骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性影响的有限元分析

背景：经皮椎体强化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折时，强化椎内骨水泥弥散类型主要为中部分离、中部融合、前部分离和不均匀分离4种，目前尚无研究对比这4种骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性的影响。目的：运用三维有限元法分析骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性的影响。方法：构建T12骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型，然后模拟双侧椎体成形手术，其中骨水泥分中部分离、中部融合、前部分离和不均匀分离4种弥散类型，设置材料属性参数、边界条件、施加载荷(在T10上终板持续施加垂直向下260 N载荷，同时分别施加前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转10 N·m力矩)，分别导入LS-DYNA软件求解。结果与结论：(1)在所有加载条件下，不均匀分离模型的骨水泥应力最大；左侧屈曲时，不均匀分离模型的骨水泥最大应力比中部分离模型、中部融合模型、前部分离模型分别高出4.4,8.6,4.8倍；中部分离、前部分离、不均匀分离模型左侧屈时的骨水泥最大米塞斯应力最大，中部融合模型右侧屈时的骨水泥最大米塞斯应力最大，所有模型左右旋转时的骨水泥最大米塞斯应力最小；(2)左右旋转时，不均匀分离模型的松质骨-水泥界面的最大米塞斯应力小于其他模型，其他工况下各模型的松质骨-水泥界面的最大米塞斯应力相似；4种模型左右侧屈时的松质骨-水泥界面的最大米塞斯应力最大；(3)各模型T12上终板和下终板的最大米塞斯应力趋势相似，且相同工况下无明显差异；在所有加载条件下，各模型间T12上终板和下终板的最大米塞斯应力无明显差异；在所有加载条件下，各模型间T11/12、T12/L1椎间盘最大米塞斯应力无明显差异；(4)当位移3.5 mm时，中部分离模型的载荷最小，为40 N；中部融合和前部分离模型的载荷为50 N；不均匀分离模型的载荷最大，是中部分离模型的2倍；(5)结果显示，骨水泥不均匀分离会显著增加骨水泥应力，因此椎体强化术中应使骨水泥在椎体骨折区域充分且对称分布，并适当增大骨水泥与松质骨界面接触的面积。

1 材料和方法Materials and methods

1.1 设计

4种骨水泥弥散类型的三维有限元分析。

1.2 时间及地点

实验于2022年7月在广州中医药大学第一附属医院完成。

1.3 材料

选取1例T12骨质疏松性椎体压缩骨折女性患者的影像资料，身高158.0 cm，体质量50.0 kg。在征得患者同意的情况下，获取其胸腰段CT及MRI资料。采用德国西门子公司生产的64排螺旋CT和3.0T MRI扫描该患者的胸腰段，扫描层厚以及层间距分别约为0.6 mm和1.0 mm，扫描图像以DICOM格式保存。该研究已通过柳州市中医医院伦理委员会批准(审批号：2021-KY-KT-02-01)。

1.4 方法

1.4.1 构建有限元模型

应用Mimics 19.0医学图像重建软件读取CT的DICOM格式文件，然后通过阈值分割、擦除、填充等功能提取T10-L2的影像学资料，将编辑好的蒙版逆向重建T10-L2模型。将初步重建的模型导入到Geomagic Studio2015逆向工程软件进行光滑处理椎骨模型，通过划分网格、构造格栅、拟合曲面等处理后得到更为优化、仿真的三维模型，拟合生成NURBS曲面，并将各自椎骨模型生成几何实体，输出为STP文件。此外，在3D slicer 5.0.2软件中导入MRI的DICOM文件，通过阈值分割和剪刀工具对T10-L2椎间盘进行分割并三维重建，保存为STL格式文件。基于以上步骤在MRI重建椎间盘组织，保存为STEP格式。将椎体和椎间盘的模型导入SolidWorks 2021软件中，对几何模型进行特征识别和曲面诊断，对有问题的曲面进行修复。将椎体和椎间盘模型组成装配体，使用装配中的测量、检查功能排除生物组件的干涉存在。装配成功后将以上组件导入Hypermesh 2019有限元前处理软件中。

首先，在Hypermesh软件中应用LS-DYNA模块，使用各向同性的弹塑性材料公式对骨骼组织进行建模，该材料具有单独的弹塑性力学响应，其中弹性区域的末端定义为骨骼的屈服应力。皮质骨使用2-D四边形壳单元建模，松质骨则使用3-D实心四面体单元建模。另外，通过find faces功能构建椎体上下方的骨性终板，并赋予相关弹塑性材料。皮质骨、松质骨和骨性终板均为共节点，从而避免多余的接触关系影响运算。椎间盘分别构建为纤维环基质和髓核模型，均被建模为六面体网格。此外，根据纤维环基质和髓核模型构建软骨终板和纤维环纤维。以上结构之间均为共节点。纤维环基质赋予黏弹性Hill＿Form泡沫本构模型；髓核赋予弹性流体材料；每层纤维材料使用四边形Fully integrated Belytschko-Tsay膜单元属性，材料角度分别为60°，52.5°和45°，并赋予非线性正交各向异性特征，实验数据拟合为纤维环的每个纤维层的连续应力-应变曲线。使用四边形壳单元构建椎间小关节，并与后方结构的皮质骨共节点，使用弹性材料，模量为10 MPa，上、下关节软骨之间为无摩擦的非线性接触关系。最后，T10-L2的韧带应用弹塑性1-D beam单元，韧带包括黄韧带、前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带及关节囊韧带，韧带的起始点位置参考解剖书上描述的附着点。在不同组织交界处采用共节点的方式进行连接，避免了复杂的接触问题。材料曲线置入非线性应力-应变曲线。

