功能復位椎體強化治療骨質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.甘肅中醫藥大學中醫臨床學院 蘭州 730000；2.甘肅中醫藥大學附屬醫院脊柱外科 蘭州 730020；3.云南中醫學院臨床醫學院 昆明 650500）

中醫在針對骨折治療后骨折移位不能滿足解剖復位的實際情況提出了骨折功能復位標準，并在長期中醫骨傷科臨床過程中加以實踐?！吨袊莻茖W辭典》把其定義為：功能性對位是指經過努力而不能達到解剖學或者接近解剖學對位時，為了不影響肢體功能，而要求達到的對位稱功能性對位，又稱功能復位[1]。骨質疏松性椎體壓縮骨折（Osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF）繼發于骨質疏松癥，可因輕微暴力沿著脊柱縱軸傳導，產生脊柱軸向壓縮力而導致，伴隨人口老齡化出現骨質疏松癥人群增加，OVCF患者逐漸增多的現象，而OVCF發病率中骨折部位以胸腰椎骨折最多（28.24%）[2]。椎體強化技術治療OVCF的方法是通過將骨水泥經皮注射到骨折椎體中，以達到快速穩定骨折、緩解疼痛的治療目的[3,4]。臨床運用發現患者椎體強化治療前骨折椎體前緣高度丟失與術后高度丟失均較正常有顯著性差異，雖然治療未能恢復到解剖復位，但是臨床療效滿意[5]。這種現象是否存在著生物力學因素的影響，傳統的生物力學研究方法由于難以還原實際臨床治療患者的真實情況，研究具有一定的難度。而運用有限元分析（Finite element analysis，FEA）的方法則可以通過計算機模擬還原較為真實的OVCF椎體強化治療狀態，還可以將實際臨床病例的影像資料還原為接近真實情況的三維數字模型，通過對三維模型進行有限元生物力學分析則可以進一步了解骨折椎體局部的生物力學變化情況。

因此本文就OVCF椎體強化治療過程中骨折椎體高度不能達到解剖復位但療效滿意的臨床問題，結合中醫骨傷功能復位理論，利用計算機有限元分析的方法尋找具體的生物力學依據。

圖1 原始三維模型和優化后的三維模型

圖2 三維模型結構分解圖

1 方法

1.1 納入患者

本研究經甘肅中醫藥大學附屬醫院倫理委員會批準。研究納入4名女性T12 OVCF志愿者。OVCF的納入標準為（參考《2017原發性骨質疏松診療指南》）：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加權像呈高信號，T2加權像呈低信號；4.通過雙能X射線（Dual-energy X-ray，DXA）測定骨密度T密度2.5[6]。排除標準：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

患者進行脊柱CT掃描，掃描節段從T11水平到L1水平，掃描層厚為0.625 mm。患者椎體強化后CT影像通過Genant半定量方法進行分級，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三維重建影像進行椎體前后緣高度測量后計算得到。所有CT影像都通過醫學數字成像與通訊（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骨折三維模型的構建

將DICOM影像導入交互式醫學影像控制系統Mimics10.01軟件（Materialize，Inc.，比利時）。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，選擇所需區域；接下來使用區域增長命令逐層分割出所需的骨骼結構；最后，通過蒙板重建T11、T12、L1三個椎體，生成T11、T12、L1椎體（其中骨皮質厚1 mm）的三維模型。重建的三維模型以STL格式保存。

將STL格式的模型導入到自動逆向工程軟件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行優化，優化過程中根據需要進行特征去除，重劃網格，快速光順，降噪，刪除釘狀物、填充空缺部分等操作，待模型呈現表面光滑、輪廓清晰，外觀與真實狀態完全一致以后進行編輯輪廓線，構造曲面片，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、關節突關節軟骨和椎間盤（包括髓核和纖維環）（圖2），再通過裝配命令將這些結構裝配獲得所需的三維模型。最后參考先前文獻報道的模擬方法，使用曲面命令切割椎體產生0.5 mm骨折線，T12椎體OVCF骨折的模型[8]。

1.4 T12椎體強化術后模型的構建

通過Solidworks軟件生成一個體積為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模型導入Solidworks軟件，運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。由此獲得單側骨水泥注射椎體強化術后的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行裝配即可生成整體的三維模型。最終得到四個強化術后不同T12椎體高度的三維模型（圖3）。

