功能復(fù)位椎體強(qiáng)化治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的有限元分析＊

趙文韜，秦大平，張曉剛＊＊，王志鵬，仝 尊

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院 蘭州 730000；2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院脊柱外科 蘭州 730020；3.云南中醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)院 昆明 650500）

中醫(yī)在針對骨折治療后骨折移位不能滿足解剖復(fù)位的實(shí)際情況提出了骨折功能復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)，并在長期中醫(yī)骨傷科臨床過程中加以實(shí)踐。《中國骨傷科學(xué)辭典》把其定義為：功能性對位是指經(jīng)過努力而不能達(dá)到解剖學(xué)或者接近解剖學(xué)對位時(shí)，為了不影響肢體功能，而要求達(dá)到的對位稱功能性對位，又稱功能復(fù)位[1]。骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折（Osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF）繼發(fā)于骨質(zhì)疏松癥，可因輕微暴力沿著脊柱縱軸傳導(dǎo)，產(chǎn)生脊柱軸向壓縮力而導(dǎo)致，伴隨人口老齡化出現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥人群增加，OVCF患者逐漸增多的現(xiàn)象，而OVCF發(fā)病率中骨折部位以胸腰椎骨折最多（28.24%）[2]。椎體強(qiáng)化技術(shù)治療OVCF的方法是通過將骨水泥經(jīng)皮注射到骨折椎體中，以達(dá)到快速穩(wěn)定骨折、緩解疼痛的治療目的[3,4]。臨床運(yùn)用發(fā)現(xiàn)患者椎體強(qiáng)化治療前骨折椎體前緣高度丟失與術(shù)后高度丟失均較正常有顯著性差異，雖然治療未能恢復(fù)到解剖復(fù)位，但是臨床療效滿意[5]。這種現(xiàn)象是否存在著生物力學(xué)因素的影響，傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究方法由于難以還原實(shí)際臨床治療患者的真實(shí)情況，研究具有一定的難度。而運(yùn)用有限元分析（Finite element analysis，F(xiàn)EA）的方法則可以通過計(jì)算機(jī)模擬還原較為真實(shí)的OVCF椎體強(qiáng)化治療狀態(tài)，還可以將實(shí)際臨床病例的影像資料還原為接近真實(shí)情況的三維數(shù)字模型，通過對三維模型進(jìn)行有限元生物力學(xué)分析則可以進(jìn)一步了解骨折椎體局部的生物力學(xué)變化情況。

因此本文就OVCF椎體強(qiáng)化治療過程中骨折椎體高度不能達(dá)到解剖復(fù)位但療效滿意的臨床問題，結(jié)合中醫(yī)骨傷功能復(fù)位理論，利用計(jì)算機(jī)有限元分析的方法尋找具體的生物力學(xué)依據(jù)。

圖1 原始三維模型和優(yōu)化后的三維模型

圖2 三維模型結(jié)構(gòu)分解圖

1 方法

1.1 納入患者

本研究經(jīng)甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。研究納入4名女性T12 OVCF志愿者。OVCF的納入標(biāo)準(zhǔn)為（參考《2017原發(fā)性骨質(zhì)疏松診療指南》）：1.急性、輕度或中度暴力造成的骨折；2.腰背部疼痛視覺模量（VAS）評分≥評分；3.受傷椎體MRI檢查T1加權(quán)像呈高信號，T2加權(quán)像呈低信號；4.通過雙能X射線（Dual-energy X-ray，DXA）測定骨密度T密度2.5[6]。排除標(biāo)準(zhǔn)：其他病理性骨折。四名患者的年齡分別為63、71、77和84歲。行充分告知后，患者簽署知情同意書。

1.2 CT掃描

患者進(jìn)行脊柱CT掃描，掃描節(jié)段從T11水平到L1水平，掃描層厚為0.625 mm。患者椎體強(qiáng)化后CT影像通過Genant半定量方法進(jìn)行分級，分別被分為0-3級各1例：椎體骨折畸形的程度分為正常（0度）、輕度（1度）、中度（2度）和重度（3度）骨折，其中輕度（1度）椎體骨折是指椎體前后的高度差小于20-25%；中度（2度）椎體骨折是指上述椎體高度差在25-40%之間；重度（3度）椎體骨折是指上述椎體高度差超過40%[7]，不同椎體高度差通過CT三維重建影像進(jìn)行椎體前后緣高度測量后計(jì)算得到。所有CT影像都通過醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通訊（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）格式保存，用于三維FEA模型的生成。

