个体化精准穿刺椎体强化治疗不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学分析

doi:10.12307/2025.832

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (27): 5773-5784.doi: 10.12307/2025.832

• 骨与关节生物力学Bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

个体化精准穿刺椎体强化治疗不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学分析

潘泓宇1，李红桃1，肖常明1，李森2

西南医科大学附属中医医院脊柱外科，四川省泸州市 646000；2南京鼓楼医院脊柱外科，江苏省南京市 210008

收稿日期:2024-05-31 接受日期:2024-08-12 出版日期:2025-09-28 发布日期:2025-03-05
通讯作者: 李森，博士，主任医师，南京鼓楼医院脊柱外科，江苏省南京市 210008
作者简介:潘泓宇，男，1999年生，海南省海口市人，汉族，西南医科大学在读硕士，主要从事脊柱脊髓损伤等相关方向的研究。并列第一作者：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：肖常明，男，1989年生，四川省成都市人，汉族，2019年重庆医科大学毕业，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。

Biomechanical analysis on treatment of different types of osteoporotic vertebral compression fractures with individualized precise puncture vertebral augmentation

Pan Hongyu1, Li Hongtao1, Xiao Changming1, Li Sen2

1Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China; 2Department of Spine Surgery, Nanjing Drum Tower Hospital, Nanjing 210008, Jiangsu Province, China

Received:2024-05-31 Accepted:2024-08-12 Online:2025-09-28 Published:2025-03-05
Contact: Li Sen, MD, Chief physician, Department of Spine Surgery, Nanjing Drum Tower Hospital, Nanjing 210008, Jiangsu Province, China
About author:Pan Hongyu, Master candidate, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China Li Hongtao, Master candidate, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China Xiao Changming, MS, Attending physician, Department of Spine Surgery, Hospital of Traditional Chinese Medicine Affiliated to Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China Pan Hongyu, Li Hongtao, and Xiao Changming contributed equally to this article.

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

个体化精准穿刺：根据患者手术前的椎体CT影像数据进行精准测量，以椎体中线前1/3作为穿刺终点，设计最佳穿刺路径的椎体强化术进针路径。
椎体强化术：是目前治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的微创手术方法，包括经皮椎体后凸成形术和经皮椎体成形术，通过骨水泥填充进骨折椎体，达到缓解疼痛、矫正椎体畸形和恢复椎体高度的治疗效果。
有限元分析：基于患者CT扫描原始数据构建三维椎体模型，可以反映载荷情况下椎体内部和局部的生物学动态变化。相比传统生物力学试验方法，有限元分析具有可重复实验和数据客观的优点。

摘要
背景：个体化精准穿刺入路是近年来提出椎体强化治疗的新型入路方式，并且已经取得了良好的临床疗效，但仍缺少相关生物力学研究。
目的：采用有限元分析方法探讨个体化精准穿刺椎体强化治疗对骨质疏松性椎体压缩骨折椎体终板以及椎间盘生物力学的影响。
方法：使用3例已完成个体化精准穿刺椎体强化治疗的骨质疏松性椎体压缩骨折患者术前和术后的CT影像资料，建立楔形型、双凹型、塌陷型术前和术后共6个模型。在椎体垂直方向加载500 N力矩和10 N/m旋转力矩，模拟正常椎体的生理活动，包括前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转，观察个体化精准穿刺椎体强化治疗后不同类型骨折椎体终板、邻近终板以及椎间盘的应力变化。
结果与结论：①成功建立了个体化精准穿刺椎体强化术前和术后脊柱功能单元的三维有限元模型；②个体化精准穿刺椎体强化术后，楔形型、双凹型及塌陷型骨折椎体终板和邻近椎体终板的最大von Mises应力值均有一定程度的减小；楔形型邻近椎体T10下终板和塌陷型邻近椎体L1上终板的术后最大von Mises应力值增加；③个体化精准穿刺椎体强化术后，3种有限元模型的相邻椎间盘整体最大von Mises应力值均减小；④结果表明，个体化精准穿刺椎体强化治疗可在一定程度上减轻楔形型、双凹型和塌陷型椎体终板的最大von Mises应力值，降低术后椎体再骨折的风险；此外，还可减轻椎间盘的最大von Mises应力值，理论上也能够在一定程度上缓解椎间盘退变。

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: 骨质疏松, 胸腰段椎体压缩骨折, 椎体强化, 终板, 椎间盘, 个体化穿刺, 生物力学, 有限元分析, 骨科植入物