圖3 四個不同T12高度的三維模型

1.5 有限元分析前處理

對三維模型進行FEA前處理，將包括T12-L1椎體、骨水泥、椎間盤、終板和關節突關節軟骨等部分的三維模型導入ANSYS 17.0軟件（ANSYS，Canonsburg，PA，美國），補充相關結構，包括前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、黃韌帶和關節囊。參考近期關于OVCF研究中所使用的材料屬性對之前構建的三維模型各個部分進行材料屬性賦值（表1）[9-12]。所有模型均定義為各向同性材料，其中皮質骨、松質骨、終板、關節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、黃韌帶和關節囊的單元類型定義為張力變形無壓縮。網格、節點和單元由軟件生成，終板、關節軟骨、骨折線和椎間盤劃分為2 mm的網格，皮質骨、松質骨和骨水泥劃分為5 mm的網格。終板與椎體、終板與椎間盤、關節軟骨與骨骼之間的連接定義為綁定，關節軟骨與關節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證，證實結果與在不同載荷下與文獻研究結果基本一致[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、右側屈、左側屈四種不同的載荷，使用四個不同椎體高度T12椎體強化術后模型進行靜態有限元分析。所有模型施加500 N的垂直壓縮載荷，7.5 N.m的屈曲、左側屈、右側屈扭矩。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 統計分析

提取T12椎體強化術后T12椎體在不同狀態下的von Mises應力，采用t檢驗進行統計學處理，統計分析使用 SPSS 14.0軟件（BM Corp.，Armonk，NY，美國），以P＜0.05為差異具有統計學意義。

表1 有限元分析模型材料屬性

圖4 網格化后有限元模型

2 結果

椎體強化術后T12椎體壓力具體結果（圖5，表2）表現可以通過受力云圖顯示（圖6）。T12不同椎體高度之間應力差異P＞0.05。

圖5 椎體強化術后T12椎體載荷

表2 椎體強化術后T12椎體載荷(MPa)

3 討論

骨質疏松癥是一種以骨量減少和骨組織結構性破壞為特點的全身性的骨病，其特點是骨量減少，骨組織顯微結構破壞，骨脆性增加，易于產生骨折[17]。OVCF則是伴隨人口老齡化后骨質疏松癥高發出現的一個重要健康問題[18]，由于骨質疏松癥患病率和人類預期壽命的增加，OVCF的發生率也在上升[19]。目前OVCF的治療已成為日益普遍而且治療費用昂貴的公眾健康問題[20]，經過保守治療后多數病例的疼痛會逐漸緩解，但不少患者的軀體疼痛仍會持續存在，同時還可以出現嚴重的脊柱畸形，并最終導致相關遠期并發癥，例如肺功能下降、消化功能紊亂、步態異常、及鄰近椎體骨折產生[21]，OVCF還存在潛在的不穩定性，容易發生骨折不愈合導致節段失穩，形成假關節或者后凸畸形愈合等[22]，因此治療存在一定的難度和風險。OVCF的非手術治療適用于癥狀及體征較輕，影像學檢查為輕度壓縮骨折、無法耐受手術者。椎體強化手術治療適用于非手術治療無效、疼痛明顯，不宜長時間臥床者；不穩定壓縮骨折、骨折塊不愈合或內部囊性變、椎體壞死，能耐受手術者，治療方法可選經皮椎體成形術（Percutaneous vertebroplasty，PVP）和經皮椎體后凸成形術（Percutaneous kyphoplasty，PKP）兩種椎體強化手術，因為PVP手術潛在較大的骨水泥滲漏風險而目前更多的傾向于PKP治療[23]。因為OVCF患者非手術治療由于長期臥床可能造成諸多的并發癥[24]，而椎體強化手術的出現，因其創傷小、能有效緩解疼痛，可早期下床活動以及減少老年人長期臥床的并發癥而被廣泛使用，如今這項技術已經成為治療疼痛性椎體壓縮骨折的金標準[25]。

中醫功能復位理論已經在國內中醫骨傷科及中西醫結合骨科得到廣泛的認可，功能復位是指骨折復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]。該理論的運用還得益于中國中西醫結合治療骨折的經驗總結，尚天裕教授等前輩提出了“動靜結合，筋骨并重，內外兼治，醫患合作”的原則，認為功能是骨折治療的生命，在實踐中系統地總結出一套骨折復位的標準并稱之為“功能復位”，針對胸腰椎壓縮骨折，即不主張對胸腰椎壓縮骨折用機械外力強行復位，也不同意對其畸形置之不理[28]。OVCF發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后凸，嚴重時甚至引起脊柱失衡[29]，椎體強化治療后，壓縮椎體高度的恢復在椎體前、中部可以恢復到原椎體高度的81%和78%[30]，而且使用中醫復位手法結合手術的結果也是一樣的[31]，盡管沒有達到解剖復位，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位現象是客觀存在的，但如何滿足功能復位的要求，復位多少才能夠稱為功能復位，這個問題不論是中醫還是現代醫學均沒有一個確切的答案。本實驗當中發現盡管術后椎體高度恢復不一致，但術后傷椎椎體所承受的載荷并無統計學差異，為OCVF椎體強化治療后功能復位的可行性提供了生物力學依據。

