯、前屈及右旋工况下，T₁₂最大应力显著增大。以上实验表明脊柱骨折后，采取保守治疗情况下，侧弯、前屈及右旋时，夹心椎最大应力显著增加，椎体再次发生骨折的几率增大。通过经皮椎体成形术治疗脊柱三明治骨折有限元模型及后凸成形术治疗脊柱三明治骨折有限元模型显示采用椎体强化及后凸成形术模型治疗后，夹心椎的最大应力有效且明显大幅度减小，在前屈载荷下体现尤为明显(27.15 MPa减小到17.52 MPa，减小了36.71%)。见图9，10。

结果表明，经皮椎体成形术模型治疗L₁、T₁₁三明治骨折，治疗前与治疗后情况相比，脊柱处胸腰段刚度变化不明显，夹心椎处最大应力变化及变形量基本没有明显改善，夹心椎前柱处应力集中现象无明显改观(26.12 MPa减小到23.37 MPa，减小了10.53%)。而后凸成形术模型脊柱处胸腰段刚度明显增加，夹心椎处的最大应力变化及变形量明显减少(最大应力减少36.71%)。

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引言

随着社会人口基数增大，老龄化程度严重趋势增强，骨质疏松造成脊柱骨折的发病率逐渐升高，受到社会的广泛关注，因而早期的治疗有十分重要的临床研究意义。骨质疏松椎体性骨折(osteoporotic vertebral fractures，OVF)是骨质疏松造成的常见病症，对于该病症传统治疗方法是止痛药、补钙及卧床休息等，患者的病症有所减轻，但都是表面性的治疗方法，没有得到根本治疗。

经皮椎体成形术首次被Galibert提出^[1]，主要应用于治疗血管瘤，但逐渐被推广于椎体骨折方向。后凸成形术是在经皮椎体成形术的基础上增加生理弧度及增强骨折生物力学强度的椎体成形术^[2-3]。在国内，苏州大学第一附属医院首次对经皮椎体后凸成形术进行研究^[4]，主要针对骨质疏松患者导致的骨折病例进行治疗^[5]。后凸成形术治疗骨质等病症研究主要体现在对椎体骨折复位研究等^[6-12]。骨质疏松导致椎体骨性强度明显减弱，强化椎体方法成为治疗骨质疏松的关键技术，在脊椎骨科领域中被广泛应用^[13]。

三明治骨折是2008年由Hierholzer^[14]和Pitton等^[15]学者报道的一种特殊类型的脊柱骨折。其中，脊柱三明治骨折(Sandwich Body Fracture)是指一个完好的未骨折椎与其上下两方所相邻的两个发生骨折的椎体组成的特殊类型的椎体骨折。2011年苏州大学附属第一医院汪李军等^[16]在国内率先将Sandwich Vertebra翻译为夹心椎，夹心椎是指三明治骨折中间完好的未骨折椎称为夹心椎^[14-15]。夹心椎骨折(Sandwich Fractures/ Sandwich Vertebral Body Fractures)是指患者在发生脊柱三明治骨折之后，夹心椎发生的骨折。

Bliemel等^[17]通过大量分析，认为椎体强化后再骨折与传统保守治疗效果相比，基本保持相等，无太大差异。而Mudano等^[18]经过研究椎体强化后90 d到1年内骨折发生风险是保守治疗的2-4倍。文献研究后发现，后凸成形术治疗后骨折病发率为11.6%^[19]，保守治疗达到22.0%，经皮椎体成形术达到11.6%，证明强化后的椎体骨折发生率相较于传统保守治疗有明显的效果。接着，Movrin^[20]通过大量非随机性研究得出，后凸成形术治疗后1年的复发率约为6.45%，保守治疗约为16.5%，再次证实了椎体强化后有一定的效果。

鉴于此，文章基于脊柱三明治骨折有限元模型，构建治疗骨折的后凸成形术及经皮椎体成形术有限元模型，在两种模型加载荷的工况下，分析变形和应力分布特征。通过对后凸成形术及经皮椎体成形术有限元模型进行分析，包括：①经皮椎体成形术模型治疗L₁、T₁₁三明治骨折，治疗前与治疗后相比情况，脊柱处胸腰段刚度变化情况，夹心椎处最大应力变化及变形量情况，夹心椎前柱处应力集中现象情况，夹心椎间盘处最大应力变化情况；②后凸成形术模型脊柱处胸腰段刚度变化情况，夹心椎处的最大应力变化及变形量情况及在前屈、直立、侧弯、后伸载荷下夹心椎间盘处最大应力变化情况。