Abstract: BACKGROUND: The individualized precise puncture approach is a new approach proposed for vertebral body augmentation in recent years, and has achieved good clinical results, but there is still a lack of relevant biomechanical research.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical effects of individualized precise puncture vertebral augmentation on the vertebral endplate and intervertebral disc of osteoporotic vertebral compression fracture using finite element analysis method.
METHODS: A total of six preoperative and postoperative models of wedge type, biconcave type, and collapse type were established using the preoperative and postoperative CT imaging data of three osteoporotic vertebral compression fracture patients who had completed individualized precise puncture vertebral augmentation. 500 N moment and 10 N/m rotation moment were loaded in the vertical direction of the vertebral body to simulate the normal physiological activities of the vertebral body, including forward flexion, back extension, left bending, right bending, left rotation, and right rotation, to observe the stress changes of endplates, adjacent endplates, and intervertebral discs of different types of fractured vertebral bodies after individualized precise puncture vertebral augmentation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Three-dimensional finite element models of preoperative and postoperative spinal functional units were successfully established. (2) After individualized precise puncture vertebral augmentation, the maximum von Mises stress values of wedge-shaped, biconcave, and collapsed fractured vertebral endplates and adjacent vertebral endplates were reduced to a certain extent. The postoperative maximum von Mises stress value increased in the T10 inferior endplate of the superior vertebral body with wedge deformity and the L1 superior endplate of the inferior vertebral body with collapsed deformity. (3) After individualized precise puncture vertebral augmentation, the overall maximum von Mises stress value of adjacent intervertebral discs in the three finite element models decreased. (4) The results show that individualized precise puncture vertebral augmentation can reduce the maximum von Mises stress value of the endplate of wedge-shaped deformity, biconcave deformity and collapsed vertebral body to a certain extent, and diminish the risk of postoperative vertebral body re-fracture. In addition, individualized precise puncture vertebral augmentation decreases the maximum von Mises stress value of the intervertebral disc, which can theoretically alleviate intervertebral disc degeneration to a certain extent.

Key words: osteoporosis, thoracolumbar vertebral compression fracture, vertebral augmentation, endplate, intervertebral disc, individualized puncture, biomechanics, finite element analysis, orthopedic implants

中图分类号:

R459.9|R318|R687.3

潘泓宇, 李红桃, 肖常明, 李森. 个体化精准穿刺椎体强化治疗不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(27): 5773-5784.

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图/表（结果） 7

2.1 楔形型模型结果
2.1.1 骨折椎体终板以及邻近终板的应力变化在楔形型模型中，其骨折椎体终板以及邻近终板的应力分布云图和应力数据见图3及表2。

在6种椎体生理运动状态下(前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转)，术前T11上终板最大von Mises应力值分别为2.934 5，2.013 3，2.803 5，2.592 1，2.477 1，2.505 1 MPa；而术后T11上终板最大von Mises应力值分别2.270 9，2.168 8，1.711 4，2.669 5，2.223 6，2.112 3 MPa。相比术前，T11上终板的应力除了后伸状态和右侧弯状态，其余运动状态下的应力都有明显的降低，前屈减少22.61%，后伸增加7.72%，左侧弯减少38.59%，右侧弯增加7.74%，左旋转减少10.23%，右旋转减少15.56%。在6种椎体生理运动状态下，术前T11下终板最大von Mises应力值分别为2.861 1，2.104 7，2.248 0，2.812 0，2.498 2，2.489 8 MPa；术后T11下终板最大von Mises应力值分别为2.614 7，1.874 6、2.039 6，2.535 6，2.121 0，2.259 7 MPa，相比于术前，T11下终板的应力整体下降，前屈减少8.61%，后伸减少23.01%，左侧弯减少9.27%，右侧弯减少9.83%，左旋转减少15.1%，右旋转减少9.24%(图4)。
在6种椎体生理运动状态下，术前T10下终板的最大von Mises应力值分别为2.541 6，1.709 2，2.193 9，2.284 7，2.154 2，2.118 5 MPa；术后分别为2.844 1，1.977 3，2.276，2.687 6，2.417 9，2.414 6 MPa，相比术前，T10下终板的应力均有增加，前屈增加11.9%，后伸增加13.75%，左侧弯增加3.74%，右侧弯增加17.63%，左旋转增加12.24%，仅有右旋转减少13.98%。在6种椎体生理运动状态下，T12上终板术前的最大von Miese应力值分别为3.358 6，2.472 1，2.535 8，2.845 5，2.719 8，2.760 4 MPa；而术后最大von Miese应力值分别为2.776 5，2.258，2.234 3，2.412 1，2.17，2.261 2 MPa，经过个体化精准穿刺椎体强化术治疗后的T12上终板的应力均明显下降，前屈减少17.33%，后伸减少8.66%，左侧弯减少11.89%，右侧弯减少15.23%，左旋转减少20.21%，右旋转减少18.18%(图4)。
2.1.2 椎间盘应力的变化在楔形型模型中，其椎间盘的应力分布云图和应力数据见图5及表2。在6种椎体生理运动状态下，T10/T11椎间盘术前的最大von Mises应力值分别为2.055 0，1.726 8，1.852 6，2.045 6，2.119 9，1.714 6 MPa；术后T10/T11椎间盘最大von Mises应力值分别为1.617，1.210 7，1.378 9，1.624 4，1.403，1.384 6 MPa，术后T10/T11椎间盘的应力相比术前下均有显著降低，其中前屈减少21.31%，后伸减少29.89%，左侧弯减少25.57%，右侧弯减少20.59%，左旋转减少33.82%，右旋转减少19.25%。在6种椎体生理运动状态下，术前T11/T12椎间盘的最大von Mises应力值分别为1.814 9，1.347 9，1.702 0，1.794 8，1.552 4，1.527 0 MPa；术后则分别为1.700 1，1.325 4，1.340 2，1.551 1，1.378 7，1.331 7 MPa，术后T11/T12椎间盘的应力较术前相比，均显著降低，其中前屈减少6.33%，后伸减少1.67%，左侧弯减少21.26%，右侧弯减少13.58%，左旋转减少11.19%，右旋转减少12.79%(图4)。

