有限元分析法在椎體成形術中的應用進展

錢程 蔣濤

南京中醫(yī)藥大學常州附屬醫(yī)院骨傷科，江蘇常州 213000

第七次全國人口普查結果顯示，我國人口老齡化進一步加劇，骨質疏松癥及其引發(fā)的脆性骨折發(fā)病率不斷上升，嚴重影響老年人群的生活質量及健康壽命。骨質疏松性椎體壓縮骨折是由于骨質疏松導致椎體密度、骨強度及骨質量降低而極易發(fā)生的脆性骨折，對于壓縮嚴重或不穩(wěn)定的椎體骨折應考慮行手術治療[1]。近年來，經皮椎體成形術（percutaneous vertebroplasty，PVP）依靠微創(chuàng)、有效止痛、快速恢復等優(yōu)勢逐漸發(fā)展成治療骨質疏松性椎體壓縮骨折的首選方式[2]。然而，臨床觀察表明，PVP 在廣泛應用的同時也存在諸多問題，臨床上較常見的術后并發(fā)癥有椎體應力集中引發(fā)鄰近椎體骨折、骨水泥滲漏引起神經根壓迫、致死性肺栓塞等[3]。有限元分析法基于人體脊柱計算機斷層掃描（computed tomography，CT）的原始數(shù)據(jù)構建出壓縮椎體PVP 術前、術后的三維有限元模型，并對模型進行全方面、多角度的生物力學模擬實驗，通過分析和對比實驗數(shù)據(jù)能夠精準地反映椎體的力學應變，從而有效地制訂手術方案、優(yōu)化手術設計、提高手術療效、減少手術并發(fā)癥。

1 有限元分析法的簡介

有限元分析法是一種能夠模擬復雜物理系統(tǒng)的數(shù)學建模方法。它的基本原理是將一個由無限個質點組成并且有無限個自由度的連續(xù)體近似為有限個單元所組成的集合體，這樣就使結構、運動復雜的研究對象的力學參數(shù)計算成為可能[4]。有限元分析法最初被用來解決航空工程中結構設計的諸多問題[5]。20 世紀80 年代科研人員開始將有限元分析法應用于脊柱的生物力學領域中。其在脊柱生物力學的運用主要分為3 個階段：①建模階段：使用CT 對研究對象提取相應數(shù)據(jù)，運用圖像建模軟件如Mimics 搭建三維有限元模型；②計算階段：根據(jù)研究對象各元素的不同屬性進行材料賦值，對構建完成的模型施加載荷，最后通過專業(yè)軟件如Abaqus 獲得研究對象的受力數(shù)據(jù)；③后處理階段：通過動態(tài)地改變載荷從而獲得一組分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總后進行再次分析。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，椎體、椎間盤、韌帶、肌肉等結構和組織的有限元模型被更加完整、精確地建立起來。相較于傳統(tǒng)的生物力學研究方法，有限元分析法有優(yōu)良的可替換性及可重復性，它通過個性化設定相關條件和材料屬性能夠盡可能地還原脊柱復雜的結構特點。

