錢程 蔣濤

南京中醫(yī)藥大學(xué)常州附屬醫(yī)院骨傷科，江蘇常州 213000

第七次全國(guó)人口普查結(jié)果顯示，我國(guó)人口老齡化進(jìn)一步加劇，骨質(zhì)疏松癥及其引發(fā)的脆性骨折發(fā)病率不斷上升，嚴(yán)重影響老年人群的生活質(zhì)量及健康壽命。骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折是由于骨質(zhì)疏松導(dǎo)致椎體密度、骨強(qiáng)度及骨質(zhì)量降低而極易發(fā)生的脆性骨折，對(duì)于壓縮嚴(yán)重或不穩(wěn)定的椎體骨折應(yīng)考慮行手術(shù)治療[1]。近年來(lái)，經(jīng)皮椎體成形術(shù)（percutaneous vertebroplasty，PVP）依靠微創(chuàng)、有效止痛、快速恢復(fù)等優(yōu)勢(shì)逐漸發(fā)展成治療骨質(zhì)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(yīng)用的同時(shí)也存在諸多問題，臨床上較常見的術(shù)后并發(fā)癥有椎體應(yīng)力集中引發(fā)鄰近椎體骨折、骨水泥滲漏引起神經(jīng)根壓迫、致死性肺栓塞等[3]。有限元分析法基于人體脊柱計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）的原始數(shù)據(jù)構(gòu)建出壓縮椎體PVP 術(shù)前、術(shù)后的三維有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行全方面、多角度的生物力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，通過分析和對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠精準(zhǔn)地反映椎體的力學(xué)應(yīng)變，從而有效地制訂手術(shù)方案、優(yōu)化手術(shù)設(shè)計(jì)、提高手術(shù)療效、減少手術(shù)并發(fā)癥。

1 有限元分析法的簡(jiǎn)介

有限元分析法是一種能夠模擬復(fù)雜物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法。它的基本原理是將一個(gè)由無(wú)限個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成并且有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體近似為有限個(gè)單元所組成的集合體，這樣就使結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的研究對(duì)象的力學(xué)參數(shù)計(jì)算成為可能[4]。有限元分析法最初被用來(lái)解決航空工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的諸多問題[5]。20 世紀(jì)80 年代科研人員開始將有限元分析法應(yīng)用于脊柱的生物力學(xué)領(lǐng)域中。其在脊柱生物力學(xué)的運(yùn)用主要分為3 個(gè)階段：①建模階段：使用CT 對(duì)研究對(duì)象提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用圖像建模軟件如Mimics 搭建三維有限元模型；②計(jì)算階段：根據(jù)研究對(duì)象各元素的不同屬性進(jìn)行材料賦值，對(duì)構(gòu)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(duì)象的受力數(shù)據(jù)；③后處理階段：通過動(dòng)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(jìn)行再次分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，椎體、椎間盤、韌帶、肌肉等結(jié)構(gòu)和組織的有限元模型被更加完整、精確地建立起來(lái)。相較于傳統(tǒng)的生物力學(xué)研究方法，有限元分析法有優(yōu)良的可替換性及可重復(fù)性，它通過個(gè)性化設(shè)定相關(guān)條件和材料屬性能夠盡可能地還原脊柱復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2 利用有限元分析法改進(jìn)PVP