2.2 双凹型模型结果
2.2.1 骨折椎体终板以及邻近终板的应力变化在双凹型模型中，其骨折椎体终板以及邻近终板的应力分布云图和应力数据见图6及表3。
在6种椎体生理运动状态下，T11上终板术前的最大von Mises应力值分别为2.261 7，3.440 5，2.936 6，2.766 5，2.937 0，
2.868 6 MPa；术后的最大von Mises应力值为2.236 5，2.575 2，2.201 6，2.797 6，2.328 3，2.383 9 MPa，相比于术前，T11上终板的应力除右侧弯时有轻微增高，其余运动状态下的应力都明显降低，分别为前屈减少1.11%，后伸减少25.15%，左侧弯减少14.81%，右侧弯增加1.11%，左旋转减少20.73%，右旋转减少5.89%。在6种椎体生理运动状态下，T11下终板术前的von Mises应力值分别为1.898 6，2.679 3，2.373 9，2.207 7，2.204 7，2.380 8 MPa；术后，T11下终板von Mises应力值分别为1.621 0，1.976 7，1.601 1，1.818 0，1.760 8，1.570 5 MPa，与术前相比，T11下终板的应力在6种椎体生理运动状态下均明显降低，分别为前屈减少14.62%，后伸减少26.22%，左侧弯减少35.55%，右侧弯减少17.65%，左旋转减少20.13%，右旋转减少34.03%(图4)。

在6种椎体生理运动状态下，T10下终板术前的最大von Mises应力值分别为2.287 2，2.705 5，2.586 5，2.797 9，2.417 5，2.422 9 MPa；术后最大von Mises应力值分别为2.724 2，1.822 9，2.392 7，2.395 9，2.340 2，2.371 1 MPa，T10下终板的应力相比术前，除前屈增加19.11%，其余动作的应力均降低，后伸减少32.62%，左侧弯减少7.49%，右侧弯减少14.37%，左旋转减少3.2%，右旋转减少2.14%。在6种椎体生理运动状态下，术前T12上终板的最大von Mises应力值分别为2.780 6，2.542 4，2.145 4，2.518 7，2.044，2.1729 MPa；而术后T12上终板的最大von Mises应力值分别为2.326 7，2.453 1，1.936 5，2.287 9，1.895 7，2.175 MPa，经过个体化精准穿刺椎体强化治疗后T12上终板的应力整体表现为下降的趋势，前屈减少16.32%，后伸减少3.51%，左侧弯减少9.74%，右侧弯减少9.16%，左旋转减少7.26%，右旋转增加0.1%(图4)。
2.2.2 椎间盘应力的变化在双凹型模型中，其椎间盘应力分布云图和应力数据见图5及表3。在6种椎体生理运动状态下，T10/T11椎间盘术前的最大von Mises应力值为1.500 8，1.909 5，1.723 4，1.879 1，1.543 9，1.596 8 MPa；术后T10/T11椎间盘最大von Mises应力值分别为1.626 9，1.617，1.406 6，1.716 1，1.513 7，1.457 7 MPa，术后的T10/T11椎间盘的应力相较于术前，除前屈动作增加8.4%，其余生理运动状态下的应力均降低，后伸减少15.32%，左侧弯减少18.38%，右侧弯减少8.67%，左旋转减少1.96%，右旋转减少8.71%。在6种椎体生理运动状态下，T11/T12椎间盘术前的最大von Miese应力值分别为1.821 1，2.570 8，2.448 2，1.944 1，2.259 8，2.149 6 MPa；术后T11/T12椎间盘最大von Miese应力值分别为1.820 3，1.861 9，1.597 9，1.613 8，1.603 5，1.604 5 MPa，术后的T11/T12椎间盘的应力显著降低，前屈减少0.04%，后伸减少27.58%，左侧弯减少34.73%，右侧弯减少16.99%，左旋转减少29.04%，右旋转减少25.36%(图4)。

