经皮椎体成形联合椎弓根强化治疗重度骨质疏松性椎体骨折的有限元分析

doi:10.12307/2025.109

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (15): 3089-3094.doi: 10.12307/2025.109

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经皮椎体成形联合椎弓根强化治疗重度骨质疏松性椎体骨折的有限元分析

李红桃，潘泓宇，雷杨，肖常明

西南医科大学附属中医医院脊柱外科，四川省泸州市 646000

收稿日期:2023-11-07 接受日期:2023-12-22 出版日期:2025-05-28 发布日期:2024-11-02
通讯作者: 肖常明，硕士，主治医师，西南医科大学附属中医医院脊柱外科，四川省泸州市 646000
作者简介:第一作者：李红桃，男，1999年生，四川省成都市人，汉族，在读硕士，主要从事脊柱脊髓损伤等相关方向的研究。并列第一作者：潘泓宇，男，1999年生，海南省海口市人，汉族，在读硕士，主要从事脊柱脊髓损伤等相关方向的研究。并列第一作者：雷杨，男，1992年生，重庆市人，汉族，2019年成都中医药大学毕业，硕士，主治医师，主要从事脊柱疾病的中西医治疗及相关研究。

Finite element analysis of percutaneous vertebroplasty combined with pedicle augmentation in treatment of severe osteoporotic vertebral fractures

Li Hongtao, Pan Hongyu, Lei Yang, Xiao Changming

Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China

Received:2023-11-07 Accepted:2023-12-22 Online:2025-05-28 Published:2024-11-02
Contact: Xiao Changming, Master, Attending physician, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
About author:Li Hongtao, Master candidate, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China Pan Hongyu, Master candidate, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China Lei Yang, Master, Attending physician, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

经皮椎体成形：骨质疏松性椎体骨折是骨质疏松常见并发症，好发于胸腰段(T11-L2)，椎体成形术通过往伤椎注入骨水泥起到缓解疼痛、强化椎体等作用，由于椎体强化后椎体刚度以及强度增加，易致邻椎骨折和加速椎间盘退变。
椎弓根强化：即椎弓根内骨水泥灌注，在经皮双侧穿刺椎体成形术的操作基础上，将工作套管和骨水泥推注器不断向背侧移动，同时注射等长的高黏度骨水泥，直至工作套管和骨水泥推注器完全退出整个椎弓根，最后椎弓根内被骨水泥填充，并与椎体的骨水泥连接成一个整体。
有限元分析：此次实验研究中使用的建模方法为DICOM数据直接建模法，方法真实、准确，有限元模型的建立基于真实CT数据的DICOM 数据建模方法，过程缺少人为干预，三维模型仿真度高，现已广泛应用于有限元研究。

摘要
背景：椎弓根内骨水泥灌注联合椎体成形已被用于治疗Kummell病和椎弓根溶骨性转移瘤等疾病，但该手术方式对相邻椎体及椎间盘的影响尚不明确。
目的：应用三维有限元模型探讨经皮椎体成形联合椎弓根强化术治疗重度骨质疏松性椎体骨折对邻近节段椎体以及椎间盘相关生物力学的影响。
方法：选择1位已完成经皮椎体成形联合椎弓根强化术的重度骨质疏松性椎体骨折(L1)女性患者，并提取其术前及术后的CT文件，研究范围为T12-L2(包括伤椎、邻近椎体和椎间盘)。通过Mimics、SolidWorks和Geomagic等软件分别建立了术前、术后三维脊柱功能单元的有限元模型。在T12上终板垂直方向加载500 N力矩和10 N·m旋转力矩，模拟前屈、后伸、侧屈和旋转等运动方位，分析手术前后相邻节段椎体终板和椎间盘的应力变化情况。
结果与结论：①成功建立了术前和术后脊柱功能单元的三维有限元模型；②通过计算得出，在模拟载荷下，术后T12下终板应力分布更均匀且最大应力值减小，与术前相比无显著差异(P > 0.05)；术后L2上终板应力分布更均匀且最大应力与术前无显著差异(P > 0.05)；同样，术后T12/L1、L1/L2椎间盘应力分布也更均匀且最大应力值均显著减小(P < 0.05)；③因此，经皮椎体成形联合椎弓根强化能够有效改善术后相邻椎体终板和椎间盘的应力分布，并能够减小应力，最终降低术后再骨折风险以及显著延缓椎间盘退变。

