經(jīng)皮骨移植增強的有限元研究

方曉清 付亞蘭

(浙江省瑞安市塘下人民醫(yī)院骨傷科，瑞安 325204)

經(jīng)皮椎體成形術(shù)(percutaneous vertebroplasty，PVP)和經(jīng)皮后凸成形術(shù)(percutaneous kyphoplasty，PKP)是近年來微創(chuàng)治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的方法，可達到緩解疼痛的目的［1，2］，但聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)滲漏、鄰近椎體骨折等并發(fā)癥發(fā)生率高［3］。因此，一種經(jīng)皮骨移植操作系統(tǒng)(Optimesh)被設(shè)計用于骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折治療以減少上述并發(fā)癥［4］。它是真正的生物學(xué)上的椎體重建，達到良好的疼痛緩解、技術(shù)風(fēng)險較少以及具有骨傳導(dǎo)性與骨誘導(dǎo)性。因缺乏經(jīng)皮骨移植術(shù)的生物力學(xué)、組織學(xué)及前瞻性的臨床研究，無法評價該手術(shù)方式。本研究擬建立骨質(zhì)疏松腰椎功能脊柱單位(functional spinal unit，F(xiàn)SU)的三維有限元模型，觀察松質(zhì)骨粒(cancellous bone granule，CBG)和PMMA增強后對治療節(jié)段和相鄰非治療節(jié)段椎體生物力學(xué)的影響。

1 材料與方法

1.1 建立L1～L2FSU有限元模型

選取青壯年男性正常人體脊柱標本1具，范圍為L1～L2，先行X線檢查排除可見的脊椎病變及損害，螺旋CT沿橫斷面以1 mm層厚掃描，以DICOM格式輸出其斷面圖像并轉(zhuǎn)入計算機保存，利用Mimics軟件建立L1～L2骨性結(jié)構(gòu)的三維模型。在L1～L2骨性結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上，補充建立終板、椎間盤、髓核、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、棘間韌帶及棘上韌帶等結(jié)構(gòu)。此模型再經(jīng)Geomagic軟件進行圖像優(yōu)化，利用有限元軟件平臺Ansys11.0，建立L1～L2三維有限元模型。最終，功能脊柱單元有限元模型由23 446實體單元和310韌帶和纖維單元組成(圖1A)。

因椎體壓縮性骨折臨床上常見于骨質(zhì)疏松癥，根據(jù)Polikeit等［5］對骨質(zhì)疏松模型的定義，所有骨性結(jié)構(gòu)的彈性模量因骨質(zhì)疏松而減少，松質(zhì)骨的彈性模量減少66%，皮質(zhì)骨、骨性終板的彈性模量減少33%，后部元素的彈性模量也減小33%，椎間盤與韌帶結(jié)構(gòu)的彈性模量與正常狀態(tài)一致，建立骨質(zhì)疏松有限元模型(圖1B)。不同成分的材料性質(zhì)參照已發(fā)表的有關(guān)脊柱有限元研究的文獻［5］中的數(shù)據(jù)(表1)。

1.2 CBG和PMMA置入的有限元模型

本研究中骨水泥的彈性模量和泊松比分布為3000 MPa 和0.4［5］;CBG 的彈性模量和泊松比分布為100 MPa 和 0.2［6］。采用已建立的 L1～ L2骨質(zhì)疏松性椎體的三維有限元模型，以Ansys11.0有限元建模分析軟件為平臺，模擬PKP過程，經(jīng)單側(cè)椎弓根注射CBG。注射后分布形式為CBG占整個椎體容積的23%(增強體積7.9 ml，椎體體積34.2 ml)，分布在椎體的中心區(qū)域(圖1C)，這樣的分布接近臨床上骨移植增強術(shù)后的CT片［7］。同樣的方法置入PMMA。骨質(zhì)疏松性椎體、CBG和PMMA置入3種有限元模型均做軸向壓縮、前屈、后伸測試，所有壓縮荷載均為400 N。前屈和后伸荷載在軸向400 N加載基礎(chǔ)上，加上7.5 nm的矢狀方向彎距，前屈加載時方向向前，后伸加載時方向向后［8］。根據(jù)脊柱三柱理論，荷載與力矩加在L1上終板和L1上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面，其中前中柱承載約85%，后部元素承載約15%［9］(圖1D);約束設(shè)置在L2下終板和L2下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面，均為三向約束。分析3種載荷條件下治療節(jié)段和相鄰非治療節(jié)段椎體的Von Mises應(yīng)力/應(yīng)變大小和分布。

1.3 有限元模型的驗證

在相同的邊界條件下，4種L1～L2FSU有限元模型(正常、骨質(zhì)疏松、松質(zhì)骨及骨水泥)軸向壓縮負荷與三柱軸向壓縮位移的對比曲線與已報道的生物力學(xué)實驗結(jié)果比較。另外，4種有限元模型椎間盤平均內(nèi)壓與已報道的生物力學(xué)實驗結(jié)果比較。