2.3 塌陷型模型结果
2.3.1 骨折椎体终板以及邻近终板的应力变化在塌陷型模型中，其骨折椎体终板以及邻近终板的应力分布云图和应力数据见图7及表4。在6种椎体生理运动状态下，T12上终板术前的最大von Mises应力值为2.194 1，1.642 8，1.995 8，1.824 7，1.843 9，1.882 5 MPa；术后T12上终板最大von Mises应力值为2.070 9，1.427 3，1.755 2，1.773 5，1.742 2，1.780 5 MPa，相比于术前，T12上终板的应力在术后表现出下降的趋势，前屈减少5.62%，后伸减少13.12%，左侧弯减少12.06%，右侧弯减少2.81%，左旋转减少5.52%，右旋转减少5.42%。在6种椎体生理运动状态下，术前T12下终板的最大von Mises应力值为2.170 0，1.768 4，2.037 1，2.246，1.895 1，1.929 1 MPa；术后T12下终板的最大von Mises应力值则为2.261 7，1.647 6，1.787 9，1.799 8，1.878 4 MPa，与术前相比，术后T12下终板的应力除前屈动作外，其余生理运动状态的应力均明显降低，为前屈增加4.23%，后伸减少6.83%，左侧弯减少12.23%，右侧弯减少19.87%，左旋转减少0.88%，右旋转减少5.06%(图4)。
在6种椎体生理运动状态下，T11下终板术前的最大von Mises应力值为2.852 1，1.822 9，2.392 7，2.395 9，2.340 2，2.371 1 MPa；术后T11下终板最大von Mises应力值为2.419 4，1.615 1，1.977 4，2.063 5，1.976 1，2.006 4 MPa，相比于术前，T11下终板的应力均降低，前屈减少15.17%，后伸减少11.4%，左侧弯减少17.36%，右侧弯减少13.87%，左旋转减少15.56%，右旋转减少15.38%。在6种椎体生理运动状态下，L1上终板术前的最大von Mises应力值为1.601 5，2.453 1，1.936 5，2.287 9，1.895 7，
2.175 0 MPa；术后L1上终板最大von Mises应力值分别为1.729 9，2.433 8，2.257 1，2.027 9，2.192 3，1.943 5 MPa，
术后L1椎体上终板的应力相比术前表现出增大的趋势，仅有后伸动作时减少0.79%，而前屈增加8.02%，左侧弯增加16.56%，右侧弯增加11.36%，左旋转增加15.65%，右旋转增加10.63%(图4)。
2.3.2 椎间盘应力的变化在塌陷型模型中，其椎间盘的应力分布云图见图5及表4。在6种椎体生理运动状态下，T11/T12椎间盘术前的最大von Mises应力值为1.499 2，1.058 8，1.336 4，1.269，1.242 5，1.250 1 MPa；术后T11/T12椎间盘最大von Mises应力值分别为1.387，0.976 3，1.145 9，1.124 3，1.136 6，1.162 3 MPa，相比于术前，T11/T12椎间盘术后的应力均降低，前屈减少7.48%，后伸减少7.79%，左侧弯减少14.25%，右侧弯减少11.4%，左旋转减少8.52%，右旋转减少7.02%。在6种椎体生理运动状态下，T12/L1椎间盘术前最大von Mises应力值为1.215 3，1.313 2，1.191，1.254 8，1.168，1.179 2 MPa；术后，T12/L1椎间盘最大von Mises应力值分别为1.127，1.568，1.327 9，1.232 7，1.097 3，1.072 8 MPa，相比于术前前，T12/L1椎间盘术后的应力在后伸和左侧弯动作时表现出应力增大，分别为后伸增加19.4%，左侧弯11.49%，而其余动作均有着不同程度的降低，其中前屈减少7.27%，右侧弯减少17.61%，左旋转减少6.05%，右旋转减少9.02%(图4)。