1.3 T11-L1和T12骨折三維模型的構(gòu)建

將DICOM影像導(dǎo)入交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)Mimics10.01軟件（Materialize，Inc.，比利時(shí)）。首先使用閾值分割命令將骨骼和軟組織分離；然后使用編輯蒙版工具編輯圖像形狀，選擇所需區(qū)域；接下來使用區(qū)域增長命令逐層分割出所需的骨骼結(jié)構(gòu)；最后，通過蒙板重建T11、T12、L1三個(gè)椎體，生成T11、T12、L1椎體（其中骨皮質(zhì)厚1 mm）的三維模型。重建的三維模型以STL格式保存。

將STL格式的模型導(dǎo)入到自動(dòng)逆向工程軟件Geomagic 2012（Geomagic，Raindrop Geomagic，美國）后得到原始三維模型（圖1a），通過軟件對骨骼模型分別進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過程中根據(jù)需要進(jìn)行特征去除，重劃網(wǎng)格，快速光順，降噪，刪除釘狀物、填充空缺部分等操作，待模型呈現(xiàn)表面光滑、輪廓清晰，外觀與真實(shí)狀態(tài)完全一致以后進(jìn)行編輯輪廓線，構(gòu)造曲面片，擬合曲面等命令生成曲面模型（圖1b）。Geomagic生成的模型以STP格式分別保存。將STP格式的模型導(dǎo)入到Solidworks 2012軟 件（Dassault Systems，SolidWorks Corp.美國），利用裝配體命令將T11、T12、L1椎體三維模型裝配后轉(zhuǎn)為零件，使用曲面和特征命令：等距曲面、分割、組合等來生成終板、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤（包括髓核和纖維環(huán)）（圖2），再通過裝配命令將這些結(jié)構(gòu)裝配獲得所需的三維模型。最后參考先前文獻(xiàn)報(bào)道的模擬方法，使用曲面命令切割椎體產(chǎn)生0.5 mm骨折線，T12椎體OVCF骨折的模型[8]。

1.4 T12椎體強(qiáng)化術(shù)后模型的構(gòu)建

通過Solidworks軟件生成一個(gè)體積為4 mL的圓柱模型，用于模擬注入后的骨水泥。將之前生成的T12模型導(dǎo)入Solidworks軟件，運(yùn)用裝配體命令將骨水泥模型組裝在椎體中央位置，然后通過布爾運(yùn)算功能去除多余的骨骼，最后再將骨水泥模型組裝至椎體空腔處。由此獲得單側(cè)骨水泥注射椎體強(qiáng)化術(shù)后的T12椎體三維模型。最后，通過Solidworks軟件將T12-L1椎體、骨水泥、椎間盤、終板和軟骨等各種模型進(jìn)行裝配即可生成整體的三維模型。最終得到四個(gè)強(qiáng)化術(shù)后不同T12椎體高度的三維模型（圖3）。

圖3 四個(gè)不同T12高度的三維模型

1.5 有限元分析前處理

對三維模型進(jìn)行FEA前處理，將包括T12-L1椎體、骨水泥、椎間盤、終板和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨等部分的三維模型導(dǎo)入ANSYS 17.0軟件（ANSYS，Canonsburg，PA，美國），補(bǔ)充相關(guān)結(jié)構(gòu)，包括前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、黃韌帶和關(guān)節(jié)囊。參考近期關(guān)于OVCF研究中所使用的材料屬性對之前構(gòu)建的三維模型各個(gè)部分進(jìn)行材料屬性賦值（表1）[9-12]。所有模型均定義為各向同性材料，其中皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、關(guān)節(jié)軟骨和髓核定義為線性各向同性彈性材料的固體單元，前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、黃韌帶和關(guān)節(jié)囊的單元類型定義為張力變形無壓縮。網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)和單元由軟件生成，終板、關(guān)節(jié)軟骨、骨折線和椎間盤劃分為2 mm的網(wǎng)格，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨水泥劃分為5 mm的網(wǎng)格。終板與椎體、終板與椎間盤、關(guān)節(jié)軟骨與骨骼之間的連接定義為綁定，關(guān)節(jié)軟骨與關(guān)節(jié)軟骨之間的連接定義為無摩擦（圖4）。

1.6 有限元分析

本研究模型在分析前通過驗(yàn)證，證實(shí)結(jié)果與在不同載荷下與文獻(xiàn)研究結(jié)果基本一致[13-15]。固定L1椎體下終板，自T11椎體上緣分別施加垂直壓縮、屈曲、右側(cè)屈、左側(cè)屈四種不同的載荷，使用四個(gè)不同椎體高度T12椎體強(qiáng)化術(shù)后模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。所有模型施加500 N的垂直壓縮載荷，7.5 N.m的屈曲、左側(cè)屈、右側(cè)屈扭矩。參考脊柱三柱理論，載荷前中柱分配85%，后柱分配15%載荷[16]。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

