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(guò)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的負(fù)荷應(yīng)力時(shí)發(fā)生。由于耗費(fèi)高、危險(xiǎn)大、病死率高，受到全世界的關(guān)注[1]。針對(duì)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(duì)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(jià)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(cè)機(jī)械性能方面有很大的潛力，能通過(guò)計(jì)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(shì)，很多傳統(tǒng)力學(xué)和數(shù)學(xué)工具無(wú)法解決的骨科力學(xué)問(wèn)題，通過(guò)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(duì)FEA進(jìn)行OVCF臨床研究方法的新研究進(jìn)展、近年來(lái)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(wèn)題以及在未來(lái)發(fā)展中的方向。

1 FEA的簡(jiǎn)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(gè)腰椎椎間盤(pán)有限元模型后，該類(lèi)模型的建立也越來(lái)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(pán)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(kāi)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(guò)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(dòng)。

FEA作為一種離散化數(shù)值計(jì)算方法，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和有效性已成為骨科生物力學(xué)研究方法之一[14]?；驹硎菍⒆杂蛇B續(xù)體進(jìn)行離散化，即將其分割成有限個(gè)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(lèi)型的小單元，再得出每個(gè)小單元的作用方程，將整個(gè)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(wèn)題[15]。為使更加真實(shí)逼真，目前，有限元模型能模擬椎間盤(pán)、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(duì)于各個(gè)工況下的受力情況和不同運(yùn)動(dòng)階段的生物力學(xué)作用變化趨勢(shì)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(shuō)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(xiǎn)升高。對(duì)此，Kuijer等[17]進(jìn)一步得出，超25 kg的載荷是OVCF另一高風(fēng)險(xiǎn)因素。Das等[18]的模型說(shuō)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?chē)颓熬壍膽?yīng)力增大，從而增加了相鄰椎體再骨折的風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)5～12.6倍。對(duì)此，馮杰榮等[19]進(jìn)一步說(shuō)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(guò)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(shí)，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(xiǎn)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(dòng)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(xiǎn)[21]。隨著治療方式的不斷更新，對(duì)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(wú)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(cè)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(shì)相結(jié)合，無(wú)疑將其潛力充分發(fā)揮。

近年來(lái)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(guò)穩(wěn)定骨折裂隙，減少由體重和活動(dòng)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(shí)間較晚，是在PVP基礎(chǔ)上改良所得，對(duì)于兩者安全性和其他方面的對(duì)比成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[23，26]，隨著FEA的廣泛應(yīng)用，近年來(lái)對(duì)于該熱點(diǎn)相關(guān)問(wèn)題有了進(jìn)一步進(jìn)展。

3.1 FEA在對(duì)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(duì)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(wú)顯著的改善。對(duì)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?xún)?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(duì)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(duì)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(méi)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(shí)，椎體的初始剛度恢復(fù)小于15%，而注射量達(dá)3.5 mL時(shí)，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(huì)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(dòng)作，同時(shí)還建議針對(duì)不同骨質(zhì)疏松患者給予不同的骨水泥量，對(duì)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(xiǎn)；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(dòng)，保證傷椎剛度。對(duì)此，李飛虎等[32]亦說(shuō)明這一點(diǎn)，并建議在PVP術(shù)前術(shù)后對(duì)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(shuō)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(xiǎn)，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(duì)比分析應(yīng)用

對(duì)于穿刺入路方式，劉祥飛等[34]通過(guò)建立有限元模型后說(shuō)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(duì)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(shí)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(guò)臨床實(shí)驗(yàn)對(duì)比亦證明了這點(diǎn)。對(duì)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(xiǎn)，因此，在行椎體強(qiáng)化術(shù)時(shí)應(yīng)盡量恢復(fù)傷椎椎體高度。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)，F(xiàn)EA作為一種耗時(shí)短、費(fèi)用少、可重復(fù)且無(wú)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(cuò)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(duì)不同患者如何做到快速設(shè)計(jì)個(gè)體化差異，為FEA帶來(lái)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(dòng)靜轉(zhuǎn)化狀態(tài)，其在分析運(yùn)動(dòng)時(shí)不足，這是未來(lái)FEA的一個(gè)重要發(fā)展方向。另外，針對(duì)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(cè)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(wèn)題，需進(jìn)一步行離體或在體實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。最后，受限于大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和建模時(shí)間長(zhǎng)以及極其復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)EA對(duì)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(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)、定量分析椎體強(qiáng)度的一種無(wú)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(jià)值。