雙側(cè)椎弓根入路和單側(cè)椎弓根入路是臨床上實(shí)施PVP 的常規(guī)入路方式，自PVP 誕生以來(lái)就有大量關(guān)于對(duì)比兩種入路優(yōu)劣的研究。有研究認(rèn)為雙側(cè)入路較單側(cè)入路更能使骨水泥填充物均勻彌散從而更好地恢復(fù)椎體強(qiáng)度與剛度[6]；而有學(xué)者認(rèn)為單側(cè)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(shù)操作時(shí)間及減少術(shù)中透視次數(shù)[7]。為了探究采取不同入路的PVP 對(duì)于脊柱生物力學(xué)的影響，越來(lái)越多的學(xué)者開始使用有限元分析法進(jìn)行研究。Xu 等[8]分別對(duì)椎體進(jìn)行單側(cè)、雙側(cè)和中央?yún)^(qū)骨水泥增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)在不同載荷下雙側(cè)和中央?yún)^(qū)骨水泥注入法的支撐力優(yōu)于單側(cè)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(yīng)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(cè)PVP 術(shù)后椎體的應(yīng)力變化，研究顯示單側(cè)入路注入骨水泥較雙側(cè)入路有輕度應(yīng)力增加，并與骨水泥注入量呈正相關(guān)，但并沒有成比例增加，生物力學(xué)效果與雙側(cè)入路相近。隆全利等[10]應(yīng)用有限元分析法對(duì)比分析兩種入路后發(fā)現(xiàn)兩者術(shù)后的生物力學(xué)分布無(wú)明顯差異。這說(shuō)明在一定的骨水泥量下，單側(cè)和雙側(cè)入路可以達(dá)到相似的生物力學(xué)水平。另外，為了兼具單側(cè)與雙側(cè)入路的優(yōu)點(diǎn)，有醫(yī)療機(jī)構(gòu)開展了采用彎角椎體成形裝置的PVP，該裝置不僅能達(dá)到雙側(cè)入路術(shù)式骨水泥均勻分布的效果，并且具有單側(cè)入路省時(shí)、創(chuàng)傷小的優(yōu)勢(shì)[11]。一些文獻(xiàn)使用三維有限元分析的方法定量觀測(cè)PVP 術(shù)后骨水泥分布特點(diǎn)，為進(jìn)一步生物力學(xué)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(duì)術(shù)后椎體實(shí)際的掃描圖像建立模型進(jìn)行力學(xué)分析，能直觀地考察骨水泥在注入椎體后產(chǎn)生的力學(xué)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(chǎn)生不同的彌散方式可能對(duì)骨折椎體的力學(xué)環(huán)境存在極大影響。陳榮彬等[15]在此基礎(chǔ)上建立彌散型、團(tuán)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(yīng)力情況。研究提示骨水泥呈團(tuán)塊型分布將明顯增加術(shù)椎的應(yīng)力從而極有可能導(dǎo)致術(shù)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(huì)影響椎體的應(yīng)力表現(xiàn)，這提示未來(lái)的研究可以通過改進(jìn)手術(shù)設(shè)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(xué)水平。單純的PVP 僅能增加椎體強(qiáng)度但并不能恢復(fù)椎體高度，經(jīng)皮后凸椎體成形術(shù)（percutaneous kyphoplasty，PKP）是在PVP 基礎(chǔ)上改良所得，其相較于PVP 能夠恢復(fù)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(shù)方法在臨床的實(shí)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(yīng)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(shù)后椎體實(shí)變引起椎間盤內(nèi)應(yīng)力增高，而在相同情況下使用PKP 能夠減少終板25%的應(yīng)力。提示PKP 術(shù)后生物力學(xué)特性可能優(yōu)于PVP。筆者認(rèn)為利用有限元分析法能夠直觀地體現(xiàn)術(shù)后脊柱的生物力學(xué)改變，這比運(yùn)用傳統(tǒng)的視覺模擬評(píng)分法及腰椎功能障礙指數(shù)評(píng)估手術(shù)療效更為客觀準(zhǔn)確。

