构建3D椎体模型比较经皮椎体后凸成形与经皮椎体成形治疗胸腰椎压缩性骨折的力学变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1492

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (32): 5146-5150.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1492

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构建3D椎体模型比较经皮椎体后凸成形与经皮椎体成形治疗胸腰椎压缩性骨折的力学变化

郭大华¹，王裕辉¹，叶前驱¹，刘文豪¹，杨博¹，叶林强²

¹广东医科大学附属第三医院(佛山市顺德区龙江医院)，广东省佛山市 528318；²广州中医药大学第一附属医院，广东省广州市 510405

出版日期:2019-11-18 发布日期:2019-11-18
作者简介:郭大华，男，1982年生，2007年中山大学临床医学院毕业，主治医师，主要从事显微创伤、四肢骨折、创面修复研究。
基金资助:
2017年度广东省医学科研基金立项课题(A2017024)，项目负责人：叶林强|2018年佛山市自筹经费类科技计划项目(2018AB002231)，课题名称：3D椎体数字模型的建立及PKP与PVP治疗胸腰椎压缩性骨折的有限元研究，项目负责人：郭大华

Mechanical changes of percutaneous kyphoplasty and percutaneous vertebroplasty in the treatment of thoracolumbar compressive fractures in three-dimensional vertebral models

Guo Dahua¹, Wang Yuhui¹, Ye Qianqu¹, Liu Wenhao¹, Yang Bo¹, Ye Linqiang²

¹Third Affiliated Hospital of Guangdong Medical University (Longjiang Hospital of Shunde District of Foshan City), Foshan 528318, Guangdong Province, China; ²First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Online:2019-11-18 Published:2019-11-18
About author:Guo Dahua, Attending physician, Third Affiliated Hospital of Guangdong Medical University (Longjiang Hospital of Shunde District of Foshan City), Foshan 528318, Guangdong Province, China
Supported by:
the Medical Science Research Fund of Guangdong Province in 2017, No. A2017024 (to YLQ)| the Self-Financing Science and Technology Project of Foshan City in 2018. No. 2018AB002231 (to GDH)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

胸腰椎压缩性骨折：是老年性骨质疏松常见并发症，由于椎体前缘高度丢失，可导致局部后凸畸形、生理曲线发生改变，进而使椎体前方应力集中，骨折椎体周围应力增大，从而导致邻近椎体再骨折。

经皮椎体后凸成形/经皮椎体成形术后再骨折：已有研究报道，经皮椎体后凸成形较经皮椎体成形手术时间长，骨水泥用量多，术后恢复快，且二者都有一定的术后再骨折发生率。生物力学研究表明，骨水泥弹性模量高于椎体，该差异可能引发刚度增高效应，增加邻近椎体骨折风险，这可能是术后发生再骨折的原因。

摘要

背景：老年人胸腰椎骨折与一般骨折相比有不同的病理变化，多伴有其他全身疾患。较常用的手术方法为经皮椎体成形和经皮椎体后凸成形，不同的术式选择与术后再骨折发生率有关，而如何选择有效的内固定系统及治疗方式对减少老年胸腰椎骨折手术固定失败至关重要。

目的：在3D椎体模型上构建压缩性骨折胸腰椎模型，分析腰椎压缩性骨折的力学变化特点。

方法：选择1例56岁男性腰痛患者(后确诊为腰肌劳损)，椎体形态无明显异常；1例54岁男性由于骨质疏松导致的胸腰椎压缩性骨折患者，2例患者对实验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准，均获取T₁₂-L₁节段CT资料。根据腰痛志愿者CT数据，利用Mimics 10.0软件建立椎体3D数字模型，利用三维有限元分析软件Ansys 12.0建立椎体3D实体模型。参照骨折患者资料对正常椎体有限元模型中的L₁模拟椎体压缩性骨折，并在此基础上模拟经皮椎体后凸成形和经皮椎体成形手术过程，记录不同载荷下模型各部分Von Mises应力以及变形。

结果与结论：①与其他作者体外生物力学测试实验结果比较，此模型的实验结果与其基本一致(P > 0.05)；②经皮椎体后凸成形模型在直立及前屈、后伸、侧弯及右旋荷载下，T₁₂与L₁节段变形均显著小于术前及经皮椎体成形模型(P < 0.05)；经皮椎体成形模型的骨折节段T₁₂与L₁在各种荷载下的脊椎变形与术前差异无显著性意义(P > 0.05)；③经皮椎体后凸成形模型骨折节段T₁₂与L₁在直立及前屈、后伸、侧弯及右旋荷载下的最大应力较术前及经皮椎体成形模型显著减小(P < 0.05)；经皮椎体成形模型的骨折节段T₁₂与L₁在各种荷载下最大应力与术前差异无显著性意义(P > 0.05)；④提示经皮椎体后凸成形在直立及前屈、后伸、侧弯及右旋荷载下，T₁₂与L₁节段变形及应力均显著小于术前的压缩性骨折模型及经皮椎体成形治疗模型，表明经皮椎体后凸成形可显著增加脊柱胸腰段刚度，经皮椎体成形对于胸腰段刚度无明显影响。

