1.3.1  建模软件  见表1。

1.5.2  三种骨水泥弥散类型有限元模型的建立  依据经皮椎体成形术后复查的正侧位DR资料，在PACS影像工作站系统导出图像，利用PhotoshopCS5图形处理软件，对图像进行对比度及亮度等调整图像锐利度，区分高密度区和低密度区，选出连续的均匀高密度区为骨水泥团块区域及光点弥散的不均匀密度区为骨水泥弥散区域，通过查看对应选区的直方图查找像素值，对骨水泥均匀分布及不均匀分布区域重复测量3次后取平均像素值，记像素值为N，分辨率的平方为A，平均弥散区域面积为M1，平均团块区域面积为M2，参考文献[13]利用像素值与分辨率的换算，即1平方英寸等于6.45 cm²，计算平均弥散区域面积和平均团块区域面积(平均弥散区M1=平均弥散区N/A×6.45，平均团块区M2=平均团块区N/A×6.45)。计算骨水泥平均弥散区与平均团块区面积的比值(K)^[14]，定义K值<50%为团块型，50%≤K值≤100%为混合型，K值>100%为弥散型，测算方法见图1。

将3种骨水泥弥散类型的CT图像导出，以DICOM格式保存。将DICOM格式的图像导入Mimics 19.0软件，依据不同组织的灰度值进行自动化阈值分割区分，分离出骨水泥，手工擦除多余部分，将生成的STL格式模型数据导入Geomagic Studio 2013软件中，通过特征识别、曲面诊断、曲面修复等处理，再进入装配界面，将模型导入已建立的L₁压缩性骨折有限元模型，并调整骨水泥在L₁椎体内的位置，最终建立3种骨水泥弥散类型模型，见图2。

网格划分、材料参数设置：将Solidwords中生成的网格模型导入ANSYS 19.0软件中，在分析材料库中分别建立皮质骨、松质骨、骨折后皮质骨、松质骨、关节面、髓核、纤维环、骨水泥等材料属性参数，具体材料参数见表2。

然后定义模型间的接触类型，对模型进行网格划分，为保证计算的精度达到分析要求，对网格类型及大小进行控制，将所有网格大小设置为2.0 mm，参考既往文献报道的模拟方法^[15]，生成L₁椎体骨质疏松椎体压缩性骨折模型，见图3。

2.2  各级压力和不同载荷方向下T₁₂椎体的最大应力值比较与分布情况  在各级压力和各向载荷下，椎体强化术后T₁₂椎体的最大Von mises应力值均较骨折模型增加，且其最大应力的增加与轴向压力的逐步递增施加呈正相关。在施加0.3，1.0，4.0 MPa轴向压力下，术椎骨水泥呈团块型分布T₁₂椎体所受的载荷均明显高于混合型及弥散型，骨水泥呈混合型分布在各级压力及各向载荷下T₁₂椎体承受的最大应力最低。在3级压力下，T₁₂椎体承受最大应力均出现在前屈及侧弯运动中，其中3种骨水泥弥散类型在施加前屈载荷T₁₂椎体的最大应力值，0.3 MPa压力下分别为：弥散型52.764 MPa，团块型55.269 MPa，混合型     37.173 MPa；1.0 MPa压力下分别为：弥散型68.735 MPa，团块型71.597 MPa，混合型42.852 MPa；4.0 MPa压力分别为：弥散型137.21 MPa，团块型141.59 MPa，混合型115.35 MPa，见图4。3种骨水泥弥散类型在各级压力及载荷下T₁₂椎体的最大应力值之间比较，差异无显著性意义(P > 0.05)。

应力云图显示，在前屈及侧弯载荷条件下，当骨水泥呈团块型分布时，T₁₂椎体的最大应力分布较弥散型及混合型集中于椎体前缘及上下终板，混合型分布时T₁₂椎体的应力分布更为均匀，见图5。