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引言

骨质疏松性椎体压缩骨折是老年人常见的并发症之一，胸腰段椎体(T10-L2)是胸椎生理性后凸向腰椎生理性前凸的过渡阶段，同时也是脊柱活动的应力集中区域，因此骨质疏松性椎体压缩骨折常常好发于胸腰段椎体[1-2]。
椎体强化术包括经皮椎体后凸成形术与经皮椎体成形术，这两种技术都是使用骨水泥填充骨折椎体，达到缓解患者疼痛和恢复椎体高度的治疗效果[3-5]。经椎弓根入路是目前椎体强化术的主要入路方式，但对于椎弓根狭窄、椎弓根变异、椎弓根内倾角较小的情况，经椎弓根入路会受到个体形态差异的影响，导致穿刺位置不当，骨水泥局限在穿刺侧，无法实现椎体内的良好分布[6-7]；而采用双侧穿刺则会增加手术创伤和辐射时间，且操作更为复杂[8-9]。个体化精准穿刺椎体强化术是结合患者的个体情况以及影像数据，针对性地选择穿刺路径。张立创等[10]的研究表明，相比单侧椎弓入路和双侧椎弓根入路，个体化穿刺入路在穿刺过程中不受椎弓根解剖的影响，并且骨水泥的弥散更好。目前，对于精准穿刺技术的研究主要侧重于临床疗效和椎体恢复上，而缺乏对椎体附件的研究。此外，有报道提出骨水泥强化后邻近椎骨继发骨折的发生率增高，并且增加了椎间盘的机械负荷，加速椎间盘退变过程[11-12]。因而，此次研究按照MELTON
等[13-14]对骨质疏松性椎体压缩骨折的分型方法，建立3种不同类型的骨质疏松性椎体压缩骨折模型，通过有限元分析方法研究个体化精准穿刺椎体强化手术前后终板与椎间盘的生物力学情况，为临床应用提供理论依据。
目前，个体化精准穿刺椎体强化术在临床治疗骨质疏松性椎体压缩骨折上已经取得了初步的临床疗效，但仍缺乏对终板和相邻椎间盘的生物力学研究。此次研究基于患者手术前后的CT扫描图像，建立3种不同类型的骨质疏松性椎体压缩骨折手术前后有限元模型，通过模拟正常椎体生理运动，观察个体化精准穿刺椎体强化术对骨折椎体终板、邻近终板与相邻椎间盘的应力影响。

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10-11月在西南医科大学附属中医医院完成。
1.3 材料
1.3.1 胸腰段椎体CT数据选择3例已完成个体化精准穿刺椎体强化术的骨质疏松性胸腰段椎体压缩骨折患者。手术前影像学资料提示胸腰段单个椎体(T10-L2)新鲜压缩骨折，3例患者的CT影像分别为楔形型(女，63岁，身高156 cm，体质量57 kg)、双凹型(女，72岁，身高155 cm，体质量48 kg)和塌陷型(男，81岁，身高170 cm，体质量60 kg)。所有CT影像学资料均以DICOM格式保存(图1)。此次研究使用匿名信息资料获得了西南医科大学附属中医医院伦理审查委员会的伦理豁免，并免除患者知情同意。

1.3.2 实验软件 Mimics 21.0(Materialise公司，比利时)、Geomagic 2021(Geomagic 公司，美国)、SolidWorks 2021(Dassault Systemes公司，美国)、Ansys 2021R1(ANSYS公司，美国)。以上软件均由西南医科大学附属中医医院提供。
1.4 方法
1.4.1 个体化精准穿刺路线设计与手术过程根据术前CT轴位片，将伤椎分为1，2，3部分，将穿刺终点置于伤椎第1部分的中心，设为A点，将椎弓根内侧壁与椎体后缘交界处设为B点，连接A点与B点做延长线至皮肤，获得皮肤进针点P。OP段距离为皮肤进针点到椎体棘突的实际旁开距离，AP虚线段为完全独立于椎弓根外进入椎体。术中具体操作：患者取俯卧位，头部、胸骨及髂前上棘处各垫一软枕，使腹部悬空，保持胸腰段处于过伸位，以期通过体位对骨折椎体进行复位，C型臂透视下明确伤椎，并结合术前OP段旁开距离，确定皮肤穿刺点并做标记，常规消毒铺巾后，依次对穿刺点皮肤、皮下组织、深筋膜、骨性入点骨膜进行浸润麻醉。麻醉点做5 mm皮肤切口，将穿刺针从皮肤切口进入骨面，正位透视下见穿刺针位于椎弓根外上缘，侧位透视下穿刺针位于椎弓根后方，沿椎弓根方向继续穿刺，期间根据需要进行微调。透视下针尖正位位于椎弓根内侧壁、侧位到达椎体后缘(术前规划中的B点)，沿该穿刺路径继续进入椎体，当穿刺针到达椎体前1/3目标点(术前规划中的A点)，插入导针，更换穿刺针为工作套管。待骨水泥至“面团期”时将骨水泥推杆至于椎体前1/3，每注入0.5 mL骨水泥进行1次透视，直至骨水泥接近椎体后1/3时即停止注射(图2)。术毕，再次皮肤消毒，无菌敷料覆盖。