表1 椎體各主要部分的材料特性［5］

2 結(jié)果

2.1 增強前后增強區(qū)各種狀態(tài)下的應(yīng)力和應(yīng)變

增強前后L2椎體強化區(qū)在壓縮、前屈、后伸3種加載狀態(tài)下的最大Von Mises應(yīng)力/應(yīng)變見圖2。CBG增強模型強化區(qū)最大的Von Mises應(yīng)力/應(yīng)變分別為0.457、0.469、0.499 MPa/0.459%、0.471%、0.501%;PMMA 增強模型為 0.864、0.824、0.966 MPa/0.029%、0.028%、0.033%;骨質(zhì)疏松模型相應(yīng)區(qū)域為 0.237、0.253、0.258 MPa/0.698%、0.752%、0.759%。與術(shù)前相比，CBG和骨水泥增強術(shù)后強化區(qū)應(yīng)力增加和應(yīng)力分布變化明顯;相反，術(shù)后強化區(qū)應(yīng)變顯著減少。比較CBG和骨水泥增強模型可見:高彈性模量(PMMA，3000 MPa)增強模型的最大的Von Mises應(yīng)力是低彈性模量(CBG 100 MPa)增強模型的2倍;而PMMA增強模型的最大的Von Mises應(yīng)變大約為低彈性模量(CBG)增強模型的6%。

2.2 增強前后松質(zhì)骨和終板的應(yīng)力和應(yīng)變

比較骨質(zhì)疏松模型、CBG強模型、PMMA增強模型L2應(yīng)力形式，強化區(qū)周圍松質(zhì)骨Von Mises應(yīng)力分布稍有不同;同樣，L2椎體強化材料的存在對L1椎體松質(zhì)骨Von Mises應(yīng)力分布影響極少;相反，L2椎體強化材料的存在使強化區(qū)的最大應(yīng)力區(qū)域擴大(圖3)。

在壓縮、前屈、后伸3種加載狀態(tài)下，CBG增強模型L2上終板及L1下終板最大的Von Mises應(yīng)力/應(yīng)變分別為 4.821、1.719、9.279 MPa/0.840%、0.261%、1.595% 與 3.056、2.304、6.040 MPa/0.519%、0.347%、0.994%;PMMA增強模型分別為5.025、1.649、9.503 MPa/0.867%、0.251%、1.628% 與 3.153、2.313、6.040 MPa/0.535%、0.348%、1.015%;骨質(zhì)疏松模型相應(yīng)區(qū)域分別為 4.579、1.798、9.013 MPa/0.811%、0.273%、1.560% 與2.949、2.295、5.898 MPa/0.502%、0.345%、0.970%。與骨質(zhì)疏松模型比較，CBG增強模型L2上終板最大Von Mises應(yīng)力在壓縮、后伸加載狀態(tài)分別增加5%、3%，而前屈加載狀態(tài)下降4%;L1下終板最大Von Mises應(yīng)力在壓縮、后伸加載狀態(tài)分別增加4%、2%，而前屈加載狀態(tài)稍下降(表2)。同樣，與骨質(zhì)疏松模型比較，PMMA增強模型L2上終板最大Von Mises應(yīng)力在壓縮、后伸加載狀態(tài)分別增加10%、5%，而前屈加載狀態(tài)下降8%;L1下終板最大Von Mises應(yīng)力在壓縮、后伸加載狀態(tài)分別增加7%、5%，而前屈加載狀態(tài)稍下降(表2)。

表2 與骨質(zhì)疏松模型比較，CBG與PMMA增強模型終板最大Von Mises應(yīng)力在各種狀態(tài)下的增減

2.3 增強前后其他區(qū)域的應(yīng)力變化甚微

在軸向壓縮、前屈、后伸3種加載狀態(tài)下，增強前后治療節(jié)段和鄰近節(jié)段的皮質(zhì)骨、纖維環(huán)、髓核及后部元素的應(yīng)力值變化極少。

2.4 正常、骨質(zhì)疏松、松質(zhì)骨及骨水泥增強有限元模型的驗證結(jié)果

在正常的生理活動中，骨質(zhì)疏松和椎體強化對有限元模型軸向壓縮位移和椎間盤平均內(nèi)壓影響不大(圖4)。在400 N的軸向壓縮加載狀態(tài)下，4種L1～L2FSU有限元模型(正常、骨質(zhì)疏松、松質(zhì)骨及骨水泥)的三柱軸向壓縮位移值為0.29～1.05 mm，該值在 Brown 等［10］和 Markolf等［11］報道的生物力學(xué)實驗結(jié)果(0.26～1.5 mm)范圍內(nèi);同時，4種有限元模型椎間盤平均內(nèi)壓分別為0.443、0.438、0.437、0.436 MPa，該值接近 Nachemson 等［12］和Markolf等［13］報道的生物力學(xué)實驗結(jié)果(0.48 MPa)。