2.3 在3级压力和不同载荷方向下L₂椎体的最大应力值比较与分布情况  逐步施加0.3，1.0，4.0 MPa压力，3种骨水泥弥散类型L₂椎体承受最大应力呈线性增加，在各向载荷下，骨水泥呈混合型分布时L₂椎体的最大应力值均低于弥散型和团块型，且在前屈及侧弯载荷下，L₂椎体应力值均明显高于其他载荷方向，最大应力值均出现在前屈运动中，其中0.3 MPa压力下分别为：弥散型52.039 MPa，团块型46.781 MPa，混合型42.541 MPa；1.0 MPa压力下分别为：弥散型65.71 MPa，团块型62.29 MPa，混合型46.32 MPa；4.0 MPa压力分别为：弥散型136.35 MPa，团块型133.43 MPa，混合型125.81 MPa，见图6。3种骨水泥弥散类型在各级压力及载荷下L₂椎体最大应力值之间比较，差异无显著性意义(P > 0.05)。

应力云图显示，在前屈及侧弯载荷下，当骨水泥呈团块型分布时L₂椎体的最大应力分布集中于椎体前缘及上下终板，混合型应力分布更为均匀，见图7。

骨质疏松椎体压缩性骨折是骨质疏松的常见并发症，以胸腰段椎体最为多见。经皮椎体成形和经皮椎体后凸成形是治疗骨质疏松椎体压缩性骨折的主要微创外科术式，因其创伤小、迅速止痛、恢复椎体硬度等优势，在临床上得到了广泛应用^[1-2]。然而，伴随着手术而出现新发邻椎骨折的报道也逐渐增多^[3-6]，已经成为临床关注的新焦点，相关研究表明，椎体强化术后出现邻近椎体骨折的发生率为19.59%-23%^[5-6]。临床研究表明，术后继发邻椎骨折与骨水泥在椎体内呈现不同形态，如团块状或弥散状有关，团块状骨水泥是导致邻椎骨折的潜在危险因素^[7]。生物力学研究显示，注入骨水泥可以增加骨折椎体的刚度和强度^[8]，而术后邻近椎体骨折的出现与术椎应力及刚度的增加相 关^[9]，骨水泥的注入量、骨水泥的分布是导致伤椎应力增加的重要因素^[10]，但注入伤椎的骨水泥呈现不同的弥散形式是否增加邻近椎体的应力导致骨折，国内外尚缺少相关生物力学研究。

目前大部分骨水泥相关的有限元研究建立骨水泥模型，通过生成骨水泥单元，注入椎体后再进行模拟实      验^[11-12]。此次实验区别于既往研究的是，根据患者术后骨水泥弥散实际情况的CT数据，建立生物仿真度高的团块型、混合型、弥散型骨水泥弥散的有限元模型，在此基础上探讨3种骨水泥弥散形式对邻近椎体应力的影响，及其与邻椎骨折的相关性，以期为临床寻求最佳的骨水泥弥散类型提供理论依据。

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

1.1  设计  有限元分析实验

1.2  时间及地点  于2019年1至10月在广东省中医院珠海医院完成。

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，由广东省中医院珠海医院提供。

1.4  对象   

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折数据：扫描对象为65岁女性患者，诊断为L₁椎体压缩性骨折，骨密度T值为-2.6，获取T₁₁-L₂节段CT数据。

3种骨水泥弥散类型数据：扫描对象为3例女性患者，平均年龄(63±3)岁，外伤史明确，经临床确诊为L₁椎体压缩性骨折，行经皮椎体成形术，获取术后扫描术椎的CT数据。

4例患者均为遭受急性、轻度或中度暴力造成的骨折，未合并心脑血管疾病、严重肝肾功能损害，患椎经腰椎MRI T1加权像呈高信号，T2加权像呈低信号；骨密度T值≤-2.5，为保证实验数据的一致性，3例患者行经皮椎体成形术式骨水泥的注入量均为3.5 mL。

