椎体后凸成形术对邻近节段力学影响的有限元分析

作者:王炳强[1] 唐海[2] 李锦军[1] 杨雍[1] 李东[1] 
单位:首都医科大学附属友谊医院[1]
北京友谊医院[2]
   【摘要】 目的 用有限元方法探索椎体后凸成形术(PKP)对相邻椎体的力学影响,探讨相邻椎体继发骨折的病因。方法 利用MIMICS软件对一例T12压缩骨折PKP手术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10-L2的三维有限元模型,设置0.3 MPa、1.0 MPa、4.0 MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价手术对骨折相邻椎体的力学影响。结果 成功建立了PKP手术前后的三维有限元模型,当轴向压力以0.3 MPa、1.0 MPa、4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。PKP术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11-12 、T12-L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11、L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10、L2)的最大应力明显减少。结论 PKP术后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和术后生物力学行为的改变有关。 
   骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fracture,OVCF)是骨质疏松症的最常见并发症[1-2]。在美国骨质疏松性骨折的发病率就超过150万例/年,其中1/3-1/2为OVCF[1][3],OVCF好发于脊柱胸腰段和中胸段,患者因长期遭受疼痛而丧失活动功能,目前已经成为患者及临床医生所面临的严重问题。经皮椎体成形术(Percutancous Vertebroplasty, PVP)及经皮球囊扩张椎体后凸成形术(Percutancous Kyphoplasty, PKP)由于其创伤小,缓解疼痛和纠正后凸畸形效果好[4-6] ,已成为治疗因骨质疏松或肿瘤转移而导致的椎体压缩性骨折最广泛的方法之一[7] 。同时随着其广泛应用,越来越多的临床研究发现椎体成形术后相邻椎体骨折的问题[8-9] ,椎体增强后对相邻椎体的力学影响受到越来越多的关注。 
   本研究利用临床真实病例建立PKP手术前后的脊柱胸腰段三维有限元模型,探索骨质疏松椎体压缩骨折PKP术后对邻近椎体及椎间盘的力学影响,并试图通过模型推测PKP术后继发相邻椎体骨折的可能原因。
1 对象与方法
1.1 对象
   选取临床一例PKP手术病例,患者女性,72岁,1月前因不慎摔倒出现腰背疼痛,X线检查发现T12椎体压缩性骨折,抗骨质疏松药物等保守治疗后症状不缓解,遂行经皮椎体后凸成形术(PKP),术后症状缓解明显。在签署知情同意书后先行X线检查排除脊柱畸形和破坏等病理性病变,并通过MRI证实为单椎体T12压缩骨折。
1.2 方法
1.2.1 对CT图像进行三维重建:
   用交互式医学图像控制系统MIMICS软件10.01(Materialise’s Interactive Mederical Image Control System,缩写MIMICS)对CT图片进行预处理和三维重建。采用美国通用(GE)电气医疗集团生产的64排螺旋CT对患者PKP手术前后的脊柱进行断层扫描,扫描T10-L2,管电压 120KV, 管电流 200mA,扫描层厚1mm,层间距 1mm,以DICOM格式DVD刻盘保存。将图像数据以DICOM格式导入MIMICS软件,将T10-L2节段的二维数据重建为体数据。本研究把每一个椎体都作为单独的实体区分出来,模型均通过图像分割的方法获得。由于骨质疏松性椎骨形状极不规则,椎间盘和椎体之间、上下小关节面之间的界限很难区分,本研究大量采用手工分割的方法,在MIMICS三维视窗里进行相互参照,并将初步重建的三维图像经FEA——Remesher导入MIMICS自带的网格划分程序Magics 9.9(MIMICS Remesher)划分面网格,最终得到优化后的包括T12骨折椎体在内的4个运动节段手术前后的面网格三维模型(图1)。


