胸腰段血管瘤有限元模型建立及生物力学分析

摘    要：

背景:关于胸椎段肿瘤生物力学方面的研究比较多,但是有关有限元分析胸腰段椎体血管瘤骨折风险的研究不多。目的:建立胸腰段椎体血管瘤有限元模型,分析其生物力学分布特点,评估脊椎血管瘤的骨折风险。方法:建立T12-L2椎体的正常椎体、血管瘤椎体(血管瘤占椎体松质骨比例分别为20%,40%,60%,80%)、骨水泥填充椎体三维有限元模型,并进行力学分析。分别予以600 N垂直静态压力下正常椎体、血管瘤椎体、骨水泥填充的椎体等效应力分布及特点。结果与结论:(1)建立了有效的T12-L2椎体有限元模型。在静态压力作用下3组模型L1椎体皮质骨应力传导无明显差异,应力最大部均出现在椎弓根基底部、关节突关节及峡部;(2)在骨皮质完整情况下,椎体血管瘤占椎体松质骨20%-40%时病变椎体与正常椎体应力分布无统计学差异;当比例为60%-80%时,病变椎体与正常椎体应力分布有统计学差异;(3)建立的胸腰段三维有限元模型具有可用性;生物力学实验显示,椎体皮质骨完整性、松质骨破坏比例是椎体血管瘤骨折风险关键因素。

关键词：骨科植入物;脊柱植入物;有限元;椎体血管瘤;等效应力;国家自然科学基金;

0引言Introduction

椎体血管异常在临床上是一种常见的疾病,多为孤立性病变[1],但是对于其发病原因了解的并不多。有研究发现椎体血管异常的发病率约为10%,通常无明显症状,并可多年无症状或终生无发展,女性患者的发病率明显高于男性,而其中真正有症状的患者仅有0.9%-1.2%[2]。发病部位以胸椎最多,其余依次为腰椎、颈椎和骶椎[3]。患者多表现为神经根受压所导致的伴随症状,如慢性背痛或肌无力、尿便失禁等。一般情况下病情进展较缓慢,急性恶化的情况仅出现在少数病例。有相关学者把生物力学与有限元法运用了骨骼肌肉系统的重建研究中[4]。通过查找发现,目前尚无针对椎体血管异常有限元研究文献,作者希望通过研究能够回答,什么情况的血管瘤病变可致使椎体骨折,怎样的填充材质或固定方式可以带来更加好的预后。

有限元分析法(finite element method,FEM)是一种工程学的数值分析方法,其基本原理是把一个由无数个质点组成的并有无限个自由度的连续体近似为由的有限个单元所组成的集 合体[5]。实验采用Dicom数据直接建模法对胸腰段椎体血管瘤进行有限元建模,同时依此模型进行生物力学实验,获得椎体血管瘤椎体应力分布情况,评估椎体血管瘤患者的骨折风险,探索胸腰段椎体血管瘤三维有限元模型的建模方法和有限元方法在胸腰段椎体血管瘤临床治疗中的应用前景。

1 对象和方法Subjects and methods

1.1设计

有限元模型建立。

1.2时间及地点

2013年10月至2014年4月在新疆医科大学实验室完成。

1.3 对象

身体健康的成年女性志愿者,40岁,身高165 cm,体质量60 kg,无脊椎疾病及脊椎外伤,无骨质疏松及其他慢性病史。对实验方案了解同意并签署知情同意书书。详细查体及影像检查未见其他病变,其L1椎体血管瘤。

1.4 实验方法

1.4.1 有限元模型建立

采用的是64排螺旋CT平行扫描,床进速度0.707 mm/s,扫描层厚0.625 mm,螺旋扫描参数为:120 k V,36 m A。

将CT扫描的DICOM文件导入Mimics15.01软件中,形成蒙皮,通过光滑处理模块进行光滑处理,通过调整阈值,提取椎间盘轮廓,研究者手绘椎间盘大体模型。导入光滑处理软件中进行光滑处理,最终得到光滑后的椎间盘三维模型。前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带的3D模型的建立依照上面方法生成。使用布尔操作命令生成1 mm厚的皮质骨和内部松质骨的椎体结构,同样得到包含纤维环和髓核的椎间盘结构,最后完成实体模型的建立。