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材料方法

1.1 设计 有限元分析。

1.2 时间及地点 实验于2015年9月至2016年9月在遵义医学院完成。

1.3 对象 依托于遵义医学院影像科，对于该医院收治的1例年龄为32岁，身高171 cm，体质量61 kg的骨质疏松脊柱三明治骨折患者(排除器质性病变)，进行了脊椎CT影像资料的采集(患者同意实验内容)。

1.4 材料 GE64螺旋CT机一台(美国通用电气公司，LightSpeed VCT)；高性能计算机一台(戴尔公司，DELL Precision T7500)(并联运行基站，配置E3-2560*2/ 36G/10TB)；相关处理软件(Mimics 15.1，ANSYS15.0) (Materialise公司)。

1.5 方法

1.5.1 试验方法流程见图1。

1.5.2 脊椎段实体模型构建脊椎段长(T₁₀-L₂)采用螺旋CT机进行扫描处理，设置层厚0.62 mm，管电压150 kV，电流100 mA。将CT数据导入到Mimics中进行三维构建，见图2。

1.5.3 建立骨质疏松模型在正常脊柱胸腰段模型材料参数的基础上，模拟脊柱重度骨质疏松的状态，将脊柱胸腰段的皮质骨、椎体终板、椎体后部结构的弹性模量减少33%，将松质骨弹性模量减少66%，同时考虑骨质疏松患者多为老年人，存在髓核脱水，故将髓核的弹性模量增加一倍，保持其他结构参数不变。

1.5.4 建立脊柱骨三明治骨折有限元模型在脊柱骨质疏松有限元模型的基础上，设定T₁₁、L₁为发生骨质疏松性压缩骨折的椎体，模拟脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折畸形愈合的状态，在脊柱胸腰段骨质疏松有限元模型上将 T₁₁、L₁椎体前缘高度降低35%，模拟椎体骨折前缘高度压缩约1/3的状态，同时T₁₁、L₁椎体后缘以及后方结构高度保持不变，使T₁₁、L₁呈楔形变，形成三明治骨折，而T₁₀、T₁₂、L₂形状不变，其它结构如椎间盘和韧带等保持不变，同时整个有限元模型各个部件的材料属性保持不变。T₁₁-T₁₂-L₁ 三明治骨折节段的后凸角(指三明治骨折节段中头端骨折椎T₁₁的上终板延长线与尾端骨折椎L₁下终板延长线所线的夹角)为29°，而T₁₁-T₁₂-L₁节段骨折前的后凸角为2°。建立脊柱胸腰段三明治骨折有限元模型。

1.5.5 建立经皮椎体成形术及后凸成形术的有限元模型见图3，4。

(1)经皮椎体成形术治疗骨折的有限元模型：使T₁₁、L₁椎脊体前缘高度压缩35%状态。设置T₁₁-T₁₂-L₁骨折段的凸角为28.5°。在椎体内骨折处设置一定量的骨水泥团——模拟经皮椎体成形术，进而在T₁₁、L₁中分别产生对称的形如圆柱状的骨水泥团，建立的强化脊椎内骨水泥团体积约 4.2 mL。设置聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥为3-D10 节点四面体单元结构，泊松比值为0.42，弹性模量3 010 MPa。整个模型设置349 514个节点， 205 301个单元。

(2)后凸成形术治疗骨折的有限元模型：使T₁₁、L₁椎脊体前缘高度恢复正常状态。设置T₁₁-T₁₂-L₁骨折段的凸角为 2.0°。在椎体内骨折处设置一定量的骨水泥团——模拟后凸成形术，进而在T₁₁、L₁中分别产生对称的形如圆柱状的骨水泥团，建立的强化脊椎内骨水泥团体积约6.0 mL。设置PMMA骨水泥为3-D10 节点四面体单元结构，泊松比值为0.42，弹性模量3 010 MPa。整个模型设置370 820个节点，236 7517个单元。

1.5.6 模型约束条件与加载设置在上面经皮椎体成形术和后凸成形术的有限元模型中，使L₂椎体下表面处于固定状态。设置经皮椎体成形术/后凸成形术治疗骨折有限元模型加载设置垂直410 N，模拟人体站直立时的状态。并在直立位垂直载荷的基础上在T₁₀脊椎体上表面加载 11 Nm的力矩，分别模仿人体后伸、前屈、右旋转和左侧弯时的状态。