3 利用有限元法確定骨水泥最佳注入量

椎體成形術(shù)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(shè)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(dá)到穩(wěn)定骨折、恢復(fù)椎體高度、增加椎體強(qiáng)度、緩解疼痛的目的[17]。然而椎體的骨水泥注入過多會(huì)導(dǎo)致水泥滲漏引發(fā)嚴(yán)重的并發(fā)癥，注入過少則達(dá)不到臨床治療的效果。至今仍然沒有一個(gè)公認(rèn)的、確切的數(shù)據(jù)表明骨水泥量達(dá)到多少能夠有效治療骨折并且不會(huì)滲漏。為了明確不同劑量的骨水泥填充物對(duì)椎體產(chǎn)生的生物力學(xué)影響，眾多學(xué)者使用數(shù)字技術(shù)建立三維有限元模型來(lái)計(jì)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(zhì)疏松程度的加重和骨水泥注入量的增加可導(dǎo)致椎體應(yīng)力增加，在扭轉(zhuǎn)載荷下應(yīng)力變化最大。故針對(duì)骨折變形小且疏松程度嚴(yán)重的椎體應(yīng)選擇1.8 ml 劑量的骨水泥。王德國(guó)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(fēng)險(xiǎn)。但是這些研究都忽略了患者的個(gè)體差異，事實(shí)上骨折椎體的大小及壓縮程度都應(yīng)在考量范圍之內(nèi)。有學(xué)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(rèn)為這一比率即骨水泥灌注率較骨水泥的絕對(duì)值更有意義[20]。韋武等[21]在一項(xiàng)研究中根據(jù)椎體剛度恢復(fù)所需的骨水泥體積分別設(shè)置10%和20%的注射量，通過有限元實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10%的骨水泥可完全達(dá)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(rèn)為骨水泥體積達(dá)到椎體的27.8%時(shí)恢復(fù)最佳。何仁建等[23]基于Mimics 軟件通過有限元分析法評(píng)估PVP 術(shù)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(dá)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(lái)確定劑量范圍，其認(rèn)為只有達(dá)到一個(gè)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(shí)驗(yàn)及臨床隨訪來(lái)摸索骨水泥最佳劑量，這些方法大多費(fèi)時(shí)費(fèi)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(duì)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(píng)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(jī)制是注射到壓縮椎體內(nèi)逐漸凝固從而維持椎體強(qiáng)度，減輕疼痛。然而PMMA 存在低黏滯性、高放熱反應(yīng)、高強(qiáng)度等缺點(diǎn)[24]。從生物力學(xué)的角度來(lái)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(dǎo)致PVP 術(shù)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(dòng)下容易發(fā)生新的骨折。因此調(diào)配合適硬度的骨水泥能夠減少術(shù)后鄰椎骨折發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。研究提示，在PMMA 中加入某種物質(zhì)如脂肪酸、亞酸油或透明質(zhì)酸鈉等可以降低骨水泥凝固后的彈性模量，但同時(shí)也明顯降低了骨水泥的耐壓強(qiáng)度[26]。近年來(lái)一些新型復(fù)合骨水泥材料進(jìn)入臨床工作者的視野中，有學(xué)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(shè)計(jì)了以殼聚糖為基礎(chǔ)的水凝膠骨水泥制劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水凝膠骨水泥制劑既保留了傳統(tǒng)骨水泥的機(jī)械性能，又具有生物活性骨水泥骨長(zhǎng)入的特點(diǎn)。薛經(jīng)來(lái)等[28]采用帶負(fù)電荷硫酸鈣B-磷酸三鈣復(fù)合骨水泥GENEX 行1 例PVP，術(shù)后有限元研究結(jié)果顯示植入GENEX 骨水泥后并沒有顯著增加術(shù)椎相鄰節(jié)段椎間盤的應(yīng)力。GENEX 相較于傳統(tǒng)PMMA材料具有無(wú)毒性、塑性強(qiáng)、低發(fā)熱性的優(yōu)點(diǎn)，其在生物相容性和骨誘導(dǎo)性方面有突出優(yōu)勢(shì)。有研究通過有限元分析法模擬采用無(wú)鋁玻璃聚烯烴水泥和PMMA 分別撐開同一骨折椎體，經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)經(jīng)無(wú)鋁玻璃聚烯烴水泥增強(qiáng)后椎體的最大應(yīng)力較PMMA 降低了1/2，這表明無(wú)鋁玻璃聚烯烴水泥具有更好的生物力學(xué)性能[29]。復(fù)合骨水泥材料在生物力學(xué)、生物降解度、生物相容性上要優(yōu)于PMMA，然而要應(yīng)用到實(shí)際臨床中去還需要考慮諸多問題，由于這些復(fù)合材料還處于研究階段，其臨床價(jià)值及安全性還需進(jìn)一步驗(yàn)證，但相信復(fù)合材料是未來(lái)骨水泥材料的一個(gè)主要發(fā)展方向。PMMA 目前仍然是臨床上運(yùn)用最廣泛的骨水泥材料，相信不久的將來(lái)能研制出一款安全、無(wú)毒、可降解、生物相容性高并且價(jià)格低廉的新型材料。