图1 MIMICS将二维数据重建为三维实体
(a)PKP术前正侧位像 (b) PKP术后正侧位像及骨水泥情况(黄色部分)
1.2.2 将面网格三维模型输出到ABAQUS软件中转化为体网格三维模型 
   经过MIMICS中的FEA模块对所研究的手术前后3D模型优化并划分面网格后,在ABAQUS 6.8前处理器中利用Mesh工具将面网格模型转化为体网格模型,获得胸椎T10(术前:76767个单元;术后:76294个单元)、胸椎T11(术前:89153个单元;术后:96703个单元)、胸椎T12(术前:98760个单元;术后:102798个单元)、腰椎L1(术前:122445个单元;术后:122715个单元)、L2(术前:143829个单元;术后:148673个单元)、T10-11椎间盘(术前:8681个单元;术后:9775个单元)、T11-12椎间盘(术前:13618个单元;术后:13205个单元)、T12-L1椎间盘(术前:21322个单元;术后:18830个单元),L1-2椎间盘(术前:42893个单元;术后:44677个单元)共617468(术前)和633670个(术后)个单元,单元类型为C3D4(4节点线性四面体)。PKP术后骨水泥部分导入ABAQUS体网格化后再重新导入MIMICS中赋予其材料属性(骨水泥HU值1000-3000,可以与其他组织明显分离)。
1.2.3 定义材料及截面属性 
   在ABAQUS中根据以往文献对骨质疏松椎体的生物力学研究对椎体的皮质骨、松质骨、软骨终板、椎弓根&横突&棘突&椎板(简化处理为后部结构)、椎间盘的纤维环和髓核分别定义材料和截面属性(表1),因为患者为老年女性,椎间盘已严重退变,故模型中将椎间盘材料定义为退变[10]
1.2.4 组装模型 
   按照人体脊椎的实际解剖结构在ABAQUS组装各个模型单元(图2),同时补充前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、关节囊韧带、横突间韧带等主要韧带,本研究中参考以往文献以弹簧单元模拟上述韧带结构。同时定义上述韧带的材料属性[11-12](表2)。




图2. ABAQUS下组装后的三维有限元模型


表2 脊椎有限元模型主要韧带材料属性

主要韧带

弹性模量(MPa)

横截面积(mm2)

平均长度(mm)

刚度=弹性模量×

横截面积/平均长度( N/mm )

前纵韧带

7.8

22.4

20

8.74

后纵韧带

10

7.0

12

5.83

黄韧带

17

14.1

15

15.38

横突间韧带

10

0.6

32

0.19

关节囊韧带

7.5

10.5

5

15.75

棘间韧带

10

14.1

13

10.85

棘上韧带

8.0

10.5

22

2.39

1.2.5 定义接触及相互作用 
   本研究主要选取“面——面”接触方式,按各部分在空间的相对位置组装好后,根据实际解剖情况定义接触面。上下椎体终板与椎间盘之间的接触定义为无相对位移的“tie”模式来处理,以上下终板为主面,椎间盘上下面为从面;PKP术后骨水泥和T12椎体也定义为“tie”模式。上下小关节间的接触定义为有限滑动接触(Finite sliding),摩擦系数为0.2,主面选取上关节面。
1.2.6 设定边界条件和载荷 
   本研究假定L2椎体固定,故设定边界条件为L2椎体底部及后部结构底部固定,无任何方向的位移和旋转(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。由于人体在正常情况下直立站立时相当于对椎体垂直向下施加0.3MPa的轴向压力,故为模拟椎体的正常站立、一般活动和突然跌倒等受力情况,在T10椎体的上终板逐步施加0.3 MPa、1.0 MPa、4.0 MPa轴向压力,观察不同载荷情况下力的分布情况。
3 结 果 
   对模型施加不同的轴向载荷进行验证,观察模型的受力情况。本研究主要采用Von Mises应力作为主要的力学分析指标,观察PKP手术前后骨折椎体(T12)相邻终板及椎间盘的应力分布及各椎体的所受最大应力变化情况。
3.1. PKP手术前后增强椎体相邻终板的受力分布 
   不论手术前后,增强椎体(T12)相邻终板(T11下终板、L1上终板)的受力都不均匀,PKP术后受力较术前增大,局部受力有增大的情况,但是受力分布区域的变化不大(见图3);

图3. 1.0Mpa下增强椎体相邻终板的受力云图(a.术前;b.术后)
3.2. PKP手术前后各椎间盘的受力分布
Von Mises应力云图显示PKP术前椎间盘的应力分布极不均匀,周边纤维环及部分髓核部位都承受着较大的应力;PKP术后椎间盘的受力分布范围改变不大,但是相邻椎间盘(T11-12和T12-L1)的局部受力有增大的情况(见图4)。