1.4.2 骨质疏松性胸腰段椎体压缩骨折有限元模型的建立将3例患者的胸腰段椎体手术前的CT数据导入Mimics 21.0软件，通过灰度值初步识别和分离肌肉、软组织与骨头，选择所需要的图像区域。将初步提取出的椎体三维模型进行Calculate part功能将其实体化，并以STL格式导出备用。保存好的STL文件被导入到Geomagic 2021软件中，通过光滑、去噪、删除钉状物等一系列平滑处理命令，保留模型应有特征的同时光滑模型表面。将优化后的模型进行拟合曲面，以STEP实体格式保存[15]。将所有STEP实体文件导入SolidWorks 2021软件，以SLDPRT零件格式保存，根据原点配合方法，组合布尔运算分离和组建皮质骨、松质骨椎体模型[16]。得到的模型利用拉伸、移动、组合、扫描等一系列命令建立终板、关节软骨和椎间盘(髓核和纤维环)[17]。将建立的三维模型导入Ansys 2021R1软件，补充椎体模型周围韧带(前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带)。根据参考文献[18-19]对皮质骨、松质骨、终板、关节软骨、椎间盘、韧带进行材料属性赋值，并设置关节软骨、终板、椎间盘等结构的接触类型以及各韧带的拉伸刚度(表1)。使用SOLID187十节点四面体网格对模型进行网格划分，楔形型模型的节点数量为253 024、单元数量为151 895，双凹型模型的节点数量为302 582、单元数量为184 439，塌陷型模型的节点数量为379 677、单元数量为233 381。将网格化的模型保存，得到骨质疏松性胸腰段椎体压缩骨折有限元模型。

1.4.3 骨质疏松性胸腰段椎体压缩骨折术后有限元模型的建立将3例患者的胸腰段椎体术后的CT数据导入上述软件，提取骨水泥模型。得到的骨水泥模型导入SolidWorks 2021软件，把骨水泥放置在先前建立术前三维模型骨折椎体的中心。使用布尔运算去除椎体内多余的骨，通过原点配合的方式将骨水泥模型装配进椎体空腔，得到术后三维模型[20]。继续在SolidWorks 2021软件中按照同样步骤组建皮质骨、松质骨，装配终板、关节软骨和椎间盘，得到完整的骨质疏松性胸腰段椎体压缩骨折术后三维模型。建立的三维模型导入Ansys 2021R1软件，补充椎体模型周围韧带。对模型的各个组成部分进行材料属性赋值，并设置结构之间的接触类型以及韧带的拉伸刚度。使用SOLID187十节点四面体网格对模型进行网格划分，楔形型模型的节点数量为280 680、单元数量为167 201，双凹型模型的节点数量为319 370、单元数量为192 011，塌陷型模型的节点数量为394 631、单元数量为241 345。将网格化的模型保存，得到骨质疏松性胸腰段椎体压缩骨折术后有限元模型。
1.4.4 载荷与边界条件为了模拟手术前与手术后椎体在不同椎体生理运动状态下的应力情况，参考了相关文献[21-22]。在ANSYS 2021R1软件中，术前和术后椎体模型中的第3节椎体的下表面设置为完全固定，在第1节椎体的上表面施加500 N的载荷，模拟人体在正常站立位时胸腰椎所承受的载荷，同时施加10 N/m的运动附加力矩，模拟椎体正常生理活动时的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转的运动状态。最终得到不同压缩类型压缩骨折的终板、邻近终板以及椎间盘在个体化精准穿刺椎体强化手术前后的应力变化。
1.5 主要观察指标 ①个体化精准穿刺椎体强化手术前后不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折终板、邻近终板的应力变化；②个体化精准穿刺椎体强化手术前后不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折椎间盘的应力变化。