提取T12椎體強(qiáng)化術(shù)后T12椎體在不同狀態(tài)下的von Mises應(yīng)力，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，統(tǒng)計(jì)分析使用 SPSS 14.0軟件（BM Corp.，Armonk，NY，美國），以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 有限元分析模型材料屬性

圖4 網(wǎng)格化后有限元模型

2 結(jié)果

椎體強(qiáng)化術(shù)后T12椎體壓力具體結(jié)果（圖5，表2）表現(xiàn)可以通過受力云圖顯示（圖6）。T12不同椎體高度之間應(yīng)力差異P＞0.05。

圖5 椎體強(qiáng)化術(shù)后T12椎體載荷

表2 椎體強(qiáng)化術(shù)后T12椎體載荷(MPa)

3 討論

骨質(zhì)疏松癥是一種以骨量減少和骨組織結(jié)構(gòu)性破壞為特點(diǎn)的全身性的骨病，其特點(diǎn)是骨量減少，骨組織顯微結(jié)構(gòu)破壞，骨脆性增加，易于產(chǎn)生骨折[17]。OVCF則是伴隨人口老齡化后骨質(zhì)疏松癥高發(fā)出現(xiàn)的一個(gè)重要健康問題[18]，由于骨質(zhì)疏松癥患病率和人類預(yù)期壽命的增加，OVCF的發(fā)生率也在上升[19]。目前OVCF的治療已成為日益普遍而且治療費(fèi)用昂貴的公眾健康問題[20]，經(jīng)過保守治療后多數(shù)病例的疼痛會逐漸緩解，但不少患者的軀體疼痛仍會持續(xù)存在，同時(shí)還可以出現(xiàn)嚴(yán)重的脊柱畸形，并最終導(dǎo)致相關(guān)遠(yuǎn)期并發(fā)癥，例如肺功能下降、消化功能紊亂、步態(tài)異常、及鄰近椎體骨折產(chǎn)生[21]，OVCF還存在潛在的不穩(wěn)定性，容易發(fā)生骨折不愈合導(dǎo)致節(jié)段失穩(wěn)，形成假關(guān)節(jié)或者后凸畸形愈合等[22]，因此治療存在一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。OVCF的非手術(shù)治療適用于癥狀及體征較輕，影像學(xué)檢查為輕度壓縮骨折、無法耐受手術(shù)者。椎體強(qiáng)化手術(shù)治療適用于非手術(shù)治療無效、疼痛明顯，不宜長時(shí)間臥床者；不穩(wěn)定壓縮骨折、骨折塊不愈合或內(nèi)部囊性變、椎體壞死，能耐受手術(shù)者，治療方法可選經(jīng)皮椎體成形術(shù)（Percutaneous vertebroplasty，PVP）和經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)（Percutaneous kyphoplasty，PKP）兩種椎體強(qiáng)化手術(shù)，因?yàn)镻VP手術(shù)潛在較大的骨水泥滲漏風(fēng)險(xiǎn)而目前更多的傾向于PKP治療[23]。因?yàn)镺VCF患者非手術(shù)治療由于長期臥床可能造成諸多的并發(fā)癥[24]，而椎體強(qiáng)化手術(shù)的出現(xiàn)，因其創(chuàng)傷小、能有效緩解疼痛，可早期下床活動(dòng)以及減少老年人長期臥床的并發(fā)癥而被廣泛使用，如今這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為治療疼痛性椎體壓縮骨折的金標(biāo)準(zhǔn)[25]。

中醫(yī)功能復(fù)位理論已經(jīng)在國內(nèi)中醫(yī)骨傷科及中西醫(yī)結(jié)合骨科得到廣泛的認(rèn)可，功能復(fù)位是指骨折復(fù)位雖盡了最大的努力，某種移位仍未完全糾正，但骨折在此位置愈合后，對肢體功能無明顯妨礙者[26,27]。該理論的運(yùn)用還得益于中國中西醫(yī)結(jié)合治療骨折的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，尚天裕教授等前輩提出了“動(dòng)靜結(jié)合，筋骨并重，內(nèi)外兼治，醫(yī)患合作”的原則，認(rèn)為功能是骨折治療的生命，在實(shí)踐中系統(tǒng)地總結(jié)出一套骨折復(fù)位的標(biāo)準(zhǔn)并稱之為“功能復(fù)位”，針對胸腰椎壓縮骨折，即不主張對胸腰椎壓縮骨折用機(jī)械外力強(qiáng)行復(fù)位，也不同意對其畸形置之不理[28]。OVCF發(fā)生后傷椎的前柱高度一般會存在不同程度的丟失，局部在矢狀位上呈現(xiàn)后凸，嚴(yán)重時(shí)甚至引起脊柱失衡[29]，椎體強(qiáng)化治療后，壓縮椎體高度的恢復(fù)在椎體前、中部可以恢復(fù)到原椎體高度的81%和78%[30]，而且使用中醫(yī)復(fù)位手法結(jié)合手術(shù)的結(jié)果也是一樣的[31]，盡管沒有達(dá)到解剖復(fù)位，但是臨床療效是肯定的。這說明在脊柱椎體壓縮骨折的治療過程中功能復(fù)位現(xiàn)象是客觀存在的，但如何滿足功能復(fù)位的要求，復(fù)位多少才能夠稱為功能復(fù)位，這個(gè)問題不論是中醫(yī)還是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)均沒有一個(gè)確切的答案。本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)盡管術(shù)后椎體高度恢復(fù)不一致，但術(shù)后傷椎椎體所承受的載荷并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，為OCVF椎體強(qiáng)化治療后功能復(fù)位的可行性提供了生物力學(xué)依據(jù)。

