骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折中生物力學(xué)變化的有限元研究進(jìn)展

陳缽 張曉剛 秦大平,* 宋敏 張宏偉 趙希云 王志鵬 馬濤 權(quán)禎

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折(osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF)是最為普遍且嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松并發(fā)癥，常發(fā)生在胸腰椎移行區(qū)域，當(dāng)椎體受到超過自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的負(fù)荷應(yīng)力時發(fā)生。由于耗費(fèi)高、危險大、病死率高，受到全世界的關(guān)注[1]。針對OVCF的治療，經(jīng)皮椎體成形術(shù)、經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)和中醫(yī)保守治療中功能鍛煉、功能復(fù)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(jī)制以及參考給出預(yù)防措施有著重大的價值，有限元分析法(finite element analysis，F(xiàn)EA)是一種非破壞性的工具，它在預(yù)測機(jī)械性能方面有很大的潛力，能通過計算機(jī)模擬并反映OVCF傷椎的受力情況[3]，在脊柱生物力學(xué)研究方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，很多傳統(tǒng)力學(xué)和數(shù)學(xué)工具無法解決的骨科力學(xué)問題，通過FEA能夠得到全面的信息[4]。本文不詳細(xì)闡述FEA的具體步驟，而是針對FEA進(jìn)行OVCF臨床研究方法的新研究進(jìn)展、近年來臨床研究中的成果及新的參考指導(dǎo)作用進(jìn)行綜述，并探討FEA存在的一些問題以及在未來發(fā)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(yīng)用于骨科領(lǐng)域已有40多年，現(xiàn)仍廣泛用于脊柱生物力學(xué)中研究骨骼結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jìn)一步挑戰(zhàn)有限元模型的完整性，其證實(shí)椎間盤應(yīng)力的分布在加入肌肉有限元模型的應(yīng)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(xì)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(yùn)動。

FEA作為一種離散化數(shù)值計算方法，其獨(dú)特優(yōu)勢和有效性已成為骨科生物力學(xué)研究方法之一[14]。基本原理是將自由連續(xù)體進(jìn)行離散化，即將其分割成有限個小單元集合體，再根據(jù)幾何材料的特性和應(yīng)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(xù)體的單元組合成系統(tǒng)方程，最終求解系統(tǒng)方程問題[15]。為使更加真實(shí)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(jié)構(gòu)，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(yùn)動階段的生物力學(xué)作用變化趨勢更加精確化。

2 FEA在OVCF損傷機(jī)制中的分析應(yīng)用

OVCF的發(fā)生大多是由于直接或間接暴力而致椎體應(yīng)力環(huán)境的變化而導(dǎo)致，周雙珍等[16]建立的模型說明骨量少的區(qū)域在相同應(yīng)力下，其應(yīng)變較骨量多的區(qū)域增大，在該區(qū)域下，OVCF風(fēng)險升高。對此，Kuijer等[17]進(jìn)一步得出，超25 kg的載荷是OVCF另一高風(fēng)險因素。Das等[18]的模型說明骨折改變了傷椎椎體內(nèi)在應(yīng)力分布，繼而導(dǎo)致脊柱內(nèi)部生物力學(xué)環(huán)境變化，由于傷椎周圍和前緣的應(yīng)力增大，從而增加了相鄰椎體再骨折的風(fēng)險高達(dá)5～12.6倍。對此，馮杰榮等[19]進(jìn)一步說明相鄰椎體應(yīng)力和傷椎前緣壓縮程度呈正相關(guān)，當(dāng)壓縮比例超過30%，尤其是在軸向壓縮狀態(tài)，傷椎相鄰椎體的終板應(yīng)力明顯增加并達(dá)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(shù)治療時，盡量糾正脊柱后凸畸形和椎體前緣高度，達(dá)到降低相鄰椎體再骨折風(fēng)險的目的。FEA可以反映不同工況下該骨折的損傷機(jī)制以及傷椎相鄰椎體的力學(xué)動態(tài)變化情況，為指導(dǎo)臨床預(yù)防該骨折的發(fā)生以及術(shù)后功能康復(fù)鍛煉提供參考。

3 FEA在手術(shù)治療OVCF中的分析應(yīng)用

OVCF的治療是為了改善骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和骨強(qiáng)度的相關(guān)指標(biāo)，恢復(fù)脊柱穩(wěn)定性和椎體高度，預(yù)防相鄰椎體發(fā)生再骨折，降低相鄰椎體由于應(yīng)力分布不均而導(dǎo)致骨折風(fēng)險[21]。隨著治療方式的不斷更新，對于脊柱骨折相關(guān)疾病的治療，微創(chuàng)術(shù)式成為骨科的主流治療方式和重要發(fā)展方向。FEA能無創(chuàng)地探查人體內(nèi)部應(yīng)力情況，反映骨折部位狀況，分析和預(yù)測術(shù)前術(shù)后的力學(xué)變化[22]，與現(xiàn)如今微創(chuàng)術(shù)式趨勢相結(jié)合，無疑將其潛力充分發(fā)揮。