2 利用有限元分析法改進PVP

雙側椎弓根入路和單側椎弓根入路是臨床上實施PVP 的常規(guī)入路方式，自PVP 誕生以來就有大量關于對比兩種入路優(yōu)劣的研究。有研究認為雙側入路較單側入路更能使骨水泥填充物均勻彌散從而更好地恢復椎體強度與剛度[6]；而有學者認為單側入路能夠獲得更大的外展角度同樣可以使骨水泥得到有效分布，并且可以縮短手術操作時間及減少術中透視次數(shù)[7]。為了探究采取不同入路的PVP 對于脊柱生物力學的影響，越來越多的學者開始使用有限元分析法進行研究。Xu 等[8]分別對椎體進行單側、雙側和中央?yún)^(qū)骨水泥增強，發(fā)現(xiàn)在不同載荷下雙側和中央?yún)^(qū)骨水泥注入法的支撐力優(yōu)于單側注入骨水泥。然而這一研究只考慮到骨水泥在不同位置的應力表現(xiàn)而未將骨水泥量的影響納入研究。劉祥飛等[9]建立有限元模型模擬單、雙側PVP 術后椎體的應力變化，研究顯示單側入路注入骨水泥較雙側入路有輕度應力增加，并與骨水泥注入量呈正相關，但并沒有成比例增加，生物力學效果與雙側入路相近。隆全利等[10]應用有限元分析法對比分析兩種入路后發(fā)現(xiàn)兩者術后的生物力學分布無明顯差異。這說明在一定的骨水泥量下，單側和雙側入路可以達到相似的生物力學水平。另外，為了兼具單側與雙側入路的優(yōu)點，有醫(yī)療機構開展了采用彎角椎體成形裝置的PVP，該裝置不僅能達到雙側入路術式骨水泥均勻分布的效果，并且具有單側入路省時、創(chuàng)傷小的優(yōu)勢[11]。一些文獻使用三維有限元分析的方法定量觀測PVP 術后骨水泥分布特點，為進一步生物力學分析提供可參考的臨床數(shù)據(jù)[12-13]。有限元分析法通過對術后椎體實際的掃描圖像建立模型進行力學分析，能直觀地考察骨水泥在注入椎體后產生的力學改變。姚龔等[14]通過有限元分析法發(fā)現(xiàn)骨水泥注入椎體后產生不同的彌散方式可能對骨折椎體的力學環(huán)境存在極大影響。陳榮彬等[15]在此基礎上建立彌散型、團塊型、混合型這三種骨水泥彌散類型的有限元模型，比較各種模型在不同載荷情況下的應力情況。研究提示骨水泥呈團塊型分布將明顯增加術椎的應力從而極有可能導致術后椎體塌陷，并且骨水泥呈混合型分布可能是最佳的彌散方式。骨水泥的彌散方式在一定程度上會影響椎體的應力表現(xiàn)，這提示未來的研究可以通過改進手術設備改善骨水泥彌散狀態(tài)，從而最大限度地接近正常人類椎體的力學水平。單純的PVP 僅能增加椎體強度但并不能恢復椎體高度，經皮后凸椎體成形術（percutaneous kyphoplasty，PKP）是在PVP 基礎上改良所得，其相較于PVP 能夠恢復椎體的高度和形態(tài)，其球囊裝置能夠減少骨水泥滲漏率。目前有大量研究比較這兩種手術方法在臨床的實際療效。郭秀珍等[16]建立模擬采用PVP 和PKP 治療胸腰椎椎體三明治骨折有限元模型，發(fā)PKP 模型相較于PVP 模型的胸腰段剛度顯著增加，最大應力變化及變形量明顯減少。Ottardi 等[2]使用有限元模型分析發(fā)現(xiàn)PVP 術后椎體實變引起椎間盤內應力增高，而在相同情況下使用PKP 能夠減少終板25%的應力。提示PKP 術后生物力學特性可能優(yōu)于PVP。筆者認為利用有限元分析法能夠直觀地體現(xiàn)術后脊柱的生物力學改變，這比運用傳統(tǒng)的視覺模擬評分法及腰椎功能障礙指數(shù)評估手術療效更為客觀準確。