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

关键词: 椎弓根强化, 骨质疏松性椎体骨折, 椎体成形, 应力"有限元模型, 骨水泥

Abstract: BACKGROUND: Pedicle internal bone cement augmentation combined with vertebroplasty has been used to treat diseases such as Kummell’s disease and osteolytic metastases of the pedicle. However, the impact of this surgical method on adjacent vertebrae and intervertebral discs remains unclear.
OBJECTIVE: A three-dimensional finite element model was used to explore the impact of percutaneous vertebroplasty combined with pedicles augmentation in the treatment of severe osteoporotic vertebral fractures on the biomechanics of adjacent segmental vertebral bodies and intervertebral discs.
METHODS: A female patient who had undergone percutaneous vertebroplasty combined with pedicles augmentation for a severe osteoporotic vertebral fracture (L1) was selected. Preoperative and postoperative CT files were extracted. The study range was T12 to L2, including the injured vertebra, adjacent vertebrae, and intervertebral discs. Software like Mimics, SolidWorks, and Geomagic was used to establish finite element models of the spinal functional unit before and after surgery. A 500 N force and a 10 N·m rotational torque were applied in the vertical direction of the T12 upper endplate to simulate movements such as flexion, extension, lateral bending, and rotation, analyzing the stress changes in the vertebral endplates and intervertebral discs of adjacent segments before and after surgery.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Three-dimensional finite element models of preoperative and postoperative spinal functional units were successfully established. (2) We calculated and analyzed that under simulated load, the stress distribution of the inferior endplate of T12 was more uniform and the maximum stress value was reduced after surgery, with no significant difference compared with before surgery (P > 0.05). The stress distribution of the superior endplate of L2 after surgery was more uniform and the maximum stress was not significantly different from that before surgery (P > 0.05). Similarly, the stress distribution of T12/L1 and L1/L2 intervertebral discs after surgery was also more uniform and the maximum stress value was significantly reduced (P < 0.05). (3) Therefore, percutaneous vertebroplasty combined with pedicles augmentation can effectively improve the stress distribution of adjacent vertebral endplates and intervertebral discs after surgery and reduce stress, ultimately reducing the risk of postoperative re-fractures and significantly delaying intervertebral disc degeneration.

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: pedicle augmentation, osteoporotic vertebral fracture, vertebroplasty, stress, finite element model, bone cement

中图分类号:

李红桃, 潘泓宇, 雷杨, 肖常明. 经皮椎体成形联合椎弓根强化治疗重度骨质疏松性椎体骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(15): 3089-3094.

Li Hongtao, Pan Hongyu, Lei Yang, Xiao Changming. Finite element analysis of percutaneous vertebroplasty combined with pedicle augmentation in treatment of severe osteoporotic vertebral fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(15): 3089-3094.

图/表（结果） 3

2.1 试验流程图 见图4。

2.2 有限元模型的有效性验证 模型有效性根据已发表的有限元模型进行验证，此次研究制备的模型在不同载荷方向下的角位移与既往报道相同边界条件和加载条件下的三维有限元分析实验研究结果数据接近[12]，证实了此次实验模型的有效性。
2.3 不同载荷方向下邻近椎体终板与椎间盘的最大应力值比较与分布情况 不同部位的应力分布见表3及图5，6。在前屈、后伸、侧弯及旋转状态下，术前T12下终板最大的von Mise应力值分别为1.933 0，1.743 7，1.760 9，1.677 6，1.637 3及1.554 0 MPa；术后T12下终板的应力分布更均匀，最大的von Mise应力值较术前均减小，分别为1.927 8，1.645 0，1.749 3，1.630 3，1.627 0及1.549 9 MPa，但与术前相比无显著差异(P > 0.05)。术前L2上终板最大的von Mise应力值分别为3.051 9，4.161 5，3.861 1，3.403 1，3.724 9及3.492 6 MPa；术后L2上终板的应力分布也更均匀，最大的von Mise应力值分别为3.068 0，4.138 9，3.851 6，
3.436 4，3.714 4及3.496 7 MPa。其中术后前屈、右侧弯以及右旋转状态下L2上终板最大的von Mise应力值稍有增加(分别为3.068 0，3.436 4和3.496 7 MPa)，但术后所有最大的von Mise应力值与术前相比并无显著差异(P > 0.05)。
在前屈、后伸、侧弯及旋转状态下，术前T12/L1椎间盘最大von Mise应力值分别为1.519 2，1.905 2，1.852 6，
1.480 2，1.655 6及1.508 9 MPa；术后T12/L1椎间盘应力较术前相比分布更均匀，最大von Mise应力值均减小，分别为1.253 3，1.610 9，1.640 5，1.439 7，1.415 0及1.439 2 MPa，与术前相比存在显著差异(P < 0.05)。同样的，术前L1/L2椎间盘最大von Mise应力值分别为1.804 6，2.510 5，2.199 0，2.280 9，2.138 3及2.179 8 MPa；术后L1/L2椎间盘应力较术前相比分布也更均匀，最大von Mise应力值均减小，分别为1.761 7，2.453 6，2.130 0，2.228 8，2.089 7及2.128 6 MPa，与术前相比差异有显著性意义(P < 0.05)。