ORCID: 0000-0001-5401-5396(郭大华)

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: 胸腰椎压缩性骨折, 3D椎体模型, 经椎体成形术, 经皮椎体后凸成形术, 有限元分析, 内固定

Abstract:

BACKGROUND: Compared with general fractures, thoracolumbar fractures in the elderly have different pathological changes and are often accompanied by other systemic diseases. Percutaneous vertebroplasty and percutaneous kyphoplasty are the most commonly used surgical methods. The choice of different surgical methods is related to the incidence of re-fracture after operation. How to choose an effective internal fixation system and surgical methods is very important to reduce the failure of surgical treatment of thoracolumbar fractures in the elderly.

OBJECTIVE: To study and compare the finite element mechanics of lumbar vertebral compression fracture by establishing 3D vertebral digital model and thoracolumbar compression fracture model.

METHODS: A 56-year-old male patient with low back pain (later diagnosed as lumbar muscle strain) had no abnormal vertebral shape and a 54-year-old male patient with thoracolumbar vertebral compression fracture induced by osteoporosis were selected in this study. The two patients signed informed consent. This study was approved by the Hospital Ethics Committee. CT data of T₁₂-L₁ segments were obtained. Based on CT data of volunteers with low back pain, a three-dimensional digital model of vertebral body was established by using Mimics 10.0 software. Three-dimensional finite element analysis software Ansys 12.0 was used to establish the three-dimensional solid model of the vertebral body. L₁ of vertebral compression fracture in finite element model of normal vertebral body was simulated with reference to fracture patient data. On this basis, the procedures of percutaneous vertebroplasty and percutaneous kyphoplasty were simulated to record Von Mises stresses and the deformation of different parts of the model under different loads.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the results of in vitro biomechanical test, the experimental results of this model were basically consistent with those of in vitro (P > 0.05). (2) Under vertical and forward bending, backward extension, lateral bending and right-handed loads, the deformations of T₁₂and L₁ were significantly smaller in percutaneous kyphoplasty models than those of preoperative compressive fracture models and percutaneous vertebroplasty treatment models (P < 0.05). There was no significant difference in the spinal deformations of T₁₂-L₁ under various loads between percutaneous vertebroplasty models and preoperative models (P > 0.05). (3) The maximum stress of T₁₂ and L₁ was significantly lower in percutaneous kyphoplasty models than in preoperative models and percutaneous vertebroplasty models under vertical and forward bending, backward extension, lateral bending and right-handed loads (P < 0.05). There was no significant difference in the maximum stress of T₁₂ and L₁between percutaneous vertebroplasty models and preoperative models under various loads (P > 0.05). (4) The deformation and stress of T₁₂and L₁segments of percutaneous kyphoplasty models were significantly less than those of preoperative compressive fracture models and percutaneous vertebroplasty models under vertical and forward bending, backward extension, lateral bending and right-handed loads. These suggest that percutaneous kyphoplasty can significantly increase the thoracolumbar stiffness of the spine, while percutaneous vertebroplasty has no significant effect on the thoracolumbar stiffness.

Key words: thoracolumbar vertebral compression fracture, 3D vertebral model, percutaneous vertebroplasty, percutaneous kyphoplasty, finite element analysis, internal fixation

中图分类号:

R459.9|R318|R445.3

郭大华，王裕辉，叶前驱，刘文豪，杨博，叶林强. 构建3D椎体模型比较经皮椎体后凸成形与经皮椎体成形治疗胸腰椎压缩性骨折的力学变化[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(32): 5146-5150.