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讨论

椎体强化术是在透视引导下向骨折椎体注入骨水泥，短时间内达到止痛、稳定椎体、恢复椎体高度的目的[23]。由于单侧穿刺入路创伤小、辐射次数少、骨水泥渗漏风险低等优点，该入路在微创治疗骨质疏松性椎体压缩骨折中得到广泛应用。但研究表明，由于椎体椎弓根的宽度以及椎体的内倾角在个体之间差异很大，采用单侧经椎弓根穿刺入路在达到或者超过椎体中线时容易受到椎体解剖的限制[24]。近年来，个体化精准穿刺入路已经在临床治疗骨质疏松性椎体压缩骨折中取得了良好的进展，蒲俊刚等[25]通过术前测量穿刺距离、内倾角角度及其范围的个体化穿刺入路治疗中胸段骨质疏松性椎体压缩骨折，发现骨折椎体高度得到了明显的恢复，并且骨水泥渗漏率相比经典椎弓根入路椎体强化术更低。张立创等[10]通过术前影像图像评估骨折椎体形态，设计个体化穿刺路线，结合穿刺距离与角度数据，使穿刺针迅速准确达到骨水泥注入点，手术时间能够明显缩短，减少患者和医师辐射次数与暴露时间[26-27]。然而，穿刺针的外展角度和穿刺轨迹主要取决于外科医生的经验。
个体化精准穿刺椎体强化术是基于经典的椎弓根入路椎体强化术改进，根据术前CT扫描图像，确定穿刺终点及椎弓根内侧壁与椎体后缘交界处(穿刺安全点)，连接两点做延长线至皮肤，即可得出皮肤穿刺点。据文献报道，将椎体中线的前1/3作为穿刺针终点以及骨水泥注入点，能使骨水泥由穿刺侧良好的弥散至对侧[28-29]。椎弓根内侧壁与椎体后缘交界处是穿刺针进入椎体，并且得到最大外展角度的穿刺安全点，达到单侧穿刺双侧充盈的目的[30]。该方法简化了术前测量技术、穿刺路径规划明确、术中操作者受到穿刺角度的影响更小。
有限元分析是一种较常见的生物力学研究方法，可以提供更详细的骨骼应力大小和分布信息，对于认识骨骼的生物力学特点至关重要[31]。通过真实CT数据模拟真实的脊柱运动并预测及分析其生物力学变化，近些年广泛应用于胸腰椎生物力学分析[32]。陈荣彬等[33]发现胸腰段椎体强化后伤椎应力与其所受压力及负荷方向有关，骨水泥呈团块型分布是造成术后伤椎应力增高的重要原因之一，而混合型骨水泥的应力更分散。李安明等[34]通过有限元分析得出，相邻椎体所受应力变化与骨水泥注入量和弥散分布范围直接相关，同时双侧弥散分布的骨水泥可改善邻近椎体应力分布。李家琼等[35]发现骨质疏松程度、骨水泥注入量与椎体应力呈正相关，尤其在扭转载荷下椎体应力变化最明显。因此，对严重的骨质疏松性椎体压缩骨折，更适合选择小剂量骨水泥以避免应力增加，并尽可能限制患者左右旋转活动。ZUO等[36]的研究表明，在楔形型骨折椎体中，椎体高度恢复会影响von Mises应力、骨水泥移位和椎体活动度，并且与再骨折的风险相关。
目前个体化穿刺技术在临床治疗骨质疏松性椎体压缩骨折上已经取得了初步的临床疗效，但缺乏治疗不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学研究。因此作者采用个体化精准穿刺椎体强化术治疗楔形型、双凹型和塌陷型的骨质疏松性椎体压缩骨折，采用患者真实CT数据建立有限元模型，通过模拟椎体正常生理运动，对终板和椎间盘的应力结果进行分析。此外，与以往将骨水泥模拟为圆柱形或者球形嵌入椎体模型中不同，此次研究的骨水泥模型均由患者CT图像中提取建立，使有限元模型更贴合实际情况，保证应力分析数据的准确性。
此次研究发现，个体化精准穿刺椎体强化术后楔形型模型伤椎的上下终板、下位椎体上终板及相邻椎间盘的最大von Mises应力整体均下降。然而，术后上位椎体下终板的最大von Mises应力增加，通过应力分布云图可观察得到，术前上位椎体下终板的前侧与右侧均有高应力集中区，而术后高应力集中区均消失，意味着终板应力分布更均匀，一定程度上能够避免高应力区域的塌陷及再骨折风险。结合楔形型术前CT图像及其应力云图表现，部分运动状态下的高应力集中区域可能与楔形椎体前缘高度明显降低及左右压缩程度不均衡密切相关；此外，术后伤椎上终板在后伸和右侧弯的应力轻微升高，可能与骨水泥主要分布在椎体前缘和右侧有关。
个体化精准穿刺椎体强化术术后双凹型伤椎上下终板、邻近终板以及相邻椎间盘的最大von Mises应力整体显著下降，尽管伤椎上终板右侧弯、上位椎体下终板前屈和下位椎体上终板右旋转的最大von Mises应力轻微增加，但并不影响整体应力变化趋势。此外，应力云图上显示，术前伤椎的上下终板、上位椎体下终板、下位椎体上终板及邻近椎间盘在6种生理运动下的应力分布不平衡，结合术前CT图像，双凹型模型为中心低、四周高的“盆地状”，因此高应力区往往集中在运动方向同侧，低应力区的范围在对侧扩大。由于骨水泥填充，其术后应力分布相对均匀，但低应力区仍较为集中在模型的中心，而高应力区向四周层层均匀扩散，类似“地形图等高线”，说明在双凹型中，个体化精准穿刺椎体强化术在降低整体应力的同时缓解了模型四周的应力，降低该区域再骨折的风险。
个体化精准穿刺椎体强化术后，塌陷型的应力云图显示伤椎上下终板、上位椎体下终板和相邻椎间盘应力分布更均匀，且整体最大von Mises应力下降；而下位椎体上终板的最大von Mises应力相比术前整体升高。考虑到该模型选取的病变节段为T12，下位椎体上终板的整体应力增加主要有以下原因：一是L1椎体上终板作为胸椎与腰椎的交界处，是椎体正常生理运动状态中应力承受最集中的节段；二是骨水泥的填充无法真正还原正常终板的内凹形态，并且由于椎体的整体强度与刚度增加，改变了椎体节段间的应力传导，导致L1椎体上终板的整体应力增加。因此，需要更多的塌陷型模型进行更全面的验证。
此次研究还存在部分局限性，有限元模型基于个体真实CT扫描图像建立，不能说明个体化精准穿刺椎体强化术对同一种骨折类型的所有患者有着完全相同的生物力学结果；建立椎体有限元模型没有将椎旁肌肉对椎体应力的影响考虑在内；患者的骨质疏松程度、性别、年龄存在个体差异，而模型的建立均采用相同的材料属性；有限元模型的应力情况使用理想状态下椎体的正常生理运动状态，无法真正模拟人体日常生活中的力学环境，需要进一步的生物力学研究；在治疗下腰椎骨折时，如L4-S1，由于受到髂嵴结构的阻挡，个体化精准穿刺椎体强化术无法取得良好的穿刺角度，因此通常还是采用双侧穿刺；此外，面对椎弓根狭窄细小或者椎弓根较横立的骨折椎体，穿刺针很难完全经过椎弓根，穿刺针可经部分椎弓根或完全独立于椎弓根外进入椎体，灵活调整工作通道的方向与深度，如图1中AP虚线段。
总之，此次研究表明个体化精准穿刺椎体强化术在3种不同类型的胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折模型中均取得了良好的生物力学效果，降低了伤椎终板、上位椎体下终板、下位椎体上终板以及相邻椎间盘的最大von Mises应力，尽管部分结构在个别运动状态下的应力较术前增加，但整体上应力分布相对均匀，可在一定程度上降低再骨折的风险；其次，相邻椎间盘的最大von Mises应力降低，可以减轻椎间盘的机械负荷，理论上对于椎间盘退行性变起着一定的延缓作用；并且，个体化精准穿刺椎体强化术前规划简便，术中穿刺精准，受术者自身操作的影响小。因此，作者认为个体化精准穿刺椎体强化术能够作为一种个体化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的方法，值得进一步推广和研究。