研究方案均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。

1.5  方法

1.5.1  骨质疏松压缩性骨折有限元模型的建立  利用三维重建软件Mimics 19.0 software(Materialise Company， Leuven，Belgium)对CT扫描图像进行三维模型重建和赋值，利用64排螺旋CT进行薄层扫描，扫描范围为T₁₁-L₂，层厚1 mm，图像以DICOM格式保存。将DICOM格式的图像导入Mimics 19.0软件，依据不同组织的灰度值进行自动化阈值分割区分，对椎间盘、韧带、终板等结构进行补建，建立骨骼结构的三维模型，几何模型以STL格式导入Geomagic Studio 2013软件中，进行优化光滑处理、删除钉状物、填充孔、编辑轮廓线、构造曲面及格栅、拟合曲面等步骤，将生成后的几何模型导入SolidWorks 2017软件中，对几何模型进行特征识别、曲面诊断、曲面修复等步骤，最终建立较高生物仿真度的L₁骨质疏松性压缩性骨折模型。

1.5.2  三种骨水泥弥散类型有限元模型的建立  依据经皮椎体成形术后复查的正侧位DR资料，在PACS影像工作站系统导出图像，利用PhotoshopCS5图形处理软件，对图像进行对比度及亮度等调整图像锐利度，区分高密度区和低密度区，选出连续的均匀高密度区为骨水泥团块区域及光点弥散的不均匀密度区为骨水泥弥散区域，通过查看对应选区的直方图查找像素值，对骨水泥均匀分布及不均匀分布区域重复测量3次后取平均像素值，记像素值为N，分辨率的平方为A，平均弥散区域面积为M1，平均团块区域面积为M2，参考文献[13]利用像素值与分辨率的换算，即1平方英寸等于6.45 cm²，计算平均弥散区域面积和平均团块区域面积(平均弥散区M1=平均弥散区N/A×6.45，平均团块区M2=平均团块区N/A×6.45)。计算骨水泥平均弥散区与平均团块区面积的比值(K)^[14]，定义K值<50%为团块型，50%≤K值≤100%为混合型，K值>100%为弥散型，测算方法见图1。

将3种骨水泥弥散类型的CT图像导出，以DICOM格式保存。将DICOM格式的图像导入Mimics 19.0软件，依据不同组织的灰度值进行自动化阈值分割区分，分离出骨水泥，手工擦除多余部分，将生成的STL格式模型数据导入Geomagic Studio 2013软件中，通过特征识别、曲面诊断、曲面修复等处理，再进入装配界面，将模型导入已建立的L₁压缩性骨折有限元模型，并调整骨水泥在L₁椎体内的位置，最终建立3种骨水泥弥散类型模型，见图2。

1.5.3  有限元网格化模型的建立及分析前处理

网格划分、材料参数设置：将Solidwords中生成的网格模型导入ANSYS 19.0软件中，在分析材料库中分别建立皮质骨、松质骨、骨折后皮质骨、松质骨、关节面、髓核、纤维环、骨水泥等材料属性参数，具体材料参数见表2。

然后定义模型间的接触类型，对模型进行网格划分，为保证计算的精度达到分析要求，对网格类型及大小进行控制，将所有网格大小设置为2.0 mm，参考既往文献报道的模拟方法^[15]，生成L₁椎体骨质疏松椎体压缩性骨折模型，见图3。 

      边界条件及载荷设置：边界条件设置为固定L₂椎体下终板，自T₁₁椎体上缘分别施加垂直压力、屈曲扭矩、侧屈扭矩、轴向压力4种不同的载荷，使用3种骨水泥弥散类型的模型进行静态有限元分析。所有模型施加400 N的垂直压缩载荷，10 N·m的扭矩，模拟正常人体前屈、后伸、侧屈及旋转4种运动状态。

由于人体在正常情况下直立站立状态时，相当于对椎体垂直向下施加0.3 MPa的轴向压力^[16-17]，故此次研究参考既往文献的相关研究方法，为模拟人体中立位(低压力)、正常行走活动(中压力)及突然暴力摔倒(高压力)时的椎体受力情况，在T₁₁上终板分别施加 0.3 MPa(低压力)、1.0 MPa(中压力)、4.0 MPa(高压力)的轴向压力^[18]，观察术椎在不同压力下的力学变化。