近年來兩種椎體強(qiáng)化術(shù)，經(jīng)皮椎體成形術(shù)(PVP)與經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(PKP)成為OVCF的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式。隨著科學(xué)的發(fā)展，其穿刺技術(shù)、材料工具和骨水泥等的不斷改進(jìn)，得到了大部分的臨床醫(yī)師的廣泛應(yīng)用[23]。兩種技術(shù)是將骨水泥注射到骨折椎體中，通過穩(wěn)定骨折裂隙，減少由體重和活動產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，達(dá)到穩(wěn)定骨折、緩解疼痛的治療目的[24-25]。PKP出現(xiàn)時間較晚，是在PVP基礎(chǔ)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(diǎn)問題[23，26]，隨著FEA的廣泛應(yīng)用，近年來對于該熱點(diǎn)相關(guān)問題有了進(jìn)一步進(jìn)展。

3.1 FEA在對比兩種椎體強(qiáng)化術(shù)中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力變化及變形量明顯減少，這也就證實(shí)了PKP術(shù)后生物力學(xué)特性優(yōu)于PVP，與邱貴興等[2]的研究相符，這也進(jìn)一步探究了兩種術(shù)式骨水泥強(qiáng)化后脊柱椎體生物力學(xué)變化對比以及產(chǎn)生的影響，為臨床醫(yī)師提供了重要參考信息。

3.2 FEA對椎體強(qiáng)化術(shù)的參考應(yīng)用

椎體強(qiáng)化術(shù)一般應(yīng)用于恢復(fù)傷椎強(qiáng)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。早年研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注射量在1 mL時，椎體的初始剛度恢復(fù)小于15%，而注射量達(dá)3.5 mL時，初始剛度即可恢復(fù)[28-29]。Belkoff等[30]認(rèn)為恢復(fù)椎體強(qiáng)度應(yīng)注入2 mL，恢復(fù)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(zhuǎn)工況下，隨著注射量的增加或者骨質(zhì)疏松程度的加重，會導(dǎo)致椎體應(yīng)力增加，由此認(rèn)為嚴(yán)重骨質(zhì)疏松患者為防止較大應(yīng)力產(chǎn)生，應(yīng)選擇小劑量注入，且建議患者少做扭轉(zhuǎn)動作，同時還建議針對不同骨質(zhì)疏松患者給予不同的骨水泥量，對于骨質(zhì)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(yīng)力的增加，且亦可恢復(fù)傷椎剛度繼而減小再骨折風(fēng)險；最后，不僅程度重，而且變形嚴(yán)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(diǎn)，并建議在PVP術(shù)前術(shù)后對于骨質(zhì)疏松癥的治療亦必須嚴(yán)格規(guī)范進(jìn)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(fēng)險，還與椎體應(yīng)力環(huán)境、載荷方向有關(guān)。

3.3 FEA在椎體成形術(shù)中對比分析應(yīng)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(cè)入路和雙側(cè)入路的PVP生物力學(xué)效果相近，這于Sun等[35]的研究結(jié)果相符，并利用穿刺針定位，對于OVCF的治療，單側(cè)與雙側(cè)入路PVP相比，單側(cè)入路手術(shù)時間和X線暴露次數(shù)上優(yōu)于雙側(cè)入路。此后，馬航展等[36]通過臨床實(shí)驗(yàn)對比亦證明了這點(diǎn)。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(fù)后，能改善相鄰椎體的應(yīng)力環(huán)境，減少其所受應(yīng)力，并減少相鄰椎體再骨折風(fēng)險，因此，在行椎體強(qiáng)化術(shù)時應(yīng)盡量恢復(fù)傷椎椎體高度。

4 結(jié)語與展望

近年來，F(xiàn)EA作為一種耗時短、費(fèi)用少、可重復(fù)且無損的研究手段，廣泛應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)領(lǐng)域，OVCF模型朝更完整化、精細(xì)化、準(zhǔn)確化方向發(fā)展。但是，人體結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，尤其是老年骨質(zhì)疏松患者，隨著骨量的丟失，其內(nèi)部生物力學(xué)環(huán)境的變化大，針對不同患者如何做到快速設(shè)計個體化差異，為FEA帶來不小挑戰(zhàn)。FEA強(qiáng)于分析靜態(tài)下椎體強(qiáng)度和高度以及椎體內(nèi)部應(yīng)力，而脊柱常處于動靜轉(zhuǎn)化狀態(tài)，其在分析運(yùn)動時不足，這是未來FEA的一個重要發(fā)展方向。另外，針對OVCF的手術(shù)方式必然不斷更替，F(xiàn)EA如何更好地術(shù)前仿真、術(shù)中觀測及術(shù)后指導(dǎo)，亦是FEA發(fā)展的重要方向。而且，F(xiàn)EA所模擬的椎體載荷情況是否與現(xiàn)實(shí)情況相吻合，即是否符合臨床，是值得商榷的問題，需進(jìn)一步行離體或在體實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證。最后，受限于大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和建模時間長以及極其復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)EA對于更好地模擬椎體真實(shí)受力情況還有很大的發(fā)展空間。相信FEA克服上述困難后，能在早期預(yù)防并診治OVCF上更加可靠，成為更加精確預(yù)測骨折風(fēng)險、定量分析椎體強(qiáng)度的一種無損性新型研究工具，為指導(dǎo)臨床、改善患者生活質(zhì)量提供價值。