1.6 主要观察指标 经皮椎体成形术/后凸成形术模型整体的变形和应力。

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讨论

研究应用模拟后凸成形术及经皮椎体成形术有限元模型治疗脊柱骨质疏松性骨折。模拟椎体强化术主要分为两种治疗方法，一种是针对骨水泥团强化的椎体采用CT扫描技术进而构建椎体治疗模型^[21-22]，另一种为基于正常椎体模型基础上模拟椎体强化技术^[23]。第1种方法中的模型与真实性模型近似，但由于骨水泥的形状存在差异性，构建的有限元模型存在较大差异，因此不具有典型代表性。实验研究应用的是第2种治疗方法，采用人工模拟骨水泥强化方法，进而得到的有限元模型对于理想化的骨水泥强化情形进行模拟，就有广泛的代表性，实验结果基本接近真实模型。实验对构建的脊柱骨质疏松模型的有效性进行验证，但计算的结果与真实体模型可能仍存在些许的偏差。很多研究认为，有限元计算结果是基本可以接受。经过对实体标本模型和有限元模型进行对照分析^[24]，研究发现骨折有限元模型精度误差<8.9%，具有一定的研究意义。Chae 等^[25]基于CT数值及骨质密度构建个体化有限元模型相较于简化型单一材料赋值模型，实验发现2种有限元模型的计算分析及结果有很大差异，表明个体化有限元模型计算分析较为精准。

本研究中，脊柱骨折后应用经皮椎体成形术模型治疗对脊柱三明治骨折后刚度影响很小，而后凸成形术模型治疗能效增加脊柱刚度，且能达到高于骨折前水准。经过经皮椎体成形术模型治疗过后，骨折后脊柱前柱处应力集中无明显缓解现象，而后凸成形术模型治疗后应力集中得到显著改善。采用后凸成形术模型治疗后，L₁骨折的最大应力明显减小，主要体现在直立、前屈状况下。但经皮椎体成形术模型治疗骨折，实验显示T₁₁、L₁骨折后，应用经皮椎体成形术模型治疗后，L₁骨折的最大应力相较于术前有所增加。

脊柱骨折后，采取保守治疗情况下，侧弯、前屈及右旋时，夹心椎最大应力显著增加，椎体再次发生骨折的概率增大，与Movrin等^[26]的结论相一致。本研究显示，采用椎体强化及后凸成形术模型治疗后，夹心椎的最大应力有效且明显大幅度减小，在前屈载荷下体现尤为明显。因此表明，经皮椎体成形术模型治疗L₁、T₁₁三明治骨折，治疗前与治疗后情况相比，脊柱处胸腰段刚度变化不明显，夹心椎处最大应力变化及变形量基本没有明显改善，夹心椎前柱处应力集中现象无明显改观。而后凸成形术模型脊柱处胸腰段刚度明显增加，夹心椎处的最大应力变化及变形量明显减少。

部分学者认为椎体强化术不增加邻近椎的骨折发生率。Blieme等^[27]认为，就随访中的椎体再骨折而言，椎体强化术与保守治疗同样安全。而有研究发现经皮椎体成形术术后椎体再骨折概率为19.9%，而后凸成形术为14.1%^[28]，同时二者术后的再骨折大部分位于邻近椎。Klazen等^[29]发现患者接受经皮椎体成形术或保守治疗，随访中脊柱再骨折发生率没有差异，但接受经皮椎体成形术或保守治疗时已经存在的椎体骨折数目与随访中椎体再骨折发生率明显相关。而其他学者认为，与保守治疗比较而言椎体强化术可以减少脊柱再骨折的发生率。Papanastassiou等^[30]采用Meta分析后发现，经皮椎体成形术术后再骨折率为11.7%，而后凸成形术术后再骨折率为11.5%，而保守治疗后再骨折率为22%，因而认为相对保守治疗而言，椎体强化术的术后再骨折发生率较低。研究发现，后凸成形术可以显著减少骨折椎邻近下位椎间盘的最大应力，参照Sun等^[31]的观点，后凸成形术治疗三明治骨折后的椎体再骨折风险应当低于经皮椎体成形术术后及保守治疗后的椎体再骨折风险。

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