1.5.4  有限元运算分析  将上诉设置好分析条件的有限元模型导入ANSYS 19.0软件中进行分析运算。

1.6  主要观察指标  观察上述4个模型在不同压力和载荷情况下T₁₂和L₂椎体的最大应力值及应力分布情况(Von Mises云图)。

1.7  统计学分析  使用SPSS 19.0软件进行统计分析，采用配对t 检验进行统计学处理，P < 0.05差异有显著性意义。

经皮椎体成形术具有迅速缓解疼痛、恢复椎体高度和硬度等优势，但大量研究表明，经皮椎体成形术后会增加相邻椎体骨折的发生率^[19-21]，目前对椎体成形术后引发相邻椎骨骨折的相关因素尚存在争议。HUANG等^[22]认为邻椎再骨折是骨质疏松症的自然进展，与椎体成形术或经皮后凸椎体成形术的术式选择无关。也有学者认为，椎体成形术后椎体刚度的增加会导致相邻椎体应力增大，容易使相邻椎体骨折^[23]，骨水泥可以恢复椎体的强度，但骨水泥的注入会增加相邻终板的应力，可以诱导术椎及邻椎的再骨折^[24]。关于椎体成形术后骨水泥的弥散类型影响邻椎骨折的生物力学机制研究国内外暂未见报道，此次研究利用有限元分析方法探讨椎体成形术后团块型、弥散型、混合型3种骨水泥弥散类型对患椎相邻椎体生物力学的影响。

有限元分析方法于20世纪70年代开始运用于骨科生物力学的研究中^[25]，具有准确、简便、重复性高等优势，可在研究脊柱动力学、椎体与椎间盘内部应力等变化中替代生物学实验^[26-28]，此方法可模拟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行为变化的真实现象^[29-30]。骨质疏松性压缩性骨折模型的建立是实验的前提条件，目前有限元研究中主要的建模方法有坐标点建模、直接建模法、组织切片建模法、基于医学图像的建模、DICOM数据直接建模法^[31-32]，其中基于骨骼真实数据的DICOM数据建模方法因其数据来源真实、准确，建模过程缺少人为干预，三维模型仿真度高等特点，已得到广泛应用。关于骨水泥模型的建立，由于骨水泥在椎体内分布较为复杂，大部分研究通过生成骨水泥单元，注入椎体后再进行模拟实验^[11-12]，难以体现实际操作中骨水泥的注入情况，且骨水泥弥散类型无法实现真实模拟。如何将骨水泥的弥散情况真实变现出来是此次研究的难点，为此，此次研究依据既往报道^[14]，通过Photoshop软件计算术后DR正侧位片骨水泥团块区与弥散区的比值K值，分为弥散型、团块型、混合型，通过真实CT数据建立骨水泥弥散的有限元模型。研究结果显示，建立的模型在不同载荷下T₁₁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研究结果数据接近^[18]，证实此次实验模型的有效性，能够真实模拟不同情况下椎体的受力情况。

骨水泥注入后能够恢复椎体的高度，缓解患者的疼痛。李家琼等^[33]研究结果表明，骨水泥注入后将增加术椎与相邻椎体的应力，在扭转载荷下椎体应力和位移变化最大，这可能是术后发生邻椎骨折的原因之一。BERLEMANN等^[34]研究表明骨水泥注入后增加伤椎刚度，导致相邻节段椎体载荷分布、应力承受等力学改变，易引发邻椎骨折。此次研究结果显示骨水泥注入后增加邻近椎体的Von Mises应力，且应力集中于上下终板，分别施加0.3，1.0，4.0 MPa压力后，随着轴向应力的增加，3种模型邻椎承受的应力也呈线性增加，说明骨水泥注入后显著影响相邻节段椎体所受的应力值，随着施加压力的增加，邻椎骨折的风险也将增大，这提示椎体成形术后早期应避免负重、跌倒及剧烈运动，在一定程度上可降低邻椎再骨折的风险。