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引言

经皮椎体成形术是在局麻下完成的微创手术，具有快速康复、疗效显著、易接受等优点，越来越多地被认为是治疗骨质疏松性椎体骨折的常规手术方法 [1-2]。经皮椎体成形术的骨水泥强化区域主要集中于椎体的前2/3，椎体后1/3未填充骨水泥区域则形成了刚度及强度相对较弱的“空白区域”；然而，该区域在实现椎体稳定性和防止椎体塌陷及后凸畸形方面发挥重要作用[3]。重度骨质疏松性椎体骨折通常伴有椎体后1/3骨折(包括中柱、椎弓根基底部等骨折)。有学者认为经皮椎体成形术治疗此类骨折患者术后存在骨水泥团块移位、椎体塌陷和后凸畸形等并发症，导致疼痛再发，甚至手术失败的风险[4-6]。因此，传统经皮椎体成形术治疗重度骨质疏松性椎体骨折一直存在争议。VAN DER SCHAAF等[7]认为椎体联合双侧椎弓根骨水泥灌注可减少术后疼痛的发生。此外，姚汝斌等[8]在此基础上，将该手术方式用于治疗Kummell病，有效增强了椎体内骨水泥团块稳定性，并且预防了椎体内骨水泥的移位。目前，临床已将经皮椎体成形联合椎弓根强化术(percutaneous vertebroplasty
combined with pedicles augmentation，PVPPA)应用于重度骨质疏松性椎体骨折的临床治疗中，并取得较好的疗效，但缺少对邻近结构的生物力学研究。为了进一步了解PVPPA对相邻椎体终板及椎间盘的影响，作者回顾1例已完成PVPPA治疗的L1重度骨质疏松性椎体骨折患者资料，构建椎体生物力学有限元模型，观察并探讨PVPPA术后邻近椎体终板及椎间盘的应力情况，为其合理应用提供理论
依据。
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

材料方法

1.1 设计 有限元分析实验。
1.2 时间及地点 实验于2023年6-10月在西南医科大学附属中医医院完成。
1.3 材料

1.3.1 建模软件见表1。

1.3.2 实验仪器东芝公司生产的64排螺旋CT，由西南医科大学附属中医医院提供。
1.4 对象 选择1例已完成经皮椎体成形联合椎弓根强化术的重度骨质疏松性椎体骨折(L1)女性患者，68岁，身高168 cm，体质量60 kg。术前影像学检查显示L1椎体有新鲜的骨折(前、中柱以及双侧椎弓根基底部骨折)，受影响的椎体在T1加权磁共振成像扫描上显示低信号，在T2加权磁共振成像扫描上显示高信号。骨密度T值≤-2.5，排除标准为伴有其他病理性骨折的患者。
在正式开始研究前，患者已经签订了知情同意书，知情并同意使用相关匿名化信息数据开展此研究。该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和西南医科大学附属中医医院对研究的相关伦理要求。
1.5 方法

1.5.1 重度骨质疏松性椎体骨折术前有限元模型的建立提取患者术前CT数据，以获取几何信息，所有CT图像均以DICOM格式保存。将选定的图像数据导入医学3D重建软件Mimics 21.0。提取T12、L1、L2椎体和椎间盘的结构信息，并进行三维几何形状分割。根据扫描图像重建椎体几何模型，并导出为STL格式。为了生成更精确、更平滑的三维表面模型，将STL格式的数字几何模型导入Geomagic 2021软件进行平滑、抛光和去噪，生成STP文件(图1)。使用SolidWorks 2021软件打开所有STP 3D模型文件，并将其保存为SLDPT格式。组装椎体的皮质骨和松质骨，然后使用复制、组合、扫描、拉伸等命令，创建骨折线、椎间盘和关节软骨。在既往报道的骨质疏松症研究中使用的材料性能见表2[9]。将术前三维模型导入ANSYS 2021R1软件，对皮质、松质、骨水泥、终板、软骨、椎间盘(髓核和髓环)以及各韧带赋予材料属性，使用四面体网格对模型进行网格化，初步完成术前有限元模型的建立。将STP模型导入到Solidworks软件中备用。