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图/表（结果） 4

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元分析实验。

1.2 时间及地点 于2017年1月至2018年1月在广东医科大学附属第三医院(佛山市顺德区龙江医院)手足显微外科完成。

1.3 对象

正常数据：扫描对象为56岁男性腰痛患者，后确诊为腰肌劳损，椎体形态无显著异常，获取T₁₂-L₁节段CT资料。

骨折数据：扫描对象为广东医科大学附属第三医院(佛山市顺德区龙江医院)经临床确诊为骨质疏松症导致腰椎压缩性骨折的54岁男性患者，病程6 d。

2例志愿者均未合并心脑血管疾病、严重肝或肾功能损害及精神疾病，并经患者本人及家属同意，签署知情同意书，实验方案得到医院伦理委员会批准。

1.4 方法

1.4.1 3D椎体数字模型的建立根据腰痛志愿者CT数据，利用Mimics 10.0软件建立椎体3D数字模型，利用三维有限元分析软件Ansys 12.0建立椎体3D实体模型。依据解剖图谱测量及文献报道^[5]，手工添制髓核、椎间盘及椎体后方结构，最终建模。

1.4.2 材料参数设定及骨质疏松模型建立根据文献报道经验^[6]，分别对椎体髓核、纤维环、皮质骨、松质骨、终板、后方小关节以不同的元件加以模拟，设置物理参数：松质骨弹性模型450 MPa，泊松比0.3；皮质骨弹性模型8 040 MPa，泊松比0.3；椎体后部弹性模型2 345 MPa，泊松比0.25；终板弹性模型670 MPa，泊松比0.24；椎间盘纤维环弹性模型4.2 MPa，泊松比0.245；骨水泥弹性模型3 000 MPa，泊松比0.40；髓核弹性模型2.0 MPa，泊松比0.40。依据文献，使实验阶段骨强度和稳定性下降约35%，使之符合骨质疏松患者椎体强度与硬度报告。

1.4.3 建立压缩性骨折有限元模型参照骨折患者资料对正常椎体有限元模型中的L₁模拟椎体压缩性骨折。对L₁下所有节点进行各轴向约束，对L₁行力加载，通过反复实验，达到与病理相似结果。

1.4.4 经皮椎体成形手术模拟治疗腰椎压缩性骨折在建立的椎体压缩性骨折3D有限元模型上模拟经皮椎体成形手术过程，模拟在L₁椎体松质骨内植入骨水泥，平行于L₁椎体上表面，将部分松质骨单元材料性质改为骨水泥材料，形成类柱状结构，容量设置为4 mL。

1.4.5 经皮椎体后凸成形手术模拟治疗腰椎压缩性骨折在建立好的3D有限元模型上模拟经皮椎体后凸成形手术过程，经单侧椎弓根注射骨水泥，注射后骨水泥占整个椎体容积23%。

1.4.6 载荷设置 2种有限元模型均做轴向压缩、前屈和后伸测试，压缩载荷为400 N，前屈和后伸载荷为400 N，再加7.5 N•m的矢状方向弯矩。其中前屈加载时方向向前，后伸加载时方向向后，加载方式：脊柱前中柱承载85%力与力矩，椎骨后部元素承载约15%的力与力矩。

1.5 主要观察指标 观察记录不同载荷下模型各部分Von Mises应力，以及不同载荷下模型的变形。

1.6 统计学分析 运用SPSS 19.0统计软件对所得数据进行分析，其中计量资料以x(_)±s表示，2个独立样本间采用t检验，以P < 0.05代表差异有显著性意义。

讨论

随着社会发展，人口老龄化日益明显，骨质疏松的发病率也不断升高，成为全球共同关注的健康问题。椎体压缩性骨折是骨质疏松症最常见的并发症。经皮椎体成形术和经皮椎体后凸成形术是微创治疗方法，可达到稳定骨折、防止椎体进一步压缩以及缓解疼痛等目的^[8]。此次研究利用计算机采用有限元法对2种手术方法治疗椎体压缩性骨折的效果进行模拟分析。

有限元法是一种有效的离散化数值计算方法，可对多种结构进行力学分析，显示模型受力时内部的应力和变形过程，已被广泛应用于医疗、生物力学等领域^[9-10]。目前，有限元法已经发展成为单独研究骨科生物力学的有效方法，可在研究脊柱动力学、椎骨与椎间盘内部应力等变化中代替生物学实验^[11-12]。此外，此方法还可模拟活体发生的真实现象，例如骨愈合过程、改变方向后脊柱力学行为的改变、骨水泥加强骨质疏松椎体后脊柱力学行为的变化等^[13-14]；可用于评价新的骨科材料的设计^[15-16]；对损伤、退变等疾病进行模拟。此次研究通过建立3D椎体数字模型，对模型的应力和位移进行了有限元分析。研究结果显示，与体外生物力学测试实验结果比较，建立的椎体骨质疏松模型的实验结果与体外基本一致，提示建模成功。

