有限元分析法在椎体成形术中的应用进展

钱程 蒋涛

南京中医药大学常州附属医院骨伤科，江苏常州 213000

第七次全国人口普查结果显示，我国人口老龄化进一步加剧，骨质疏松症及其引发的脆性骨折发病率不断上升，严重影响老年人群的生活质量及健康寿命。骨质疏松性椎体压缩骨折是由于骨质疏松导致椎体密度、骨强度及骨质量降低而极易发生的脆性骨折，对于压缩严重或不稳定的椎体骨折应考虑行手术治疗[1]。近年来，经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）依靠微创、有效止痛、快速恢复等优势逐渐发展成治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的首选方式[2]。然而，临床观察表明，PVP 在广泛应用的同时也存在诸多问题，临床上较常见的术后并发症有椎体应力集中引发邻近椎体骨折、骨水泥渗漏引起神经根压迫、致死性肺栓塞等[3]。有限元分析法基于人体脊柱计算机断层扫描（computed tomography，CT）的原始数据构建出压缩椎体PVP 术前、术后的三维有限元模型，并对模型进行全方面、多角度的生物力学模拟实验，通过分析和对比实验数据能够精准地反映椎体的力学应变，从而有效地制订手术方案、优化手术设计、提高手术疗效、减少手术并发症。

1 有限元分析法的简介

有限元分析法是一种能够模拟复杂物理系统的数学建模方法。它的基本原理是将一个由无限个质点组成并且有无限个自由度的连续体近似为有限个单元所组成的集合体，这样就使结构、运动复杂的研究对象的力学参数计算成为可能[4]。有限元分析法最初被用来解决航空工程中结构设计的诸多问题[5]。20 世纪80 年代科研人员开始将有限元分析法应用于脊柱的生物力学领域中。其在脊柱生物力学的运用主要分为3 个阶段：①建模阶段：使用CT 对研究对象提取相应数据，运用图像建模软件如Mimics 搭建三维有限元模型；②计算阶段：根据研究对象各元素的不同属性进行材料赋值，对构建完成的模型施加载荷，最后通过专业软件如Abaqus 获得研究对象的受力数据；③后处理阶段：通过动态地改变载荷从而获得一组分析数据，将数据汇总后进行再次分析。随着计算机技术的迅速发展，椎体、椎间盘、韧带、肌肉等结构和组织的有限元模型被更加完整、精确地建立起来。相较于传统的生物力学研究方法，有限元分析法有优良的可替换性及可重复性，它通过个性化设定相关条件和材料属性能够尽可能地还原脊柱复杂的结构特点。

2 利用有限元分析法改进PVP

双侧椎弓根入路和单侧椎弓根入路是临床上实施PVP 的常规入路方式，自PVP 诞生以来就有大量关于对比两种入路优劣的研究。有研究认为双侧入路较单侧入路更能使骨水泥填充物均匀弥散从而更好地恢复椎体强度与刚度[6]；而有学者认为单侧入路能够获得更大的外展角度同样可以使骨水泥得到有效分布，并且可以缩短手术操作时间及减少术中透视次数[7]。为了探究采取不同入路的PVP 对于脊柱生物力学的影响，越来越多的学者开始使用有限元分析法进行研究。Xu 等[8]分别对椎体进行单侧、双侧和中央区骨水泥增强，发现在不同载荷下双侧和中央区骨水泥注入法的支撑力优于单侧注入骨水泥。然而这一研究只考虑到骨水泥在不同位置的应力表现而未将骨水泥量的影响纳入研究。刘祥飞等[9]建立有限元模型模拟单、双侧PVP 术后椎体的应力变化，研究显示单侧入路注入骨水泥较双侧入路有轻度应力增加，并与骨水泥注入量呈正相关，但并没有成比例增加，生物力学效果与双侧入路相近。隆全利等[10]应用有限元分析法对比分析两种入路后发现两者术后的生物力学分布无明显差异。这说明在一定的骨水泥量下，单侧和双侧入路可以达到相似的生物力学水平。另外，为了兼具单侧与双侧入路的优点，有医疗机构开展了采用弯角椎体成形装置的PVP，该装置不仅能达到双侧入路术式骨水泥均匀分布的效果，并且具有单侧入路省时、创伤小的优势[11]。一些文献使用三维有限元分析的方法定量观测PVP 术后骨水泥分布特点，为进一步生物力学分析提供可参考的临床数据[12-13]。有限元分析法通过对术后椎体实际的扫描图像建立模型进行力学分析，能直观地考察骨水泥在注入椎体后产生的力学改变。姚龚等[14]通过有限元分析法发现骨水泥注入椎体后产生不同的弥散方式可能对骨折椎体的力学环境存在极大影响。陈荣彬等[15]在此基础上建立弥散型、团块型、混合型这三种骨水泥弥散类型的有限元模型，比较各种模型在不同载荷情况下的应力情况。研究提示骨水泥呈团块型分布将明显增加术椎的应力从而极有可能导致术后椎体塌陷，并且骨水泥呈混合型分布可能是最佳的弥散方式。骨水泥的弥散方式在一定程度上会影响椎体的应力表现，这提示未来的研究可以通过改进手术设备改善骨水泥弥散状态，从而最大限度地接近正常人类椎体的力学水平。单纯的PVP 仅能增加椎体强度但并不能恢复椎体高度，经皮后凸椎体成形术（percutaneous kyphoplasty，PKP）是在PVP 基础上改良所得，其相较于PVP 能够恢复椎体的高度和形态，其球囊装置能够减少骨水泥渗漏率。目前有大量研究比较这两种手术方法在临床的实际疗效。郭秀珍等[16]建立模拟采用PVP 和PKP 治疗胸腰椎椎体三明治骨折有限元模型，发PKP 模型相较于PVP 模型的胸腰段刚度显著增加，最大应力变化及变形量明显减少。Ottardi 等[2]使用有限元模型分析发现PVP 术后椎体实变引起椎间盘内应力增高，而在相同情况下使用PKP 能够减少终板25%的应力。提示PKP 术后生物力学特性可能优于PVP。笔者认为利用有限元分析法能够直观地体现术后脊柱的生物力学改变，这比运用传统的视觉模拟评分法及腰椎功能障碍指数评估手术疗效更为客观准确。