圖6 椎體強化術后T12椎體載荷云圖

FEA又稱有限元法，通過計算機模擬的方法研究力學問題，成為了現代生物力學發展的一個巨大成就[32]。FEA方法能夠用來檢測人體模型當中每個部分內在的相互作用[33]，可以用來分析骨質疏松椎體壓縮骨折的生物力學變化[34]。FEA證實椎體強化術可以恢復骨折椎體的機械穩定性，預測到骨水泥增強術后骨折椎體可以具有長期的穩定性[7]。FEA還證實椎體強化術中骨水泥量增加以后可以導致相鄰椎體骨折風險增加[35]，使用大體積的骨水泥對增加繼發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化后骨折椎體功能復位椎體的生物力學變化。

綜上，文章通過將功能復位的理論問題與OVCF椎體強化治療的臨床問題利用FEA方法進行研究，是對中醫骨傷功能復位理論進行科學研究的一種嘗試。通過研究發現，經椎體強化治療后，盡管骨折椎體高度只能達到功能復位的水平，但是不同高度之間的力學載荷差異并沒有統計學意義，與臨床研究成果當中發現功能復位后臨床效果的結果是一致的，進一步證實了中醫功能復位的可靠性和科學性。

但是本研究仍然存在不足，最主要問題為三維模型和實際人體結構還有一定差距，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中還有進一步提高的空間。

4 結論

本研究的目的在于通過有限元分析的方法尋找中醫功能復位理論指導椎體強化術治療OVCF的生物力學依據。研究結果證實盡管椎體強化術后傷椎椎體高度恢復不同，但椎體應力變化無顯著差異，結合中醫功能復位的相關理論，可以認為椎體強化術后椎體的復位達到了功能復位標準，而且在椎體強化術后傷椎達到功能復位即可滿足臨床治療需要，說明中醫功能復位適用于指導椎體強化術的臨床治療。在不考慮其他周圍結構的應力改變的前提下，為了滿足環節臨床治療的需要，達到盡快緩解患者癥狀的目的，OVCF椎體強化治療只要達到功能復位即可，并不要求絕對追求傷椎椎體高度的恢復。

該研究從有限元分析生物力學研究的角度，論證了中醫功能復位理論的科學性和可行性，也進一步證實了中醫功能復位理論指導OVCF椎體強化治療的臨床實用性。

1 韋以宗.中國骨傷科學辭典.北京:中國中醫藥出版社,2001:89.

2 于沂陽,劉勃,陳偉，等.2008-2012年河北醫科大學第三醫院老年骨折流行病學特征分析.中華老年骨科與康復電子雜志,2016,2(3):172-176.

3 岑澤波.中醫傷科學.上海:上海科技出版社,1985:70.

4 王和鳴,黃桂成.中醫骨傷科學.北京:中國中醫藥出版社,2012:143.

5 李大鵬,黃永輝,左華,等.OVCFs患者經皮后凸成形術后椎體高度恢復的影響因素分析.中國矯形外科雜志,2017,25(14):1249-1253.

6 杜桂迎,余衛,林強,等.WHO雙能X線吸收儀骨質疏松癥診斷標準及其相關問題.中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志,2016,9(3):330-338.

7 Genant H K,Wu C Y,Van Kuijk C,et al.Vertebral fracture assessment using a semiquantitative technique.J Bone Miner Res,1993,8(9):1137-1148.

8 Liang D,Ye L Q,Jiang X B,et al.Biomechanical effects of cement distribution in the fractured area on osteoporotic vertebral compression fractures:a three-dimensional finite element analysis.J Surg Res,2015,195(1):246-256.

9 Polikeit A,Nolte L P,Ferguson S J.The effect of cement augmentation on the load transfer in an osteoporotic functional spinal unit:finite-element analysis.Spine(PhilaPa1976),2003,28(10):991.

10 Baroud G,Nemes J,Heini P,et al.Load shift of the intervertebral disc after a vertebroplasty:a finite-element study.Eur Spine J,2003,12(4):421-426.

11 Goel V K,Kong W,Han J S,et al.A combined finite element and optimization investigation of lumbar spine mechanics with and without muscles.Spine(Phila Pa1976),1993,18(11):1531-1541.

12 Zhang L,Yang G,Wu L,et al.The biomechanical effects of osteoporosis vertebral augmentation with cancellous bone granules or bone cement on treated and adjacent non-treated vertebral bodies:a finite element evaluation.Clin Biomech(Bristol,Avon),2010,25(2):166-172.