图4. 1.0Mpa下增强椎体相邻椎间盘的受力云图(a.术前;b.术后)
3.3. PKP手术前后胸腰段各椎体所受最大Von Mises应力 
   如图5所示,在0.1Mpa的轴向压力下,胸腰段各椎体PKP术前的最大应力分别为19.53Mpa(T10)、24.08Mpa(T11)、29.75Mpa(T12)、33.83Mpa(L1)和54.78Mpa(L2),PKP术后的最大应力分别为13.96Mpa(T10)、25.98Mpa(T11)、30.02Mpa(T12)、40.55Mpa(L1) 和17.06Mpa(L2);在1.0Mpa的轴向压力下,胸腰段各椎体PKP术前的最大应力分别为65.11Mpa(T10)、80.26Mpa(T11)、99.1Mpa(T12)、114Mpa(L1)和176.7Mpa(L2),PKP术后的最大应力分别为46.52Mpa(T10)、86.59Mpa(T11)、100.1Mpa(T12)、135.2Mpa(L1) 和56.88Mpa(L2);在4.0Mpa的轴向压力下,胸腰段各椎体PKP术前的最大应力分别为260.5Mpa(T10)、321Mpa(T11)、396.7 
   Mpa(T12)、450.9Mpa(L1)和731.4Mpa(L2),PKP术后的最大应力分别为186.1Mpa(T10)、346.3Mpa(T11)、400.2Mpa(T12)、540.7Mpa(L1) 和227.5Mpa(L2)。结果表明随着轴向负荷的增加,各椎体所受的最大Von Mises应力呈线性增加;在不同的轴向压力下增强椎体(T12)手术前后的最大应力变化不明显(增加1%左右),其相邻椎体T11和L1的最大应力分别增加了8%和20%左右,而上下端椎体(T10和L2)的最大应力却明显减少(分别  减少29%和69%左右)。




图5:不同轴向压力下PKP手术前后胸腰段各椎体所受最大Von Mises应力

4 讨论 
   PVP和PKP术后相邻椎体继发骨折的问题一直是临床研究热点之一。许多临床病例研究显示椎体增强后相邻椎体骨折概率增加。Uppin AA等[8]回顾性研究了177例接受PVP治疗的患者,在大于2年的时间内22名患者发生了36例继发骨折,其中有67%出现在相邻节段。Fribourg等[9]对其医院接受PKP治疗的38例患者进行跟踪调查,平均8个月的时间内10名患者发生了17例继发骨折,其中9例在相邻上节段,4例在相邻下节段,其余4例在远节段。Baroud等[13]则通过有限元研究认为椎体增强会使得相邻椎体及终板受力均增加。 
   PVP和PKP术后引起相邻椎体骨折的原因还不确定,主要观点包括:仅仅是骨质疏松症的自然进展;PVP和PKP术后压缩椎体的强化使得相邻椎体受力增加所致;其他原因如手术导致骨水泥分布不均或者椎间盘渗漏等。由于尸体实验及动物试验的局限性,本研究力图用有限元分析的方法从临床实例来观察PKP术后对相邻节段的力学影响,探讨和推测相邻椎体继发骨折的病因。 
   从影像学特征来说,OVCF常见有三种类型:楔形压缩骨折,双凹形压缩骨折和粉碎性压缩骨折,其中是楔形压缩骨折最常见(51%)[14],最常见的部位是胸腰段和胸椎,且容易首先发生骨折的地方通常是T12和L1,造成后凸畸形,这主要是T12和L1所处的解剖学位置与众不同,即处在相对固定的胸椎和活动较多的腰椎之间。本研究以胸腰段(T12)单椎体OVCF的临床病例作为研究对象,参考了不同的文章生物力学的测定结果,对不同的组织的物理特性做了定义,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性。利用患者手术前后的脊柱CT数据直接进行原始数据重建,比起以前利用CT轮廓进行重建更接近于真实,成功地建立了包括T12骨折椎体的在内的4个脊柱功能单位(T10-L2)的有限元模型,不仅对椎体重要的结果如皮质骨、松质骨及椎间盘的纤维环、髓核等进行了细致的划分,而且保留了重要的后部结构,还补充了前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、关节囊韧带、横突间韧带等椎体周围主要韧带,并用线性张力性弹簧模拟其属性(由于韧带从生理结构上,只承受拉力作用,不受压力作用),使得本模型更趋近于真实情况,为进一步进行生物力学研究奠定了基础。 
   由Von Mises应力云图(图3和图4)分布来看,无论手术前后,增强椎体(T12)相邻终板(T11下终板、L1上终板)和相邻椎间盘的受力分布都极不均匀,PKP术后对受力分布区域的影响不大,但是存在局部受力增大的情况。进一步对不同轴向载荷下各椎体的最大应力的定量分析(图5)中,我们发现随着轴向负荷的增加,各椎体所受的最大Von Mises应力也呈线性增加;PKP术后各椎体所受最大应力出现了重新分布:在不同的轴向压力下增强椎体(T12)相邻椎体T11和L1的最大应力分别增加了8%和20%,而上下端椎体(T10和L2)的最大应力却明显减少。因此,我们的研究结果表明,PKP术后可以增加相邻椎间盘和相邻终板的局部应力,并使得相邻椎体的最大应力明显增加,这和Baroud等 [13] 的研究结果相似,为椎体增强导致邻近椎体继发骨折理论提供了一定的证据,当然,这些结果还有待于动物实验或尸体实验的进一步验证。 
   综上所述,我们认为PKP术后上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和术后生物力学行为的改变有关。
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