有限元分析过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的椎间盘动态力学

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.04.005

摘要/Abstract

摘要：

背景：过伸复位法治疗胸腰椎压缩性骨折具有治疗效果好、费用低、损伤轻、疗效快等优点，但临床应用缺乏规范，对手法的作用机制研究相对不足。
目的：利用有限元分析法观察过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折椎间盘的动态生物力学特性。
方法：依据1例T12椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom 3.0标准的CT图片建立T₁₂椎体单纯压缩性骨折的有限元模型，在对模型有效性进行验证后，模拟过伸复位手法，约束L₂下端所有面，给T₁₁椎体上端一个纵向牵引力，分别于T₁₁，T₁₂，L₁椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3.0 cm的位移。程序运算，读取受压椎骨上下椎间盘的受力情况。
结果与结论：建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型。复位手法作用后椎间盘发生明显的牵张，在不同过伸支点椎间盘的受力不同。提示过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折疗效确切，椎间盘在骨折复位中发挥重要作用，利用有限元法分析传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点。

关键词: 胸腰椎, 压缩骨折, 过伸复位, 椎间盘, 有限单元法

Abstract:

BACKGROUND: Hyperextending treatment for thoracolumbar spine compression fracture has the advantages of good effect, low cost, light damage, and rapid effect. However, clinical application lacks of specification, the mechanism of practices is relative inadequate.
OBJECTIVE: To explore the dynamic biomechanical characteristics of intervertebral disk with the treatment of thoracolumbar spine compression fracture by hyperextending based on finite element method.
METHODS: The finite element model of compression fracture of T₁₂ based on the 210-layer consecutive CT DICOM format images from one patient of compression fracture of T₁₂ was constructed. The hyperextending was stimulated after effective verification of model. All surfaces of the lower of T₁₂ was restrained, a vertical traction at the top of T₁₁ was imposed, and a 3 cm-displacement towards the vertebral by three steps at the top of spinous process of T₁₁, T₁₂, and L₁. The forces of the upper and lower intervertebral discs of compressed vertebrae were read by operational procedure.
RESULTS AND CONCLUSION: A realistic appearance and full biomechanical properties 3D finite element model of thoracolumbar spine compression fracture was established. The intervertebral disks were obviously stretched after hyperextending. The stress of intervertebral disk is different, when the hyperextending fulcrum is different. It is indicated that the treatment effect of thoracolumbar spine compression fracture by hyperextending is exact. The intervertebral disk plays an important role in bone fracture reposition. The mechanism of traditional practices with finite element method has many advantages, such as reliable experimental results, intuitive results, resource conservation and accurate practices.

中图分类号:

R318

刘迎军，李孝林. 有限元分析过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折的椎间盘动态力学[J]. 中国组织工程研究, 2011, 15(4): 589-592.

Liu Ying-jun, Li Xiao-lin. A dynamic biomechanical analysis of the intervertebral disk following thoracolumbar spine compression fracture treated with hyperextending based on finite element method[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2011, 15(4): 589-592.

参考文献

引言

材料方法

讨论

胸腰椎骨折是临床上常见的脊柱创伤，其发生率约占全身骨折的60%^[3]，以发生在T₁₁~L₄的最多，约占整个脊柱骨折的90%^[4]。脊柱胸腰段是脊髓圆锥和马尾神经所在的部位，严重的骨折或因治疗措施不当会造成脊髓功能不同程度的损伤而出现相应的截瘫症状^[5-6]。从目前手术治疗来看，手术过程中即使骨折复位很好，在治疗中也出现不少断钉、松棒等并发症^[7-8]。相对于手术治疗费用高、创伤大等缺陷，对于稳定性骨折而又没有合并神经功能损伤者大多还是采取保守治疗，即便是保守治疗也会因治疗过程中复位以及固定的生物力学应用不当多在骨折愈合后遗留腰背痛^[9]。为更深入地研究胸腰段骨折，提高治疗效果，减少患者的并发症，其生物力学研究显得尤为重要，尤其是过伸复位治疗的相关生物力学问题的研究显得更为迫切。

中医传统手法临床应用相当广泛，具有治疗效果好、费用低、损伤轻、疗效快等优点。但由于缺乏公认的规范和客观的定量标准，一直受到一些学者批评或质疑。如何应用先进的方法研究传统手法的相关生物力学问题显得非常重要。近年来已有不少学者利用先进的计算机技术和有限元分析方法研究传统手法，为手法的研究提供了一个广阔的前景^[10-11]。过伸复位法治疗胸腰椎压缩性骨折是应用了几千年的传统方法，目前在临床上仍被广泛使用^[12-14]。但在具体的使用中主要还是靠临床医生的经验，具有相当大的主观性，缺乏公认的规范和客观的定量标准。本文正是从这一点出发应用先进的有限元分析方法来探讨过伸复位手法的作用机制，为该手法的临床应用和优化提供一定的理论和实验依据。