13 Xu G,Fu X,Du C,et al.Biomechanical effects of vertebroplasty on thoracolumbar burst fracture with transpedicular fixation:a finite element model analysis.Orthop Traumatol Surg Res,2014,100(4):379-383.

14 Qiu T X,Teo E C,Zhang Q H.Effect of bilateral facetectomy of thoracolumbar spine T11-L1 on spinal stability.Med Biol Eng Comput,2006,44(5):363-370.

15 Liao J C,Fan K F,Keorochana G,et al.Transpedicular grafting after short-segment pedicle instrumentation for thoracolumbar burst fracture:calcium sulfate cement versus autogenous iliac bone graft.Spine(Phila Pa1976),2010,35(15):1482-1488.

16 Denis F.The three-column spine and its significance in the classification of acute thoracolumbar spinal injuries.Spine(Phila Pa1976),1983,8(8):817-831.

17中華醫學會骨質疏松和骨礦鹽疾病分會.原發性骨質疏松癥診療指南(2017).中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志,2017,10(5):413-443.

18 Svensson H K,Olsson L,Hansson T,et al.The effects of person-centered or other supportive interventions in older women with osteoporotic vertebral compression fractures-a systematic review of the literature.Osteoporos Int,2017,28(9):1-20.

19 Hemama M,Fatemi N E,Gana R.Percutaneous vertebroplasty in Moroccan patients with vertebral compression fractures.Pan Afr Med J,2017,26.

20 Svensson H K,Olofsson E H,Karlsson J,et al.A painful,never ending story:older women's experiences of living with an osteoporotic vertebral compression fracture.Osteoporos Int,2016,27(5):1729-1736.

21 Pongchaiyakul C,Nguyen N D,Jones G,et al.Asymptomatic vertebral deformity as a major risk factor for subsequent fractures and mortality:a long-term prospective study.J Bone Miner Res,2005,20(8):1349-1355.

22 Mc Kiernan F,Faciszewski T,Jensen R.Latent mobility of osteoporotic vertebral compression fractures.J Vasc Interv Radiol,2006,17(9):1479-1487.

23 邱貴興,裴福興,胡偵明,等.中國骨質疏松性骨折診療指南(全文).中華關節外科雜志(電子版),2015,9(6):795-798.

24 金才益,曾忠友,徐阿炳,等.胸腰椎骨折單純椎弓根螺釘系統治療的遠期結果.中國脊柱脊髓雜志,2002,12(5):398-399.

25 周躍.微創脊柱外科:技術、循證與爭論.濟南:山東科學技術出版社,2015:218.

26 王和鳴,黃桂成.中醫骨傷科學.北京:中國中醫藥出版社,2012:143.

27 施杞,王和鳴.骨傷科學.北京:人民衛生出版社,2001:732.

28 尚天裕,顧云五.中西醫結合治療骨折.天津:天津大學出版社,1990:253-255.

29 張義龍,任磊,孫志杰,等.椎體成形后新發椎體壓縮骨折:與骨質疏松及脊柱矢狀位序列失衡有關.中國組織工程研究,2016,20(35):5263-5269.

30 牛廣續,劉振峰,王振斌,等.經皮椎體成形高黏度骨水泥注入修復老年椎體壓縮骨折:椎體高度恢復評價.中國組織工程研究,2015,19(38):6126-6132.

31 馮獻禮,趙景才,高彤.手法復位聯合PKP治療老年骨質疏松性椎體骨折效果分析.山東醫藥,2016,56(14):93-94.

32 湯亭亭,裴國獻,李旭.骨科生物力學暨力學生物學.濟南:山東科技出版社,2009:16-21.

33 馬信龍,馬劍雄,徐衛國,等.骨科生物力學研究的測量方法學專家共識.中國骨質疏松雜志,2014,20(9):1039-1054.

34 郝定均,謝恩,張子如,等.數字化建模在老年骨質疏松椎體壓縮性骨折椎體成形術的應用研究.中國骨質疏松雜志,2013,19(4):319-323.

35 Cho A R,Cho S B,Lee J H.Effect of Augmentation Material Stiffness on Adjacent Vertebrae after Osteoporotic Vertebroplasty Using Finite Element Analysis with Different Loading Methods.Pain Physician,2015,18(6):E1101-1110.

36 Kim J M,Shin D A,Byun D H,et al.Effect of bone cement volume and stiffnesson occurrences of adjacent vertebral fractures after vertebroplasty.J Korean Neurosurg Soc,2012,52(5):435-440.