3 利用有限元法确定骨水泥最佳注入量

椎体成形术及PKP 在临床上能有效缓解椎体压缩性骨折引起的疼痛，其原理是在影像设备透视下将骨水泥注射到塌陷的椎体中，通过稳定骨折裂隙，填充疏松的骨组织，达到稳定骨折、恢复椎体高度、增加椎体强度、缓解疼痛的目的[17]。然而椎体的骨水泥注入过多会导致水泥渗漏引发严重的并发症，注入过少则达不到临床治疗的效果。至今仍然没有一个公认的、确切的数据表明骨水泥量达到多少能够有效治疗骨折并且不会渗漏。为了明确不同剂量的骨水泥填充物对椎体产生的生物力学影响，众多学者使用数字技术建立三维有限元模型来计算最佳的骨水泥注入量。李家琼等[18]的有限元研究发现，骨质疏松程度的加重和骨水泥注入量的增加可导致椎体应力增加，在扭转载荷下应力变化最大。故针对骨折变形小且疏松程度严重的椎体应选择1.8 ml 剂量的骨水泥。王德国等[19]通过有限元法模拟2～6 ml 骨水泥注入椎体后的分布情况后提出在PKP 中使用4 ml 左右的骨水泥量能够得到良好疗效并能减少邻椎骨折的风险。但是这些研究都忽略了患者的个体差异，事实上骨折椎体的大小及压缩程度都应在考量范围之内。有学者将骨水泥的注射量（ml）除以椎体体积（cm3）得出填充比率，其认为这一比率即骨水泥灌注率较骨水泥的绝对值更有意义[20]。韦武等[21]在一项研究中根据椎体刚度恢复所需的骨水泥体积分别设置10%和20%的注射量，通过有限元实验发现10%的骨水泥可完全达到比较理想的止痛效果，且骨水泥渗漏的情况大为减少。Kwon等[22]则认为骨水泥体积达到椎体的27.8%时恢复最佳。何仁建等[23]基于Mimics 软件通过有限元分析法评估PVP 术中骨水泥的安全剂量，其研究指出按骨水泥量/椎体体积比15%～24%注射骨水泥能够达到满意的临床效果并且并发症较少。PVP 的安全性及有效性很大程度上取决于注入骨水泥的剂量，笔者倾向于使用骨水泥灌注率来确定剂量范围，其认为只有达到一个安全有效的骨水泥最低阈值才能取得最佳的临床疗效，而有限元分析法为探索出这一阈值提供了可能。过往研究者们只能通过体外实验及临床随访来摸索骨水泥最佳剂量，这些方法大多费时费力且误差较大，有限元分析法可以方便、精确地模拟出不同骨水泥体积对椎体的影响，极大地改善了研究现状。

