籍超超 何 仿 周 濤(通訊作者)

(安徽醫(yī)科大學(xué)馬鞍山臨床學(xué)院骨科中心，安徽 馬鞍山 243000)

隨著人口的老齡化，骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折發(fā)病率越來越高，目前治療骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的一種安全有效的手術(shù)方法就是經(jīng)皮椎體成形術(shù)(PVP)，主要是指經(jīng)皮通過椎弓根或者椎弓根外向椎體內(nèi)注入骨水泥，從而發(fā)揮出提高椎體強(qiáng)度及穩(wěn)定性的作用，有效緩解患者疼痛感，在臨床上取得了一定治療價值，尤其是針對骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折，明顯減輕患者頑固性腰背疼痛情況，受到臨床及患者廣泛認(rèn)可。隨著臨床對PVP手術(shù)的廣泛使用，術(shù)后相鄰椎體再骨折發(fā)生率較高受到重點關(guān)注[1]。為了研究這種相鄰椎體的骨折是否與PVP術(shù)有關(guān)，前人通過有限元分析的方法進(jìn)行模擬研究，但是通過檢索和閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，之前各位學(xué)者研究的基本都是發(fā)病率較高的單個椎體骨折的PVP術(shù)對相鄰節(jié)段的影響[2-3]，現(xiàn)探討對新鮮骨折行PVP術(shù)是否會增加相鄰椎體壓縮性骨折的風(fēng)險?我們通過有限元分析技術(shù)進(jìn)一步研究這種特殊情況。報告如下。

臨床資料

1 一般資料：選取1例兩個相鄰椎體骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的患者(男性，77歲，171cm，65kg，簽署知情同意書)，排除脊柱畸形、破壞等病理性病變，MRI證實T12為新鮮骨折，L1為陳舊性骨折。

2 有限元模型的建立：從醫(yī)院影像數(shù)據(jù)庫獲取患者胸腰段T11-L2的CT掃描數(shù)據(jù)(CT掃描采用64排螺旋CT機(jī)，具體參數(shù)為 GE Lightspeed 64 排 CT，層厚 0.625mm)。

2.1 圖像處理階段：采用Materialise公司開發(fā)的Mimicsl6.0軟件對提供的DICOM文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，來實現(xiàn)二維CT數(shù)據(jù)的三維實體化，并導(dǎo)出STL文件，做好模型建立的基礎(chǔ)工作。

2.2 曲面擬合及PVP術(shù)前、術(shù)后模型建立階段：由于軟件轉(zhuǎn)化和處理初步得到的T11-L2椎體三維幾何模型比較粗糙，呈現(xiàn)出三角面片模型，其中存在著扭曲、畸形、表面過于粗糙等多種不良結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。為了解決這一問題，我們將在Geomagic Studio2014軟件中導(dǎo)入STL文件，對之前Mimicsl6.0軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行三角面片細(xì)分、降噪以及光順化處理；選擇較小劑量的4ml，最終形成T11-L2的PVP術(shù)后三維幾何模型。

2.3 有限元幾何模型處理完善階段：對逆向處理好的胸腰段T11-L2椎體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)補充[4]。通過模型處理，完成胸腰段T11-L2對應(yīng)的PVP術(shù)前模型(PVP術(shù)后模型直接在網(wǎng)格模型上處理)。

3 有限元網(wǎng)格的劃分：將胸腰段T11-L2結(jié)構(gòu)模型IGES文件導(dǎo)入Hypermeshl3.0軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出BDF格式文件，最后在 MSC.Patran/Nastran2012軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格2次處理和其他組織網(wǎng)格劃分，完成胸腰段T11-L2的PVP術(shù)前網(wǎng)格模型和PVP術(shù)后網(wǎng)格模型。胸腰段T11-L2模型網(wǎng)格劃分情況：共計80147個節(jié)點(nodes),374559個4面體單元(Tet4elements)；胸腰段各椎體、各椎間關(guān)節(jié)、各椎間盤均采用實體單元網(wǎng)格；關(guān)節(jié)處設(shè)置摩擦系數(shù)為0.2；各韌帶采用兩節(jié)點非線性彈簧單元(lD Spring element)，胸腰段各結(jié)構(gòu)之間保持網(wǎng)格節(jié)點協(xié)調(diào)對應(yīng)，完全接觸，確保受力正常傳遞。

4 邊界條件的假定：對胸腰段T11-L2有限元模型邊界約束條件進(jìn)行假定。(1)采用固定約束L2椎體下表面及下關(guān)節(jié)區(qū)域，來限制6個方向的自由度。(2)假定骨結(jié)構(gòu)為各向同性、均勻、連續(xù)的線彈性材料。(3)假定椎間盤纖維環(huán)為各向同性、均勻、連續(xù)的線彈性材料，髓核為黏彈性材料。(4)假定韌帶為兩節(jié)點1D的非線性彈簧單元，定義為彈塑性材料。(5)對胸腰段T11-L2的PVP術(shù)前及術(shù)后模型于T11上表面均勻加載豎直載荷500N(模擬生理狀態(tài)下的軸向應(yīng)力作用)[5-6]，將T11上表面點全部耦合于某個參考點，此參考點位于胸腰椎的旋轉(zhuǎn)中心上方，以便直接施加運動附加力10 N·M，來模擬前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)等計算工況下的胸腰段T11-L2生物力學(xué)特性。見圖1-2。

圖1 直立狀態(tài)下PVP術(shù)前T11-L2椎體應(yīng)力圖

圖2 直立狀態(tài)下PVP術(shù)后T11-L2椎體及椎間盤應(yīng)力圖

5 結(jié)果：各狀態(tài)下各組織結(jié)構(gòu)術(shù)前術(shù)后的應(yīng)力變化無明顯差異。見表1。

表1 PVP術(shù)前和術(shù)后模型不同部位在不同體位下的應(yīng)力表(Mpa)

討 論

各位學(xué)者在之前的研究當(dāng)中得出這樣的結(jié)論：三維有限元力學(xué)分析在老年骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的力學(xué)研究當(dāng)中具有良好的應(yīng)用前景及臨床價值;PVP術(shù)中較小劑量的骨水泥的注入是安全有效的，不會增加鄰近椎體骨折的風(fēng)險[7-8]。本研究借助前人的經(jīng)驗，也延伸了前人的思路，研究椎體骨折的一種特殊情況：2個相鄰椎體骨折(一個陳舊性骨折、一個新鮮骨折)的有限元分析。得出這樣的結(jié)論：胸腰段相鄰兩椎體新舊骨折中對其新鮮骨折實施PVP術(shù)理論上不會增加上下相鄰兩個椎體骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折的風(fēng)險。

通過有限元方法對胸腰段T11-L2植入骨水泥術(shù)前術(shù)后模型進(jìn)行定量定性的生物力學(xué)研究，得出具有一定借鑒意義的生物力學(xué)結(jié)論，從理論角度研究其力學(xué)行為變化，為推動胸腰椎PVP術(shù)的生物力學(xué)發(fā)展起到一定的作用。但是本文畢竟是基于有限元方法進(jìn)行研究的，屬于純理論研究，其邊界條件約束、材質(zhì)屬性等假設(shè)，與胸腰椎實際受力存在一定的差異。因此，理論研究的成果更多以從趨勢和定性角度借鑒，如果需要更高精度的定量研究，在結(jié)合理論研究的同時，還應(yīng)該進(jìn)行大量的實驗佐證和臨床的驗證，實驗的佐證可以更好地確保醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。