圖6 椎體強(qiáng)化術(shù)后T12椎體載荷云圖

FEA又稱有限元法，通過計(jì)算機(jī)模擬的方法研究力學(xué)問題，成為了現(xiàn)代生物力學(xué)發(fā)展的一個(gè)巨大成就[32]。FEA方法能夠用來檢測人體模型當(dāng)中每個(gè)部分內(nèi)在的相互作用[33]，可以用來分析骨質(zhì)疏松椎體壓縮骨折的生物力學(xué)變化[34]。FEA證實(shí)椎體強(qiáng)化術(shù)可以恢復(fù)骨折椎體的機(jī)械穩(wěn)定性，預(yù)測到骨水泥增強(qiáng)術(shù)后骨折椎體可以具有長期的穩(wěn)定性[7]。FEA還證實(shí)椎體強(qiáng)化術(shù)中骨水泥量增加以后可以導(dǎo)致相鄰椎體骨折風(fēng)險(xiǎn)增加[35]，使用大體積的骨水泥對增加繼發(fā)椎體骨折具有顯著影響[36]。然而這些研究并沒有具體研究椎體強(qiáng)化后骨折椎體功能復(fù)位椎體的生物力學(xué)變化。

綜上，文章通過將功能復(fù)位的理論問題與OVCF椎體強(qiáng)化治療的臨床問題利用FEA方法進(jìn)行研究，是對中醫(yī)骨傷功能復(fù)位理論進(jìn)行科學(xué)研究的一種嘗試。通過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)椎體強(qiáng)化治療后，盡管骨折椎體高度只能達(dá)到功能復(fù)位的水平，但是不同高度之間的力學(xué)載荷差異并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與臨床研究成果當(dāng)中發(fā)現(xiàn)功能復(fù)位后臨床效果的結(jié)果是一致的，進(jìn)一步證實(shí)了中醫(yī)功能復(fù)位的可靠性和科學(xué)性。

但是本研究仍然存在不足，最主要問題為三維模型和實(shí)際人體結(jié)構(gòu)還有一定差距，只能夠有限地模擬人體狀況；此外對鄰近椎體及肌肉、韌帶、軟組織的研究不理想，因此在今后的研究當(dāng)中還有進(jìn)一步提高的空間。

4 結(jié)論

本研究的目的在于通過有限元分析的方法尋找中醫(yī)功能復(fù)位理論指導(dǎo)椎體強(qiáng)化術(shù)治療OVCF的生物力學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果證實(shí)盡管椎體強(qiáng)化術(shù)后傷椎椎體高度恢復(fù)不同，但椎體應(yīng)力變化無顯著差異，結(jié)合中醫(yī)功能復(fù)位的相關(guān)理論，可以認(rèn)為椎體強(qiáng)化術(shù)后椎體的復(fù)位達(dá)到了功能復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)，而且在椎體強(qiáng)化術(shù)后傷椎達(dá)到功能復(fù)位即可滿足臨床治療需要，說明中醫(yī)功能復(fù)位適用于指導(dǎo)椎體強(qiáng)化術(shù)的臨床治療。在不考慮其他周圍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力改變的前提下，為了滿足環(huán)節(jié)臨床治療的需要，達(dá)到盡快緩解患者癥狀的目的，OVCF椎體強(qiáng)化治療只要達(dá)到功能復(fù)位即可，并不要求絕對追求傷椎椎體高度的恢復(fù)。

該研究從有限元分析生物力學(xué)研究的角度，論證了中醫(yī)功能復(fù)位理論的科學(xué)性和可行性，也進(jìn)一步證實(shí)了中醫(yī)功能復(fù)位理論指導(dǎo)OVCF椎體強(qiáng)化治療的臨床實(shí)用性。

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