椎体成形术后骨水泥的弥散方式以团块型、混合型、弥散型3种类型为主，弥散类型的形成与椎体骨质疏松程度、骨水泥注入时间、椎体压缩程度等因素相关^[35]。研究表明，经皮椎体成形术后术椎及邻椎的骨折与骨水泥呈团块型分布有关^[36-37]，此次研究结果显示，在0.3，1.0，4.0 MPa轴向压力下，术椎骨水泥呈团块型分布在前屈及侧弯载荷运动中，T₁₂、L₂椎体上下终板的最大应力值均较混合型与弥散型明显增高；通过应力云图发现，骨水泥呈团块型分布导致T₁₂及L₂椎体应力集中于椎体前缘及上下终板，而混合型分布使T₁₂及L₂椎体应力分布均匀，表明前屈及侧弯状态下，邻椎最大应力随之增加，团块型骨水泥导致邻椎应力集中于上下终板，从而增加骨折的风险，而骨水泥呈混合型分布可降低因应力增加而导致的脆性骨折。LIANG等^[12]通过有限元研究发现，骨水泥呈团块型分布会增加周围松质骨的最大Von Mises应力，破坏周围未填充区域的松质骨，导致术椎再塌陷，且骨水泥集中分布，未向两侧扩散的骨水泥可能导致椎体终板所受应力在骨水泥聚集侧明显增大，这将增加相邻节段椎体骨折的风险^[38]。骨水泥呈混合型分布时，骨水泥可有效填充椎体，减少邻椎应力，在一定程度上可减少邻椎骨折的风险，但前屈及侧弯状态下，邻椎应力仍会随之增加，提示椎体成形术中应严格控制骨水泥注入时间，在追求骨水泥在骨折区域充分弥散的同时，还应顾及未骨折区域的弥散，术后仍需严格制动，避免弯腰、搬抬重物等活动及意外摔倒。

综上，此次研究发现，注入骨水泥后可引起患椎上、下相邻节段生物力学的改变，且邻椎应力的增加与轴向压力的增加呈正相关；骨水泥呈团块型分布将明显增加邻椎最大应力值，这可能是导致邻椎骨折的重要因素之一；骨水泥呈混合型分布邻椎应力分布均匀，在行椎体成形术中应关注未骨折区域的骨水泥弥散。此次研究的不足之处在于：①建立的模型较为简便的建立椎间盘、韧带、终板等结构，相关力学结构缺乏针对性处理，实验过程无法真正模拟真实人体，今后在脊柱相关力学结构构建上仍需进一步完善；②此次研究暂未涉及腰背部肌肉，各向载荷施加过程未考虑肌肉组织对椎体结构的限制作用，后期拟对模型进一步优化，建立肌肉模型，以强化仿真效果。

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

文题释义：

胸腰段椎体成形：骨质疏松椎体压缩性骨折是老年性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恢复椎体高度、缓解疼痛、强化椎体等作用，由于椎体强化后椎体刚度增加，易致术椎及邻椎再骨折。

骨水泥弥散类型有限元模型：此次实验研究中使用的建模方法有直接建模法、基于医学图像的建模、DICOM数据直接建模法，骨水泥弥散类型基于术后DR真实数据，通过Photoshop软件测算团块区面积及弥散区面积比值(K值)进行分型，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。

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

胸腰段椎体成形：骨质疏松椎体压缩性骨折是老年性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恢复椎体高度、缓解疼痛、强化椎体等作用，由于椎体强化后椎体刚度增加，易致术椎及邻椎再骨折。

骨水泥弥散类型有限元模型：此次实验研究中使用的建模方法有直接建模法、基于医学图像的建模、DICOM数据直接建模法，骨水泥弥散类型基于术后DR真实数据，通过Photoshop软件测算团块区面积及弥散区面积比值(K值)进行分型，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。

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