分别建立T12-L2节段正常、病变、骨水泥填充3种情况下的有限元模型,利用Meshing Tools中的volume划分工具对骨骼模型进行自动网格划分,局部实施网格细化,最后得到可以进行试验的有限元模型,其中每节段脊椎中的上下2个椎体设定为正常椎体,中间为病变椎体。有限元法可以有效地模拟临床手术行为和术后影响[6]。

1.4.2 各种结构不同的属性材料参数

分别赋予各种结构不同的属性材料参数(见表1)。

1.4.3 静态生物力学实验

病变椎体下方、双侧下关节面以及棘突下方予以固定。在已建立的T12-L2节段有限元模型椎体上表面放有密度均匀的3 mm厚的刚体,覆盖范围包括椎体及后部结构,在椎体及附件定义16个应力测量点(详见图1)。

1.5 主要观察指标

(1)检测给予600 N的垂直静态压力下病变椎体、正常椎体及经过骨水泥填充的椎体的等效应力分布及特点;(2)测量600 N垂直静态压力下病变椎体血管瘤占据椎体松质骨20%,40%,60%,80%时等效应力分布及特点。

1.6 统计学分析

将数据入SPSS 20.0统计软件,进行配对样本的t检验,检验标准P<0.05。

2 结果Results

2.1 建立胸腰椎的线性有限元模型

建立了椎体线性有限元模型,包括T12,L1,L2三节脊椎及二个椎间盘,以及棘上韧带、前纵韧带、后纵韧带。T12-L2段包含433 204个节点和257 892个单元模型,分别赋予骨性结构、椎间盘、韧带线弹性材料属性(图2)。经静态加载的椎间盘载荷实验得到的数据结果和文献一致[3],证实模型的力学相似性较好。

2.2 在600 N垂直应力下各部位应力分析结果

结果发现在椎弓根及上下关节突处,压力明显升高(图3)。三组椎体应力配对检验结果(见表2):正常椎体与血管瘤椎体受力及正常椎体与骨水泥填充椎体均无统计学差异(P>0.05),而骨水泥填充的椎体与血管瘤椎体之间的受力差异有显著性意义(P<0.05)。可见在血管瘤占松质骨比例较小时15%时,在皮质骨完整情况时,3种椎体皮质骨的应力分布无明显异常。

2.3 椎体血管瘤占椎体松质骨不同比例应力分析

由表3可以看出,20%、40%松质骨缺损椎体与正常椎体间应力分布差异无显著性意义(P>0.05),而60%、80%松质骨缺损椎体与正常椎体间应力分布差异有显著性意义(P<0.05)。

3 讨论Discussion

三维有限元分析方法因为其克服了传统生物力学的缺点,所以在脊柱生物力学的研究中广泛应用[7]。其通过离散化的有限单元代替原有物体,结点连接单元,而力则通过结点传递,从而成为了椎体生物力学研究的常用工具之一。应用骨是一种人体中的结缔组织,有着支撑身体、保护内脏器官及维持姿势等作用,并且可以在肌肉的牵拉下完成各种活动[8]。Zauel等[9]首次利用有限元分析法,分析了单轴向压力作用对人体松质骨骨小梁所产生的形变情况。椎体血管瘤是临床上常见的椎体病变,有研究发现尸检率约为10%,较多发生于胸椎,但大多数胸椎血管瘤患者无症状,无需处理[10]。而其中0.9%-1.2%的血管瘤会出现膨胀生长,导致压迫神经组织,最终出现神经症状,需要手术治疗。随着近年来内固定技术的发展,后路植骨融合在临床应用中更为普遍[11]。病椎在MRI中T1上表现为中等或低信号而T2上则为高信号,在CT中则表现为骨小梁紊乱增粗,骨质稀疏[12]。MRI表现为椎体内T1、T2高信号,类似脂肪的改变,一般提示血管瘤不活跃[13]。无症状的患者随访观察即可,而对于严重的椎体血管瘤如果不及时的治疗则可能出现严重的后果[14]。大量文献报道,对于椎体血管瘤应行经皮椎体成形术用以稳定椎体,因为很多专家认为椎体血管瘤骨折风险远高于此[15],是考虑到椎体血管瘤可能造成的椎体压缩性骨折所带来的风险。而椎体血管瘤是否真的会导致骨折风险增加及哪种类型的血管瘤会增加骨折风险至今尚无明确定论。