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胸腰段椎体(T10-L2)由于其结构以及生物力学的特殊性，骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)常常好发于此节段。目前，椎体强化术(VA)通过骨水泥填充骨折椎体是目前临床上治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的主要手术方式。传统椎体强化术通常采取经椎弓根穿刺入路的方式进入椎体，但经过长期的研究和实践，相关研究发现经椎弓根入路面临椎弓根狭窄、椎弓根变异、椎弓根内倾角较小的情况，经椎弓根入路会受到个体形态差异的影响，导致穿刺位置不当。此外，骨质疏松性骨折患者常伴有脊柱后凸、侧凸、旋转畸形。这些特点使得经椎弓根穿刺入路相对困难、手术风险高。若仍要通过经椎弓根穿刺入路，则骨水泥可能仅局限在穿刺侧，无法实现椎体内的良好分布。个体化穿刺入路是今年应用于治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的方法。通过因术前准确评估伤椎形态、精确测量伤椎数据、精细化穿刺路径设计，可以减少穿刺次数，从而减小创伤、缩短穿刺时间，使穿刺针按预定计划准确、快速到达目标位置，提高了手术的安全性。根据国内外的文献报道，个体化精准穿刺椎体强化术(IPPVA)已经在胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折上取得了良好的临床效果，但仍缺乏对术后相邻结构的生物力学分析。并且，为了更好的评估个体化精准穿刺椎体强化术对骨质疏松性椎体压缩骨折疗效，本研究基于真实的手术前后CT数据建立楔形型、双凹型和塌陷型骨折的有限元模型，采用有限元分析方法，探讨了个体化精准穿刺椎体强化技术对不同压缩类型骨质疏松性椎体压缩骨折终板、邻近椎体终板以及椎间盘的生物力学影响。这对于理解和改进个体化精准穿刺椎体强化技术在临床治疗骨质疏松性椎体压缩骨折具有重要意义。

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个体化精准穿刺椎体强化治疗不同类型骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学分析

Biomechanical analysis on treatment of different types of osteoporotic vertebral compression fractures with individualized precise puncture vertebral augmentation

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