1.5.2 重度骨质疏松性椎体骨折术后三维有限元模型的建立为了模拟手术过程，利用患者术后CT数据(图2)和以上软件提取并制作术后骨水泥模型，并使用组装命令将L1椎体模型的骨水泥组装在术前三维有限元模型中L1椎体的中心，获得骨水泥增强后L1椎体术后的三维模型。最后，SolidWorks 2021软件组装了T12-L2椎体、骨水泥、椎间盘、终板和软骨等各种模型，生成完整的3D部分(图3)。同样，将术后三维模型导入ANSYS 2021R1软件，使用在既往报道的骨质疏松症研究中使用的材料性能，对皮质、松质、骨水泥、终板、软骨、椎间盘(髓核和髓环)以及各韧带赋予材料属性(表2)，使用四面体网格对模型进行网格化，初步得到重度骨质疏松性椎体骨折术后三维有限元模型。

1.5.3 边界条件及载荷设置分别在术前术后模型上固定L2椎体下表面，在T12椎体上表面轴向均匀施加500 N，以模拟正常人体生理载荷，同时在此基础上施加10 N·m的弯矩，模拟椎体前屈、后伸、侧屈、旋转等运动状态[10-11]。最终观察相邻椎体终板(T12下终板和L2上终板)、T12/L1椎间盘及L1/L2椎间盘在术前和术后的应力变化及分布。
1.6 主要观察指标 观察有限元模型在PVPPA前后分别处于模拟前后屈曲、左右侧屈及旋转运动状态时，术椎相邻椎体终板(T12下终板、L2上终板)和椎间盘(T12/L1椎间盘、L1/L2椎间盘)所承受的应力改变情况。
1.7 统计学分析 采用SPSS 21.0软件处理数据，采用配对样本t检验，P < 0.05表示差异有显著性意义。文章统计学方法已经西南医科大学生物统计学专家审核。