5 有限元可用于PVP 術(shù)后藥物療效評(píng)估及骨折風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

骨質(zhì)疏松癥具有明顯的易骨折危險(xiǎn)性，有研究發(fā)現(xiàn)約有50%的椎體骨折由骨質(zhì)疏松所致[30]。這類骨折患者在接受PVP 治療后常需要進(jìn)行抗骨質(zhì)疏松藥物治療。應(yīng)用有限元分析法可以對(duì)藥物進(jìn)行大樣本量、多中心的對(duì)照研究。Graeff 等[31]對(duì)骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)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(gè)月的Romosozumab可以使椎體骨小梁和皮質(zhì)骨質(zhì)量快速改善且能增強(qiáng)整體骨強(qiáng)度持續(xù)6 個(gè)月。Keaveny 等[32]通過基于脊柱計(jì)算機(jī)定量斷層掃描建立的有限元模型進(jìn)行狄諾塞麥療效評(píng)估，證實(shí)使用狄諾塞麥治療增加了脊柱強(qiáng)度。有限元作為評(píng)估PVP 術(shù)后藥物療效的先進(jìn)手段具有諸多優(yōu)勢(shì)，比如有限元是非侵入性和破壞性的手段，其能夠準(zhǔn)確評(píng)估藥物對(duì)骨微結(jié)構(gòu)的影響；另外有限元借助三維建模技術(shù)能動(dòng)態(tài)地計(jì)算椎體強(qiáng)度，幫助了解不同藥物的潛在作用機(jī)制。因跌倒導(dǎo)致椎體壓縮骨折的患者大多因骨質(zhì)疏松面臨極大的骨折風(fēng)險(xiǎn)，目前臨床上主要依靠雙能X 線片吸收測(cè)定法測(cè)量骨密度來(lái)評(píng)估骨折風(fēng)險(xiǎn)，但是僅依靠骨密度測(cè)定無(wú)法體現(xiàn)骨骼強(qiáng)度。有限元分析法作為脊柱生物力學(xué)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(zhì)灰度建立三維模型，融合了生物力學(xué)、幾何學(xué)及生物形態(tài)學(xué)等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為有限元分析法是一個(gè)極具前景的骨折預(yù)測(cè)工具。Imai[33]進(jìn)行了123 例絕經(jīng)后婦女椎體強(qiáng)度與椎體骨折鑒別能力的橫斷面評(píng)估，認(rèn)為基于CT 的非線性有限元法可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)椎體抗壓強(qiáng)度及骨折部位。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過有限元分析法分析骨質(zhì)疏松患者的胸腰段椎體在不同工況下力學(xué)變化，并與人體正常模型進(jìn)行分析比較，針對(duì)椎體是否存在壓縮骨折的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)[34]。有限元分析法具有無(wú)創(chuàng)測(cè)量、精準(zhǔn)定量、條件可控、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、可重復(fù)性等特點(diǎn)，可以預(yù)見的是，其將會(huì)在預(yù)測(cè)骨質(zhì)疏松患者發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)中大有作為。

6 小結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)及軟件能力的提升，有限元分析法能更精細(xì)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(shí)。通過有限元分析法對(duì)腰椎生物力學(xué)的分析，可以更優(yōu)化PVP 以減少術(shù)后并發(fā)癥，同時(shí)為骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的早期預(yù)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(shè)定條件，一份低質(zhì)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(gòu)建需要依靠大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，從建模、分析到得出結(jié)果需要耗費(fèi)大量時(shí)間，臨床工作者進(jìn)行相關(guān)研究需要具備一定的生物力學(xué)知識(shí)，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(diǎn)，這也不妨礙其在生物力學(xué)領(lǐng)域巨大的發(fā)展前景，值得期待有限元分析法將在未來(lái)成為更好、更新、更為可靠的研究方法。