4 利用有限元分析法评估新型骨水泥材料

目前临床上常用的骨水泥材料是聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl mechacrylate，PMMA），其作用机制是注射到压缩椎体内逐渐凝固从而维持椎体强度，减轻疼痛。然而PMMA 存在低黏滞性、高放热反应、高强度等缺点[24]。从生物力学的角度来看，固化后的PMMA弹性模量与正常椎体组织差异巨大，这有可能是导致PVP 术后邻近椎体骨折的诱因。马朋朋等[25]通过有限元分析法分研究发现，随着骨水泥模型弹性模量逐渐增高，相邻椎体在屈伸活动下容易发生新的骨折。因此调配合适硬度的骨水泥能够减少术后邻椎骨折发生的风险。研究提示，在PMMA 中加入某种物质如脂肪酸、亚酸油或透明质酸钠等可以降低骨水泥凝固后的弹性模量，但同时也明显降低了骨水泥的耐压强度[26]。近年来一些新型复合骨水泥材料进入临床工作者的视野中，有学者使用有限元分析法探究这些新材料用于PVP 及PKP 的可行性和可靠性。Ghavimi 等[27]在临床研究中设计了以壳聚糖为基础的水凝胶骨水泥制剂，实验结果表明水凝胶骨水泥制剂既保留了传统骨水泥的机械性能，又具有生物活性骨水泥骨长入的特点。薛经来等[28]采用带负电荷硫酸钙B-磷酸三钙复合骨水泥GENEX 行1 例PVP，术后有限元研究结果显示植入GENEX 骨水泥后并没有显著增加术椎相邻节段椎间盘的应力。GENEX 相较于传统PMMA材料具有无毒性、塑性强、低发热性的优点，其在生物相容性和骨诱导性方面有突出优势。有研究通过有限元分析法模拟采用无铝玻璃聚烯烃水泥和PMMA 分别撑开同一骨折椎体，经过力学试验后发现经无铝玻璃聚烯烃水泥增强后椎体的最大应力较PMMA 降低了1/2，这表明无铝玻璃聚烯烃水泥具有更好的生物力学性能[29]。复合骨水泥材料在生物力学、生物降解度、生物相容性上要优于PMMA，然而要应用到实际临床中去还需要考虑诸多问题，由于这些复合材料还处于研究阶段，其临床价值及安全性还需进一步验证，但相信复合材料是未来骨水泥材料的一个主要发展方向。PMMA 目前仍然是临床上运用最广泛的骨水泥材料，相信不久的将来能研制出一款安全、无毒、可降解、生物相容性高并且价格低廉的新型材料。

5 有限元可用于PVP 术后药物疗效评估及骨折风险预测

骨质疏松症具有明显的易骨折危险性，有研究发现约有50%的椎体骨折由骨质疏松所致[30]。这类骨折患者在接受PVP 治疗后常需要进行抗骨质疏松药物治疗。应用有限元分析法可以对药物进行大样本量、多中心的对照研究。Graeff 等[31]对骨质疏松的绝经后女性使用人类硬化蛋白单克隆抗体Romosozumab 治疗后，建立有限元模型表明服用3 个月的Romosozumab可以使椎体骨小梁和皮质骨质量快速改善且能增强整体骨强度持续6 个月。Keaveny 等[32]通过基于脊柱计算机定量断层扫描建立的有限元模型进行狄诺塞麦疗效评估，证实使用狄诺塞麦治疗增加了脊柱强度。有限元作为评估PVP 术后药物疗效的先进手段具有诸多优势，比如有限元是非侵入性和破坏性的手段，其能够准确评估药物对骨微结构的影响；另外有限元借助三维建模技术能动态地计算椎体强度，帮助了解不同药物的潜在作用机制。因跌倒导致椎体压缩骨折的患者大多因骨质疏松面临极大的骨折风险，目前临床上主要依靠双能X 线片吸收测定法测量骨密度来评估骨折风险，但是仅依靠骨密度测定无法体现骨骼强度。有限元分析法作为脊柱生物力学研究方法之一逐渐被科研工作者重视，基于有限元分析法通过不同骨质灰度建立三维模型，融合了生物力学、几何学及生物形态学等优势，越来越多的学者认为有限元分析法是一个极具前景的骨折预测工具。Imai[33]进行了123 例绝经后妇女椎体强度与椎体骨折鉴别能力的横断面评估，认为基于CT 的非线性有限元法可以准确地预测椎体抗压强度及骨折部位。国内学者通过有限元分析法分析骨质疏松患者的胸腰段椎体在不同工况下力学变化，并与人体正常模型进行分析比较，针对椎体是否存在压缩骨折的风险进行预测[34]。有限元分析法具有无创测量、精准定量、条件可控、动态监测、可重复性等特点，可以预见的是，其将会在预测骨质疏松患者发生骨折的风险中大有作为。

6 小结

随着计算机及软件能力的提升，有限元分析法能更精细地模拟椎体、椎间盘，并且能将脊柱周围的韧带、肌肉加入模型，使模型越发贴近真实。通过有限元分析法对腰椎生物力学的分析，可以更优化PVP 以减少术后并发症，同时为骨质疏松性椎体压缩骨折的早期预防、诊断和治疗开辟新的突破口。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确程度受制于扫描设定条件，一份低质量CT 图像将从源头上决定了模型的失败。另外有限元模型的构建需要依靠大量的数据运算，从建模、分析到得出结果需要耗费大量时间，临床工作者进行相关研究需要具备一定的生物力学知识，这在一定程度上限制了有限元分析法在临床上的推广。即使目前有限元分析法还存在诸多缺点，这也不妨碍其在生物力学领域巨大的发展前景，值得期待有限元分析法将在未来成为更好、更新、更为可靠的研究方法。