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讨论

1984年GALIBERT等[13]首次将经皮椎体成形术应用于椎体血管瘤的治疗中并取得较好的临床疗效。经过数十年发展，目前该技术已逐渐成为临床上治疗骨质疏松性椎体骨折的金标准，不仅能有效增加椎体的强度和刚度，而且能快速缓解疼痛和恢复日常生活[14]。然而，目前经皮椎体成形术主要填充前2/3椎体，后1/3椎体未填充骨水泥区域是刚度和强度相对较弱的“空白区域”，该区域在实现椎体稳定性、防止椎体塌陷和后凸畸形方面起重要作用[15]。同时，重度骨质疏松性椎体骨折通常伴有晚期塌陷、中柱骨折、严重的后壁骨碎裂、椎弓根基底部骨折以及严重真空裂隙，但在经皮椎体成形术中常忽略此“空白区域”。因此，经皮椎体成形术治疗重度骨质疏松性椎体骨折一直存在争议[16-18]。2002年EYHEREMENDY等[19]首次将椎弓根强化术应用于椎弓根溶骨性病变的治疗中，并取得良好的临床疗效。2004年VAN DER SCHAAF等[7]治疗Kummell病的过程中，在双侧经皮椎体成形术的基础上联合双侧椎弓根内部注入骨水泥的技术，通过骨水泥将椎体三柱连接成整体，也取得了较好的疗效。他们认为此方法可以有效避免骨水泥的移位，防止后期椎体后壁移入椎管导致脊髓神经症状，并推测骨水泥椎弓根成形是其关键因素。
PVPPA手术方法是在双侧椎弓根穿刺入路的基础上，完成前2/3椎体骨水泥填充，随后将工作套管和骨水泥推注器不断向背侧移动，同时注射等长的骨水泥，直至工作套管和骨水泥推注器完全退出整个椎弓根，将椎体前柱、中柱以及双侧椎弓根通过骨水泥连接成整体。目前，此手术方式在治疗重度骨质疏松性椎体骨折方面暂无文献报道。姚汝斌等[8]在27例Kummell病治疗中均采用椎弓根内骨水泥灌注，使椎体内及椎弓根内骨水泥连接成一个整体，最大程度上将椎体内骨水泥团块锚定于椎弓根内，构建“骨水泥螺钉”的作用，可有效避免骨水泥团块在椎体真空裂隙内产生“鹅卵石”效应，从而预防骨水泥移位或松动，在研究随访期间，未发现骨水泥团块移位的现象。因此，作者将此技术应用于伴有前、中柱以及双侧椎弓根基底部骨折的重度骨质疏松性椎体骨折病例中，通过“骨水泥螺钉”效应，有效防止了椎体内及椎弓根基底部骨折断端移位并取得了良好的初步临床疗效，但对于相邻节段终板和椎间盘的影响暂缺少相关生物力学研究。
如今有限元分析法已被广泛地应用到骨科各个专业的研究之中[20-21]。有限元分析法能提供关于骨骼应力大小和分布的详细信息，这对于理解骨骼的生物力学特性至关重要。有限元方法凭借其可靠的预测能力，已被证明可以有效地模拟真实的脊柱运动[22-23]，它为数值实验提供了低成本的优势，允许调整各种参数，包括材料特性[24]。此外，该模型可以提供通过侵入性手术难以获得的结果，同时可以准确模拟人体脊柱的解剖动力学并观察与自然解剖条件非常相似的生物力学变化[25]。早期的研究发现，经皮椎体成形术改变了骨折椎体的生物力学强度，但可能增加邻近椎体发生骨折的风险[26-27]。目前，大多数文献中报道的腰椎三维有限元模型是基于骨性结构建立的，但未考虑脊柱后部元素[23]。因此，在传统经皮椎体成形术后，对邻近椎体应力的影响可能存在误差，具有局限性[28-29]。此次研究首次对PVPPA技术治疗重度骨质疏松性椎体骨折术后相关有限元生物力学进行研究，采用术前、术后患者的真实CT数据进行三维生物力学有限元建模，并根据不同组织的物理特性对骨质疏松椎体材料的特性进行了仿真模拟。这使得三维有限元模型与椎体的生物力学特性更接近，更真实地反映了术后脊柱生物力学参数，并能更准确地检测采用PVPPA治疗后邻近椎体的应力变化。
此次研究发现，在前屈、后伸、侧弯及旋转状态下，T12术后下终板的应力分布更均匀，最大的von Mise应力值均降低，且与术前相比无显著差异(P > 0.05)。因此，相邻上椎体的下终板受力更均匀且有所降低。同样，在前屈、后伸、侧弯及旋转状态下，术后L2上终板的应力分布也更均匀；其中在前屈、右侧弯及右旋转状态下，术后最大的von Mise应力值较术前略微增加，但术后所有最大的von Mise应力值与术前相比均无显著差异(P > 0.05)。因此，相邻下椎体的上终板受力更均匀，且不会增加其骨折风险。由于椎体骨折与应力分布和大小密切相关[30]，该技术可降低相邻椎体骨折的风险。其次，此实验中，在前屈、后伸、侧弯及旋转状态下，术后T12/L1椎间盘应力较术前相比分布更均匀，最大von Mise应力值均减小，与术前相比存在显著差异(P < 0.05)。同样的，术后L1/L2椎间盘应力较术前相比分布也更均匀，最大von Mise应力值均减小，与术前相比也存在显著差异(P < 0.05)。因此，相邻椎间盘受力更均匀且应力显著减小。由于椎间盘退变与机械应力密切相关[31]，PVPPA技术在延缓相邻椎间盘退变过程中起到显著作用。作者推测出现以上结果的原因主要是PVPPA技术有以下优点：①经双侧椎弓根入路穿刺会让骨水泥分布更均匀，在既往文献已明确报
道[32-33]；②除了传统椎体强化术所填充的前2/3椎体外，刚度和强度相对较弱的后1/3椎体的“空白区域”及椎弓根内部也被骨水泥填充，使得邻近终板及椎间盘受力更均匀；③“骨水泥螺钉”效应将骨折区域有效连接为一个整体，避免骨折碎块及骨水泥的移位；进一步有效防止由后凸畸形导致矢状位失衡造成的相邻节段椎体终板及椎间盘应力分布不均匀。
综上所述，PVPPA是一项微创、恢复快且有效的手术方式，不仅可以使相邻椎体终板及椎间盘受力更均匀，而且可以降低其应力。最终得出，该技术不仅可以降低相邻椎体骨折风险而且在延缓相邻椎间盘退变过程中有显著效果，这为临床中推广使用PVPPA治疗重度骨质疏松性椎体骨折提供了参考依据。虽然这种技术本质上与椎体强化术类似，但由于椎弓根内骨水泥灌注紧邻脊髓及神经结构，因此手术风险会相应增加。作者认为，高质量的X射线透视引导及高黏度骨水泥是该技术的关键。
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

经皮椎体成形联合椎弓根强化治疗重度骨质疏松性椎体骨折的有限元分析

Finite element analysis of percutaneous vertebroplasty combined with pedicle augmentation in treatment of severe osteoporotic vertebral fractures

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