1975年,Liu首次报告了腰椎的三维有限元模型。Hakim和King模拟了腰椎后部结构特别是小关节的作用,进行了静力学和动力学分析。有专家通过建立胸腰段的有限元模型发现,髓核中心及后偏移是上下终板高应力的部位。Fei等[16]经过有限元建模并行生物力学实验证实:椎体皮质骨、终板、椎间盘分别承受43%、10%、13%的垂直应力。Su等[17]提出当强度在3 k N与5 k N之间时会存在不同的骨折风险,而当强度高于5 k N时是没有骨折风险的,在强度低于3 k N的时候骨折风险为100%。而本研究中在给予600 N的正常压力下,正常的椎体及病椎的应力值均低于此数值,而实验结果显示,此时椎体血管瘤仅占椎体松质骨的15%。椎间盘所受应力分布是不均的,各个椎体的前部所受的应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以椎体相邻部位更为明显。

在椎体应力分布上,Yan等[18]在椎体应力分布上采用挖空骨松质仅以外壳测量椎体轴向符合的办法已证实椎体骨密质可提供75%的椎体强度。相反,Erbulut等[19]则在胸腰椎标本中去掉骨皮质后检测松质骨的轴向负荷抗力,实验结果表明男性中皮质的负荷抵抗力为43.8%(29%-54%),而女性中则为35.2%(22%-44%)。Cao等[20]建立了有限元分析模型,分析结果标明34%的椎体压缩骨折发生在上终板或下终板附近,而63%的椎体压缩骨折发生在上下终板之间。王宇等[21]研究发现椎弓根螺钉各部分所承受的垂直应力远小于其他屈伸时所承受的应力。Crawford等[22]研究认为椎体屈曲强度对椎体骨折有之间影响,而椎体的前后径有对椎体的屈曲强度有影响。鲍春雨等[23]研究发现椎间盘内的应力不仅在前屈位大于后伸位并且有着自上而下增大的规律。Dall Ara等[24]通过非线性解剖特异的定量CT数据位依据建立的有限元分析模型,预测了体内椎体的力量。Oktenoglu等[25]的研究发现完整的的脊柱与加装稳定系统的脊柱在位移上没有差别。作者研究发现脊柱应力主要集中在终板中央,终板中央又是其结构的薄弱部位,如果持续的增加应力可能导致骨折的可能性增加,而临床上出现终板骨折的情况较多,并与上述文献相符。

为了进一步研究椎体血管瘤造成骨松质破坏对椎体应力所造成的影响,作者实验中把有限元模型设置松质骨缺损,采用同心圆的形式设计了缺损分别为20%,40%,60%,80%,同时将缺损赋值后采用弹性模量及泊松比模拟出了病变占椎体松质骨20%,40%,60%,80%的情况,在不同比例的情况下完成静态加压600 N,检测其中16个点的应力变化,结果与正常椎体在相同压力下做比较分析后证实,病椎与正常椎体终板应力均未超越3.6 MPa,椎体血管瘤在骨皮质完情况下,椎体血管瘤占椎体松质骨20%-40%的时候,正常椎体与病椎承受应力大小是一致的。这与既往研究结果致[26]。椎体血管瘤在骨皮质完整情况下,椎体血管瘤占椎体松质骨60%-80%的时候,正常椎体与病椎所承受应力大小是不一致的,结果有统计学意义,这也进一步证明了在骨皮质完整时,椎体病变与椎体松质骨的比例与椎体骨折风险相关,同时也证实明了当松质骨缺损大于60%以上时,病椎的骨折风险较正常椎体大。而当上下终板有应力超越3.6 MPa,骨折风险也会增加。

精确的诊断和正规的治疗计划对获得良好功能及较好远期疗效是很重要的[27]。胸腰段椎体血管瘤三维有限元模型能够较好的模拟胸腰椎血管瘤实际情况,可用于临床对胸腰椎血管瘤患者的生物力学分析,其结果可以指导制定胸腰椎血管瘤的治疗策略。有限元分析能够将复杂问题简单化,减少血管瘤骨折及术后并发症的发生,为胸椎血管瘤骨折的治疗提供新的科学依据。本研究结果显示:血管瘤对椎体的松质骨破坏比例及皮质骨是否完整是导致骨折的危险因素,由于椎体血管瘤很少发生在关节突及椎弓根,这些部位尚未考虑。有限元分析法仍需要较多的临床观察及术后的长期随访才能对胸椎血管瘤的发生发展过程提供参考。

参考文献：[1]江仁兵,董磊,刘启震等.胸腰段血管瘤有限元模型建立及生物力学分析[J].中国组织工程研究,2017,21(11):1753-1757.

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