3 利用有限元法確定骨水泥最佳注入量

椎體成形術及PKP 在臨床上能有效緩解椎體壓縮性骨折引起的疼痛，其原理是在影像設備透視下將骨水泥注射到塌陷的椎體中，通過穩(wěn)定骨折裂隙，填充疏松的骨組織，達到穩(wěn)定骨折、恢復椎體高度、增加椎體強度、緩解疼痛的目的[17]。然而椎體的骨水泥注入過多會導致水泥滲漏引發(fā)嚴重的并發(fā)癥，注入過少則達不到臨床治療的效果。至今仍然沒有一個公認的、確切的數(shù)據(jù)表明骨水泥量達到多少能夠有效治療骨折并且不會滲漏。為了明確不同劑量的骨水泥填充物對椎體產生的生物力學影響，眾多學者使用數(shù)字技術建立三維有限元模型來計算最佳的骨水泥注入量。李家瓊等[18]的有限元研究發(fā)現(xiàn)，骨質疏松程度的加重和骨水泥注入量的增加可導致椎體應力增加，在扭轉載荷下應力變化最大。故針對骨折變形小且疏松程度嚴重的椎體應選擇1.8 ml 劑量的骨水泥。王德國等[19]通過有限元法模擬2～6 ml 骨水泥注入椎體后的分布情況后提出在PKP 中使用4 ml 左右的骨水泥量能夠得到良好療效并能減少鄰椎骨折的風險。但是這些研究都忽略了患者的個體差異，事實上骨折椎體的大小及壓縮程度都應在考量范圍之內。有學者將骨水泥的注射量（ml）除以椎體體積（cm3）得出填充比率，其認為這一比率即骨水泥灌注率較骨水泥的絕對值更有意義[20]。韋武等[21]在一項研究中根據(jù)椎體剛度恢復所需的骨水泥體積分別設置10%和20%的注射量，通過有限元實驗發(fā)現(xiàn)10%的骨水泥可完全達到比較理想的止痛效果，且骨水泥滲漏的情況大為減少。Kwon等[22]則認為骨水泥體積達到椎體的27.8%時恢復最佳。何仁建等[23]基于Mimics 軟件通過有限元分析法評估PVP 術中骨水泥的安全劑量，其研究指出按骨水泥量/椎體體積比15%～24%注射骨水泥能夠達到滿意的臨床效果并且并發(fā)癥較少。PVP 的安全性及有效性很大程度上取決于注入骨水泥的劑量，筆者傾向于使用骨水泥灌注率來確定劑量范圍，其認為只有達到一個安全有效的骨水泥最低閾值才能取得最佳的臨床療效，而有限元分析法為探索出這一閾值提供了可能。過往研究者們只能通過體外實驗及臨床隨訪來摸索骨水泥最佳劑量，這些方法大多費時費力且誤差較大，有限元分析法可以方便、精確地模擬出不同骨水泥體積對椎體的影響，極大地改善了研究現(xiàn)狀。

4 利用有限元分析法評估新型骨水泥材料

目前臨床上常用的骨水泥材料是聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl mechacrylate，PMMA），其作用機制是注射到壓縮椎體內逐漸凝固從而維持椎體強度，減輕疼痛。然而PMMA 存在低黏滯性、高放熱反應、高強度等缺點[24]。從生物力學的角度來看，固化后的PMMA彈性模量與正常椎體組織差異巨大，這有可能是導致PVP 術后鄰近椎體骨折的誘因。馬朋朋等[25]通過有限元分析法分研究發(fā)現(xiàn)，隨著骨水泥模型彈性模量逐漸增高，相鄰椎體在屈伸活動下容易發(fā)生新的骨折。因此調配合適硬度的骨水泥能夠減少術后鄰椎骨折發(fā)生的風險。研究提示，在PMMA 中加入某種物質如脂肪酸、亞酸油或透明質酸鈉等可以降低骨水泥凝固后的彈性模量，但同時也明顯降低了骨水泥的耐壓強度[26]。近年來一些新型復合骨水泥材料進入臨床工作者的視野中，有學者使用有限元分析法探究這些新材料用于PVP 及PKP 的可行性和可靠性。Ghavimi 等[27]在臨床研究中設計了以殼聚糖為基礎的水凝膠骨水泥制劑，實驗結果表明水凝膠骨水泥制劑既保留了傳統(tǒng)骨水泥的機械性能，又具有生物活性骨水泥骨長入的特點。薛經來等[28]采用帶負電荷硫酸鈣B-磷酸三鈣復合骨水泥GENEX 行1 例PVP，術后有限元研究結果顯示植入GENEX 骨水泥后并沒有顯著增加術椎相鄰節(jié)段椎間盤的應力。GENEX 相較于傳統(tǒng)PMMA材料具有無毒性、塑性強、低發(fā)熱性的優(yōu)點，其在生物相容性和骨誘導性方面有突出優(yōu)勢。有研究通過有限元分析法模擬采用無鋁玻璃聚烯烴水泥和PMMA 分別撐開同一骨折椎體，經過力學試驗后發(fā)現(xiàn)經無鋁玻璃聚烯烴水泥增強后椎體的最大應力較PMMA 降低了1/2，這表明無鋁玻璃聚烯烴水泥具有更好的生物力學性能[29]。復合骨水泥材料在生物力學、生物降解度、生物相容性上要優(yōu)于PMMA，然而要應用到實際臨床中去還需要考慮諸多問題，由于這些復合材料還處于研究階段，其臨床價值及安全性還需進一步驗證，但相信復合材料是未來骨水泥材料的一個主要發(fā)展方向。PMMA 目前仍然是臨床上運用最廣泛的骨水泥材料，相信不久的將來能研制出一款安全、無毒、可降解、生物相容性高并且價格低廉的新型材料。