尸体标本体外实验研究认为过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折主要靠前纵韧带和受伤椎骨上下椎间盘的牵拉，使发生压缩的椎体皮质骨被拉开而恢复原位^[15]。本文结果也证实了这一原理，通过对复位的不同时期的结果进行对比发现，在复位的不同时期前纵韧带所起的作用不同。在复位的早期前纵韧带的作用有限，但随着时间的延长，压缩椎体的复位位移增大其前纵韧带的作用逐渐体现。从复位开始到结束椎间盘都在发挥牵拉作用，上位椎间盘将压缩椎体向上牵拉，下位椎间盘则向下牵拉，二者发挥的作用相近，只是在不同的复位时期其发挥作用的大小不同，在复位的早期椎间盘的牵张力小，随着复位的延续椎间盘的牵张力逐渐增大，而且椎间盘在整个复位过程中的应力分布表现出非线性的特性，这既证实了过伸复位的有效性，也证实了本文所建模型的有效性。

大多数临床以及基础研究都认为过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折时过伸支点的位置应该在受伤椎骨的棘突顶点^[16]，但缺乏相应的比较研究。本文通过分别在受伤椎骨以及和其临近上下各一椎骨的棘突顶点施加过伸位移，比较过伸支点不同对复位的影响。研究结果证实当过伸支点在受伤椎骨的棘突顶点时复位最彻底，椎间盘的力学特性最稳定。

本文应用的方法相对于以往的传统生物力学实验研究方法具有独特的优势：①由于有限元模型根据原始资料的真实CT值被赋予了相应的物理特性，模型的特性与真实人体非常接近，这就使实验结论更加符合真实人体运动规律。②有限元方法将模型划分成有限个单元，每个单元的力学特性都可以被显示，分析结果显示直观、全面。③有限元模型一旦建成则可通过复制反复使用，极大的节约了资源。④本文将临床复位手法的力进行有效分解，然后施加到模型的面或节点上，根据需要调节力或位移的方向，全过程由计算机自动运行完成，这样使手法的模拟精确度高。

本文应用有限元分析法探讨过伸复位治疗胸腰椎单纯压缩性骨折的机制，其意义在于为手法复位治疗骨折的研究提供一种可靠而精确的研究方法，以进一步规范骨折复位手法、提高临床治疗效果。

[1]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.
[2]	高燕, 赵力聪, 赵洪增, 朱园园, 李杰, 桑德恩. 慢性椎间盘源性下腰痛患者脑静息态低频振幅的改变[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1160-1165.
[3]	刘志超, 张帆, 孙旗, 康晓乐, 袁巧妹, 柳根哲, 陈江. 不同静水压下人椎间盘髓核细胞的形态和活性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1172-1176.
[4]	杨洋, 姚羽, 沈孝天, 刘佳佳, 薛建华. 退变腰椎间盘中白细胞介素21的表达及意义[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 690-694.
[5]	徐银琴, 史红美, 王光义. 通痹方热敷联合针刺治疗对退变椎间盘细胞凋亡相关基因Caspase-3、Bcl-2 mRNA的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 713-718.
[6]	解志锋, 刘清, 刘冰, 张涛, 李琨, 张春秋, 孙艳芳. 腰椎间盘疲劳损伤的生物力学特性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 339-343.
[7]	梁彦, 赵永飞, 朱震奇, 刘海鹰, 毛克亚. 微创经椎间孔腰椎椎体间融合固定治疗椎间盘源性脊柱侧凸：冠状面和矢状面平衡的2年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 409-413.
[8]	钟远鸣, 万通, 钟锡锋, 吴卓檀, 何炳坤, 吴思贤. 弯角与单侧椎弓根入路椎体成形治疗骨质疏松性椎体压缩骨折有效性与安全性的Meta分析 [J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 456-462.
[9]	冯冠成, 方剑明, 吕浩然, 张东升, 韦家冬, 俞兵兵. 骨水泥弥散分布方式如何影响经皮椎体成形后的早期疗效[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3450-3457.
[10]	李岳飞, 李瑞, 任佳彬, 刘鑫, 孙宁, 刘维克, 毕经纬, 孙兆忠. 三维CT指导经皮内镜后外侧入路治疗胸椎间盘突出症建立良好的骨性通道[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(21): 3354-3359.
[11]	吴彦禹, 张春霖, 邵成龙, 严旭, 刘小康, 王永魁, 李东哲. 二维距离法和三维体积法对内镜下微创颈椎管成形后突出椎间盘再吸收的定量测量[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(21): 3390-3394.
[12]	钟远鸣, 何炳坤, 吴卓檀, 吴思贤, 万通, 钟锡锋. 芍药甘草汤治疗腰椎间盘突出症早期疼痛作用机制的网络药理学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(20): 3194-3201.
[13]	付远飞, 何升华, 赖居易, 孙志涛, 冯华龙, 蓝志明. 地龙提取物抑制核因子κB信号通路延缓椎间盘髓核细胞的退变[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(2): 264-268.
[14]	张凯, 张晓勃, 施锦涛, 王克平, 周海宇. 间充质干细胞治疗椎间盘退行性疾病：基于Web of Science数据库的文献计量及可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(19): 3031-3038.
[15]	孙亦强, 邢建强, 李雪城, 王欣, 田胜兰, 赵子豪, 耿晓鹏. 椎体后凸成形与椎体成形治疗老年骨质疏松性椎体压缩骨折：椎体高度恢复的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(18): 2851-2855.