圖4 4種L1～L2FSU有限元模型(正常、骨質(zhì)疏松、松質(zhì)骨及骨水泥)的三柱軸向壓縮位移

3 討論

3.1 與既往椎體增強有限元研究的比較

4種L1～L2FSU有限元模型(正常、骨質(zhì)疏松、松質(zhì)骨及骨水泥)反映了骨質(zhì)疏松的病理特性和椎體強化的臨床特征，這些虛擬和現(xiàn)實結(jié)合的有限元模型為經(jīng)皮椎體增強術(shù)術(shù)前規(guī)劃、術(shù)后生物力學(xué)評價及微創(chuàng)技術(shù)的改進的研究提供了一個強有力的工具。在以往對椎體增強生物力學(xué)的有限元研究中，大多數(shù)研究［5，14］認為通過手術(shù)恢復(fù)骨折椎體的生物力學(xué)強度卻造成鄰近椎體的再骨折。Baroud等［14］建立的腰椎三維的有限元模型主要是骨性結(jié)構(gòu)的三維建立，忽略了脊柱后部元素。而 Polikeit等［5］建立的三維脊柱功能單位有限元模型雖然包括脊柱后部元素，但加載方式未應(yīng)用脊柱三柱載荷分布。我們參考了不同文獻生物力學(xué)的測定結(jié)果，對不同組織的物理特性做了定義，建立的L1～L2三維有限元模型符合真實的生物力學(xué)要求，真實模擬了骨質(zhì)疏松椎體的材料特性。加載方式按脊柱三柱載荷分布，脊柱前中柱承載約85%力和力矩，椎骨后部元素承載約15%力和力矩，使有限元模型更接近真實椎體的生物力學(xué)特性。

3.2 骨水泥增強對鄰近椎體的影響

Grafe等［15］的前瞻性對照實驗結(jié)果顯示，在12個月的隨訪期間，PKP治療組新的椎體骨折數(shù)量較保守治療組明顯減少，另外，沒有證據(jù)表明骨水泥置入后鄰近椎體骨折發(fā)生率更高，他們認為骨水泥的注人對鄰近椎體的生物力學(xué)影響很小。多功能脊柱單元有限元研究［16］與最近的回顧性臨床研究［17］認為鄰近PKP手術(shù)前后鄰近治療節(jié)段椎體的應(yīng)力和應(yīng)變變化極小。因此，隨后的鄰近椎體骨折可能歸因于潛在的病因?qū)W(骨質(zhì)疏松)而不是外科手術(shù)的干預(yù)。當前的有限元研究也顯示骨質(zhì)疏松、CBG與骨水泥增強對各有限元模型的三柱軸向壓縮位移和椎間盤平均內(nèi)壓影響極少。這意味著經(jīng)皮椎體增強術(shù)很少改變功能脊柱單元的活動度;同時，術(shù)后鄰近椎體的生物力學(xué)狀態(tài)和術(shù)前相近，以避免遠期的退行性改變。

3.3 材料力學(xué)相容性

骨水泥增強極大地增加了骨折椎體的強度和剛度［18］。本研究亦認為CBG和PMMA均增強治療節(jié)段的總體強度和剛度水平，有利于椎體功能的重建。低彈性模量增強模型的最大的Von Mises應(yīng)力是高彈性模量增強模型的1/2，低彈性模量增強模型的最大的Von Mises應(yīng)力大約是高彈性模量增強模型的16倍，低彈性模量增強模型的總體應(yīng)力應(yīng)變分布更接近術(shù)前骨質(zhì)疏松模型的總體應(yīng)力應(yīng)變分布。而且低彈性模量增強模型的終板應(yīng)力變化幅度比高彈性模量增強模型更小，意味著CBG強化較PMMA強化對終板的力學(xué)干擾更少。因此，就治療節(jié)段椎體和強化材料的材料力學(xué)相容性而言，CBG的增強優(yōu)于PMMA增強。

3.4 生物相容性

Lam等［4］報道的Optimesh是一種新的經(jīng)皮椎體增強術(shù)，應(yīng)用生物活性的自體骨或異體骨作為填充材料穩(wěn)定骨折、恢復(fù)椎體力學(xué)強度。經(jīng)皮骨移植增強雖然臨床實踐尚處初級階段，但該技術(shù)是真正的生物學(xué)上的椎體重建，達到良好的疼痛緩解、技術(shù)風(fēng)險較少以及具有骨傳導(dǎo)性與骨誘導(dǎo)性。有限元研究為經(jīng)皮骨移植的有效應(yīng)用提供了獨特的視角，移植的彈性模量和生物相容性接近于正常骨質(zhì)，不像骨水泥那么剛硬，理論上可以減少術(shù)后的并發(fā)癥、促進骨生長及組織修復(fù)。因此，就治療節(jié)段椎體和強化材料的生物相容性而言，CBG的增強優(yōu)于PMMA增強。

經(jīng)皮骨移植術(shù)是新開展的微創(chuàng)技術(shù)，移植物包括自體骨、異體骨、異體骨聯(lián)合骨誘導(dǎo)蛋白等，我們模擬的劑量和材料性質(zhì)單一化不能完全反映臨床的真實狀況，不同骨移植物、不同的劑量和分布需要在將來的研究中得到印證。這種虛擬和現(xiàn)實有機結(jié)合的研究方法為經(jīng)皮骨移植的有效應(yīng)用提供了獨一無二的視角，遠期尚需要實驗生物力學(xué)和組織學(xué)研究等相關(guān)問題進行深入研究。

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