5 有限元可用于PVP 術后藥物療效評估及骨折風險預測

骨質疏松癥具有明顯的易骨折危險性，有研究發(fā)現(xiàn)約有50%的椎體骨折由骨質疏松所致[30]。這類骨折患者在接受PVP 治療后常需要進行抗骨質疏松藥物治療。應用有限元分析法可以對藥物進行大樣本量、多中心的對照研究。Graeff 等[31]對骨質疏松的絕經后女性使用人類硬化蛋白單克隆抗體Romosozumab 治療后，建立有限元模型表明服用3 個月的Romosozumab可以使椎體骨小梁和皮質骨質量快速改善且能增強整體骨強度持續(xù)6 個月。Keaveny 等[32]通過基于脊柱計算機定量斷層掃描建立的有限元模型進行狄諾塞麥療效評估，證實使用狄諾塞麥治療增加了脊柱強度。有限元作為評估PVP 術后藥物療效的先進手段具有諸多優(yōu)勢，比如有限元是非侵入性和破壞性的手段，其能夠準確評估藥物對骨微結構的影響；另外有限元借助三維建模技術能動態(tài)地計算椎體強度，幫助了解不同藥物的潛在作用機制。因跌倒導致椎體壓縮骨折的患者大多因骨質疏松面臨極大的骨折風險，目前臨床上主要依靠雙能X 線片吸收測定法測量骨密度來評估骨折風險，但是僅依靠骨密度測定無法體現(xiàn)骨骼強度。有限元分析法作為脊柱生物力學研究方法之一逐漸被科研工作者重視，基于有限元分析法通過不同骨質灰度建立三維模型，融合了生物力學、幾何學及生物形態(tài)學等優(yōu)勢，越來越多的學者認為有限元分析法是一個極具前景的骨折預測工具。Imai[33]進行了123 例絕經后婦女椎體強度與椎體骨折鑒別能力的橫斷面評估，認為基于CT 的非線性有限元法可以準確地預測椎體抗壓強度及骨折部位。國內學者通過有限元分析法分析骨質疏松患者的胸腰段椎體在不同工況下力學變化，并與人體正常模型進行分析比較，針對椎體是否存在壓縮骨折的風險進行預測[34]。有限元分析法具有無創(chuàng)測量、精準定量、條件可控、動態(tài)監(jiān)測、可重復性等特點，可以預見的是，其將會在預測骨質疏松患者發(fā)生骨折的風險中大有作為。

6 小結

隨著計算機及軟件能力的提升，有限元分析法能更精細地模擬椎體、椎間盤，并且能將脊柱周圍的韌帶、肌肉加入模型，使模型越發(fā)貼近真實。通過有限元分析法對腰椎生物力學的分析，可以更優(yōu)化PVP 以減少術后并發(fā)癥，同時為骨質疏松性椎體壓縮骨折的早期預防、診斷和治療開辟新的突破口。然而，有限元分析法本身也存在一定的缺陷，譬如有限元模型的精確程度受制于掃描設定條件，一份低質量CT 圖像將從源頭上決定了模型的失敗。另外有限元模型的構建需要依靠大量的數(shù)據(jù)運算，從建模、分析到得出結果需要耗費大量時間，臨床工作者進行相關研究需要具備一定的生物力學知識，這在一定程度上限制了有限元分析法在臨床上的推廣。即使目前有限元分析法還存在諸多缺點，這也不妨礙其在生物力學領域巨大的發(fā)展前景，值得期待有限元分析法將在未來成為更好、更新、更為可靠的研究方法。