1.4.2构建经皮椎体强化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折模型

在T12骨折椎的左右两侧分别植入一个圆柱体骨水泥柱，以模拟双侧经皮椎体强化术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折。骨水泥材料的属性采用临床常用的骨水泥(聚甲基丙烯酸甲酯)材料属性参数，标准的单个骨水泥柱的体积约为2 mL[26]。根据临床上经皮椎体强化手术后CT观察到的骨水泥在骨折区域的弥散特点，分别模拟以下4种骨水泥分布类型：(1)中部分离：两骨水泥柱均在椎体中部区域，且上下对称分布，骨水泥不相连；(2)中部融合：两骨水泥柱居于椎体中部，几乎相连；(3)前部分离：两骨水泥柱完全在椎体前1/2弥散，且不相连；(4)不均匀分离：一侧充分弥散(2 mL)，另一侧部分弥散(1 mL)，且不相连。

1.4.3 材料属性与边界条件

三维有限元模型各结构属性参数具体见表1。将骨水泥与T12松质骨间的摩擦系数设定为0.3[27]，关节间设定为无摩擦的接触。完全固定模型的L2下终板，在T10上终板持续施加260 N载荷，压力方向垂直向下，并使该载荷均匀分布于整个终板的表面。同时，分别施加前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转10 N·m力矩，以模拟人体在各个自由度下的活动程度。将模型分别保存为K文件导出。

1.5 主要观察指标

在LS-DYNA软件中设置运行内核和内存提交运算，分别导入K文件，运算结果于Hyperview 2019软件中查看。4个模型主要对比的指标：(1)骨水泥最大米塞斯应力、应变；(2)松质骨-水泥界面最大米塞斯应力；(3) T12上、下终板最大米塞斯应力；(4) T11/12和T12/L1椎间盘最大米塞斯应力；(5)骨水泥的压缩载荷-位移曲线。

2.结果

成功构建经皮椎体强化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的4种不同骨水泥分布三维有限元模型，具体见图1。其中，中部分离模型具有158 559个节点和811 173个单元；中部融合模型具有158 651个节点和812 244个单元；前部分离模型具有158 806个节点和812 788个单元；不均匀分离模型具有156 146个节点和806 945个单元。

2.1 各组模型骨水泥最大米塞斯应力和应变

4种模型在不同工况下的骨水泥最大米塞斯应力、应变见图2所示。在所有加载条件下，不均匀分离模型的骨水泥最大米塞斯应力最大；左侧屈曲时，不均匀分离模型的骨水泥最大米塞斯应力比中部分离模型、中部融合模型、前部分离模型分别高出4.4,8.6,4.8倍；中部分离、前部分离、不均匀分离模型左侧屈时的骨水泥最大米塞斯应力最大，而中部融合模型右侧屈时的骨水泥最大米塞斯应力最大，所有模型左右旋转时的骨水泥最大米塞斯应力最小。骨水泥应变可以得到和最大米塞斯应力类似的结果。

2.2 各组模型松质骨-水泥界面最大米塞斯应力

松质骨-水泥界面的峰值应力能反映应力在椎体与骨水泥间的分布情况，目的是评估再骨折和骨水泥移位的风险，这是经皮椎体强化手术的重要并发症之一。4种模型的松质骨-水泥界面最大米塞斯应力见图3所示。左右旋转时，不均匀分离模型的松质骨-水泥界面最大米塞斯应力相比其他模型小，而在其他工况下，各模型的松质骨-水泥界面最大米塞斯应力相似；4种模型左右侧屈时的松质骨-水泥界面最大米塞斯应力都是最大的。

2.3 各组模型T12上、下终板的最大米塞斯应力

4种模型在不同工况下的T12上、下终板的最大米塞斯应力见图4所示。各模型组内T12上终板和下终板的最大米塞斯应力趋势相似，且在相同工况下无明显差异；在所有加载条件下，各模型间T12上终板和下终板的最大米塞斯应力差异不显著；但是，各模型左右旋转时的T12上、下终板最大米塞斯应力均比其他工况小。

2.4 各组模型T11/12和T12/L1椎间盘的最大米塞斯应力

4种模型在不同工况下的T11/12和T12/L1椎间盘最大应力见图5所示。在所有加载条件下，各模型不同工况下的T11/12和T12/L1椎间盘最大米塞斯应力差异不显著；对于T11/12椎间盘，各模型在左侧旋转时的最大米塞斯应力最大；对于T12/L1椎间盘，各模型在后伸和左侧屈曲方面时的最大米塞斯应力最大，且两种工况的最大米塞斯应力相似。

2.5 各组模型压缩的载荷-位移曲线

选择椎体中部作为位移点，各模型在压缩下的载荷-位移曲线见图6所示。当位移3.5 mm时，中部分离模型的载荷最小，为40 N；中部融合和前部分离模型的载荷为50 N；不均匀分离模型的载荷最大，是中部分离模型的2倍；并且，中部融合模型和前部分离模型几乎一致。

参考文献：吴智华,李任,潘慧玲等.骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性影响的有限元分析[J].中国组织工程研究,2023,27(30):4763-4768.

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