经皮椎体成形术最初仅用于治疗骨髓瘤^[17]、血管瘤等疾病^[18]，后被广泛应用于治疗骨质疏松性椎体压缩骨折症，在止痛和恢复椎体强度上取得了良好效果^[19]。临床报道显示，行经皮椎体成形术后48 h，患者疼痛即可减轻或消失，疼痛缓解率高达90%^[20]。但经皮椎体成形手术仅仅依靠将骨水泥经皮注入椎体，只将损伤椎体固定在畸形位置，并不能纠正脊柱后凸畸形和恢复椎体高度^[21]。另外，注射的骨水泥较难控制流动，渗透率较高，具有一定手术风险^[22]。研究者在经皮椎体成形术的基础上进行改进发展为经皮椎体后凸成形术，通过向病变椎体导入扩张球囊，对压缩性骨折椎体复位，在球囊形成的空腔内注入骨水泥，重建脊柱稳定性，降低了骨水泥渗透率^[23]。目前已有大量有关经皮椎体后凸成形治疗压缩性骨折的报道^[24]。已有研究报道，经皮椎体后凸成形较经皮椎体成形手术时间长，骨水泥用量多，术后恢复快，且二者都有一定的术后再骨折发生率^[25]。生物力学研究表明，骨水泥弹性模量高于椎体，该差异可能引发刚度增高效应，增加邻近椎体骨折风险，这可能是术后发生再骨折的原因^[26]。

而有限元分析结果显示，经皮椎体后凸成形术后邻近椎体应力、形变较小，且治疗椎体应力在耐受损伤范围之内，因此邻近椎体的术后再骨折可能与手术无关，是椎体骨质疏松发展的自然结局^[27]。作用于腰胸段的力方向具有多样性，因此形成的腰胸段脊柱活动较为复杂，分为前屈、后伸、侧弯和旋转；且脊柱结构复杂，外形分布不均匀，其生物力学特点难以分析。有限元分析可将单元内部、不同单元之间通过不同联接方式进行组合。已有研究表明，有限元分析在脊柱生物力学研究中发挥重要作用^[28-29]。此次研究对经皮椎体后凸成形和经皮椎体成形治疗胸腰椎压缩性骨折的有限元模型进行研究，结果表明，经皮椎体后凸成形治疗T₁₂-L₁骨质疏松性压缩性骨折有限元模型后，在直立及前屈、后伸、侧弯及右旋荷载下，T₁₂与L₁节段应力均显著小于术前的压缩性骨折模型及经皮椎体成形治疗模型，提示经皮椎体后凸成形治疗可能较经皮椎体成形治疗更有效；且经比较分析发现，在术前与前屈体位下，L₁椎体所承受应力最大，提示患者在术前应尽量避免前屈体位，从而减少再骨折发生率。此次研究结果表明，经皮椎体后凸成形治疗后L₁椎体前伸应力较术前与经皮椎体成形治疗显著降低，推测可能是由于经皮椎体后凸纠正了脊柱后凸急性，减少身体重力向前的屈曲力矩，最终降低其承受应力。经皮椎体成形治疗T₁₂-L₁骨质疏松性压缩性骨折有限元模型后，各种荷载下的脊椎变形与手术前无显著差异，且显著高于经皮椎体后凸成形治疗后，提示经皮椎体后凸成形可显著增加脊柱胸腰段刚度，经皮椎体成形术对于胸腰段刚度无明显影响，此次研究结果与郭秀珍等^[30]的研究结果相一致，也充分表明经皮椎体后凸成形相对于经皮椎体成形力学特性更优，具有较高临床应用价值。

综上所述，经皮椎体后凸成形可明显降低T₁₂与L₁节段在直立及前屈、后伸、侧弯及右旋荷载下的变形及应力，效果优于经皮椎体成形治疗模型，表明经皮椎体后凸成形可显著增加脊柱胸腰段刚度，经皮椎体成形对于胸腰段刚度无明显影响。由于此次研究对经皮椎体后凸成形和经皮椎体成形治疗胸腰椎压缩性骨折的有限元研究仅集中在生物力学方面，对骨水泥渗漏情况等指标未进行统计，且由于此次研究仅处于初步研究阶段，导致结果及结论部分存在诸多的不足之处；在手术模型构建之时，此次研究通过改变治疗椎体部分松质骨单元材料性质，形成对称的圆柱体骨水泥块，但临床治疗中，经皮椎体后凸成形手术是先利用扩张球囊对后凸变形的骨折椎体进行复位，再于形成空腔内填充骨水泥，而经皮椎体成形是在骨折松质骨的骨小梁缝隙中直接填充骨水泥，因此与临床手术不同的骨水泥填充方式可能对研究结果造成一定偏倚，在后续实验中应从多个角度、多种实验方案进行深入研究。

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

构建3D椎体模型比较经皮椎体后凸成形与经皮椎体成形治疗胸腰椎压缩性骨折的力学变化

Mechanical changes of percutaneous kyphoplasty and percutaneous vertebroplasty in the treatment of thoracolumbar compressive fractures in three-dimensional vertebral models

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