骨質疏松性椎體壓縮骨折中生物力學變化的有限元研究進展

陳缽 張曉剛 秦大平,* 宋敏 張宏偉 趙希云 王志鵬 馬濤 權禎

1.甘肅中醫藥大學中醫臨床學院，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730000

骨質疏松性椎體壓縮性骨折(osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF)是最為普遍且嚴重的骨質疏松并發癥，常發生在胸腰椎移行區域，當椎體受到超過自身結構強度的負荷應力時發生。由于耗費高、危險大、病死率高，受到全世界的關注[1]。針對OVCF的治療，經皮椎體成形術、經皮椎體后凸成形術和中醫保守治療中功能鍛煉、功能復位以及臥床休息等方法是目前的主要治療方法[2]，其效果不言而喻。分析椎體在不同情況下的受力情況，對于探討該病損傷機制以及參考給出預防措施有著重大的價值，有限元分析法(finite element analysis，FEA)是一種非破壞性的工具，它在預測機械性能方面有很大的潛力，能通過計算機模擬并反映OVCF傷椎的受力情況[3]，在脊柱生物力學研究方面有著獨特的優勢，很多傳統力學和數學工具無法解決的骨科力學問題，通過FEA能夠得到全面的信息[4]。本文不詳細闡述FEA的具體步驟，而是針對FEA進行OVCF臨床研究方法的新研究進展、近年來臨床研究中的成果及新的參考指導作用進行綜述，并探討FEA存在的一些問題以及在未來發展中的方向。

1 FEA的簡介及基本原理

自1974年Belytschko等[5]首次將FEA應用于骨科領域已有40多年，現仍廣泛用于脊柱生物力學中研究骨骼結構應力分析[6]。1978年，Lin等[7]建立首個腰椎椎間盤有限元模型后，該類模型的建立也越來越完整精確[8-10]。Zander等[11]在2001年進一步挑戰有限元模型的完整性，其證實椎間盤應力的分布在加入肌肉有限元模型的應力后較前差異顯著。隨后，肌肉有限元模型開始逐步成形[12]。繼前人研究，Rohlmann等[13]詳細化、具體化了有限元模型，其通過建立肌肉作用力的模型并證明了該模型有效地模擬了人體的運動。

FEA作為一種離散化數值計算方法，其獨特優勢和有效性已成為骨科生物力學研究方法之一[14]。基本原理是將自由連續體進行離散化，即將其分割成有限個小單元集合體，再根據幾何材料的特性和應力情況，采用不同類型的小單元，再得出每個小單元的作用方程，將整個自由連續體的單元組合成系統方程，最終求解系統方程問題[15]。為使更加真實逼真，目前，有限元模型能模擬椎間盤、前縱韌帶、后縱韌帶等結構，這樣可使得有限元模型更可靠，對于各個工況下的受力情況和不同運動階段的生物力學作用變化趨勢更加精確化。

2 FEA在OVCF損傷機制中的分析應用

OVCF的發生大多是由于直接或間接暴力而致椎體應力環境的變化而導致，周雙珍等[16]建立的模型說明骨量少的區域在相同應力下，其應變較骨量多的區域增大，在該區域下，OVCF風險升高。對此，Kuijer等[17]進一步得出，超25 kg的載荷是OVCF另一高風險因素。Das等[18]的模型說明骨折改變了傷椎椎體內在應力分布，繼而導致脊柱內部生物力學環境變化，由于傷椎周圍和前緣的應力增大，從而增加了相鄰椎體再骨折的風險高達5～12.6倍。對此，馮杰榮等[19]進一步說明相鄰椎體應力和傷椎前緣壓縮程度呈正相關，當壓縮比例超過30%，尤其是在軸向壓縮狀態，傷椎相鄰椎體的終板應力明顯增加并達到最大，其次是前屈和后伸，這也與陳超等[20]的研究相符合。因此，建議在手術治療時，盡量糾正脊柱后凸畸形和椎體前緣高度，達到降低相鄰椎體再骨折風險的目的。FEA可以反映不同工況下該骨折的損傷機制以及傷椎相鄰椎體的力學動態變化情況，為指導臨床預防該骨折的發生以及術后功能康復鍛煉提供參考。

3 FEA在手術治療OVCF中的分析應用

OVCF的治療是為了改善骨質結構和骨強度的相關指標，恢復脊柱穩定性和椎體高度，預防相鄰椎體發生再骨折，降低相鄰椎體由于應力分布不均而導致骨折風險[21]。隨著治療方式的不斷更新，對于脊柱骨折相關疾病的治療，微創術式成為骨科的主流治療方式和重要發展方向。FEA能無創地探查人體內部應力情況，反映骨折部位狀況，分析和預測術前術后的力學變化[22]，與現如今微創術式趨勢相結合，無疑將其潛力充分發揮。

近年來兩種椎體強化術，經皮椎體成形術(PVP)與經皮椎體后凸成形術(PKP)成為OVCF的標準術式。隨著科學的發展，其穿刺技術、材料工具和骨水泥等的不斷改進，得到了大部分的臨床醫師的廣泛應用[23]。兩種技術是將骨水泥注射到骨折椎體中，通過穩定骨折裂隙，減少由體重和活動產生的機械應力，達到穩定骨折、緩解疼痛的治療目的[24-25]。PKP出現時間較晚，是在PVP基礎上改良所得，對于兩者安全性和其他方面的對比成為研究的熱點問題[23，26]，隨著FEA的廣泛應用，近年來對于該熱點相關問題有了進一步進展。

3.1 FEA在對比兩種椎體強化術中的應用

郭秀珍等[27]建立的PVP、PKP有限元對比模型表明L1、T11三明治骨折治療前后，PVP模型胸腰段的剛度變化不顯著，變形量和最大應力變化在夾心椎處基本無顯著的改善。對比PKP模型，胸腰段剛度顯著增加，最大應力變化及變形量明顯減少，這也就證實了PKP術后生物力學特性優于PVP，與邱貴興等[2]的研究相符，這也進一步探究了兩種術式骨水泥強化后脊柱椎體生物力學變化對比以及產生的影響，為臨床醫師提供了重要參考信息。

3.2 FEA對椎體強化術的參考應用

椎體強化術一般應用于恢復傷椎強度和高度，注射的骨水泥材料一般選用PMMA，但臨床上在骨水泥注射量的選擇上還沒有統一的標準。早年研究發現，當注射量在1 mL時，椎體的初始剛度恢復小于15%，而注射量達3.5 mL時，初始剛度即可恢復[28-29]。Belkoff等[30]認為恢復椎體強度應注入2 mL，恢復剛度則注入4 mL。另一方面，李家瓊等[31]的有限元模型闡述了尤其是在扭轉工況下，隨著注射量的增加或者骨質疏松程度的加重，會導致椎體應力增加，由此認為嚴重骨質疏松患者為防止較大應力產生，應選擇小劑量注入，且建議患者少做扭轉動作，同時還建議針對不同骨質疏松患者給予不同的骨水泥量，對于骨質疏松程度輕、傷椎變形大的患者，注入量為3.6 mL；程度重、傷椎變形小的注入量為1.8 mL，此劑量能有效減少椎體應力的增加，且亦可恢復傷椎剛度繼而減小再骨折風險；最后，不僅程度重，而且變形嚴重的患者，選取注入3.6 mL，限制生活中患者活動，保證傷椎剛度。對此，李飛虎等[32]亦說明這一點，并建議在PVP術前術后對于骨質疏松癥的治療亦必須嚴格規范進行。此外，盧昌懷等[33]還說明在不同工況下，注入量的不同和分布的不同，相鄰椎體的受力情況亦不同，因此，不僅僅注入量和分布能影響椎體骨折和再骨折的風險，還與椎體應力環境、載荷方向有關。

3.3 FEA在椎體成形術中對比分析應用

對于穿刺入路方式，劉祥飛等[34]通過建立有限元模型后說明單側入路和雙側入路的PVP生物力學效果相近，這于Sun等[35]的研究結果相符，并利用穿刺針定位，對于OVCF的治療，單側與雙側入路PVP相比，單側入路手術時間和X線暴露次數上優于雙側入路。此后，馬航展等[36]通過臨床實驗對比亦證明了這點。對于椎體高度，趙文韜等[37]建立的有限元模型闡明了傷椎椎體的椎體高度恢復后，能改善相鄰椎體的應力環境，減少其所受應力，并減少相鄰椎體再骨折風險，因此，在行椎體強化術時應盡量恢復傷椎椎體高度。

4 結語與展望

近年來，FEA作為一種耗時短、費用少、可重復且無損的研究手段，廣泛應用于脊柱生物力學領域，OVCF模型朝更完整化、精細化、準確化方向發展。但是，人體結構錯綜復雜，尤其是老年骨質疏松患者，隨著骨量的丟失，其內部生物力學環境的變化大，針對不同患者如何做到快速設計個體化差異，為FEA帶來不小挑戰。FEA強于分析靜態下椎體強度和高度以及椎體內部應力，而脊柱常處于動靜轉化狀態，其在分析運動時不足，這是未來FEA的一個重要發展方向。另外，針對OVCF的手術方式必然不斷更替，FEA如何更好地術前仿真、術中觀測及術后指導，亦是FEA發展的重要方向。而且，FEA所模擬的椎體載荷情況是否與現實情況相吻合，即是否符合臨床，是值得商榷的問題，需進一步行離體或在體實驗對比驗證。最后，受限于大量的數據運算和建模時間長以及極其復雜的人體結構，FEA對于更好地模擬椎體真實受力情況還有很大的發展空間。相信FEA克服上述困難后，能在早期預防并診治OVCF上更加可靠，成為更加精確預測骨折風險、定量分析椎體強度的一種無損性新型研究工具，為指導臨床、改善患者生活質量提供價值。