引用本文： 程明, 彭詩語, 江嬌, 鄧力, 楊雪, 趙冠蘭. 不同治療方法對骨質疏松性胸腰椎壓縮骨折椎體力學穩定性影響的有限元分析. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(12): 1519-1523. doi: 10.7507/1002-1892.202208015 復制
骨質疏松癥是老年人群常見骨科疾病，以骨微管結構變化和骨量下降為主要病理特征，骨組織脆性增加，容易發生骨折[1-2]。骨質疏松性椎體壓縮骨折（osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF）可導致椎體高度丟失、椎體畸形、脊柱功能受限以及慢性或急性腰背疼痛，對患者身心健康造成嚴重危害[3]。OVCF可采取保守或手術治療，目前有關治療方法及其療效的研究較多，但是對于不同方法治療后椎體力學穩定性變化的研究較少。為此，我們進行了一項有限元分析，探討不同治療方法對胸腰椎OVCF脊柱穩定性的影響，為臨床選擇治療方法提供參考。報告如下。
1 研究對象及方法
1.1 研究對象
以2020年1月—2021年6月成都市金牛區人民醫院收治的10例OVCF患者為研究對象，其中5例行微創手術治療（手術組），5例行保守治療（保守治療組）。手術組：男2例，女3例；年齡56～83歲，平均69.3歲。病變節段：胸椎1例，腰椎1例，胸腰椎3例。手術類型：經皮椎體后凸成形術2例，經皮椎體成形術3例。保守治療組：男2例，女3例；年齡57～85歲，平均69.5歲。病變節段：胸椎1例，腰椎2例，胸腰椎2例。保守治療方法：患者臥硬板床，根據疼痛程度給予相應止痛藥，待疼痛緩解達到可耐受或者消失后停止用藥，同時予以補充鈣及維生素D的基礎骨質疏松治療方案，2個月后患者佩帶腰部支具進行功能鍛煉。選擇5例健康志愿者作為正常對照（正常對照組）。男2例，女3例；年齡55～80歲，平均69.1歲。3組研究對象年齡以及性別比較，差異均無統計學意義（P>0.05）。
1.2 研究方法
1.2.1 CT掃描
手術組及保守治療組于治療前3 d和治療后1個月行骨折椎體及鄰近節段椎體掃描，正常組行T12～L2椎體掃描檢查。采用德國西門子公司SOMATOM Emotion 16層螺旋CT儀，檢查時患者取仰臥位，對相應節段進行連續掃描，獲得數據以Dicom格式保存。掃描條件：電壓120 kV，電流125 mA，層厚0.62 mm，層間距0.5 mm。
1.2.2 三維模型構建
將CT數據導入Mimics 10.01軟件（Materialise公司，比利時），通過區域增長、填充空洞以及閾值分割等功能對骨與軟組織信息進行提取，利用三維建模功能并經Remesh操作，構建胸腰椎三維模型。然后將txt格式三維模型數據導入Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國），經點階段和封裝階段、多邊形階段、曲面階段等處理成實體模型，并以iges格式導出。
1.2.3 有限元模型構建
將三維模型導入Mimics 10.01軟件，得到Mimics操作的基本視窗界面，通過鼠標和定位工具欄快速定位，將提取的像素存放在一個新建的Mask里，對表面比較毛糙、不平滑可能影響后期力學軟件計算結果的部分進行幾何清理。再使用工具欄中的dilate、erode形態學處理功能將未填充孔洞和表面變平整，然后用FEM模塊網格劃分工具劃分三維模型表面，使骨骼殼組織生成，對殼組織網絡進行優化。按照上述步驟將各個椎間盤纖維環、髓核、軟組織、終板以及韌帶進行重建，獲得胸腰椎有限元模型（圖1）。有限元分析模型各結構材料屬性參數見表1。
圖1
三維有限元模型
a. 對照組；b、c. 手術組手術前后；d、e. 保守治療組治療前后
Figure1. Three-dimensional finite element modela. Control group; b, c. Operation group before and after operation, respectively; d, e. Conservative treatment group before and after treatment, respectively
表1
三維有限元模型各結構材料屬性參數
Table1.
Material properties of three-dimensional finite element model
1.2.4 三維有限元模型有效性驗證
基于當前國內外人體脊柱有限元研究文獻、實驗測量及有限元模型驗證結果[4-5]，分析正常對照組正常人體胸腰椎模型在不同運動狀態（左/右旋轉、左/右側彎、后伸以及前屈）下的活動度（range of motion，ROM）。
1.2.5 測量指標
正常對照組及手術組、保守治療組治療前后的左/右旋轉、左/右側彎、后伸及前屈ROM；正常對照組及手術組、保守治療組治療后軸向、左/右旋轉、左/右側彎、后伸及前屈結構應力。
1.3 統計學方法
采用SPSS20.0統計軟件進行分析。計量資料經正態性檢驗均符合正態分布，數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
正常對照組胸腰椎模型左/右旋轉、左/右側彎、后伸以及前屈狀態下ROM與文獻 ［6-10］報道結果相似，提示模型構建有效（表2）。治療后在不同運動狀態下，3組結構應力比較差異均有統計學意義（P<0.05）。見表3。治療前，手術組和保守治療組各向ROM均低于正常對照組，差異有統計學意義（P<0.05）；保守治療組和手術組差異無統計學意義（P>0.05）。治療后，正常對照組和手術組各向ROM均高于保守治療組（P<0.05）；手術組與正常對照組差異無統計學意義（P>0.05）。見表4。
表2
本研究三維有限元模型ROM與既往文獻比較（°）
Table2.
Comparison of the ROM of the three-dimensional finite element model in this study with previous studies (°)
表3
治療后3組不同運動狀態下結構應力比較（n=5，
，MPa）
Table3.
Comparison of structural stress under different conditions after treatment between groups (n=5, 
, MPa)
表4
3組不同運動狀態下ROM比較（n=5，
，°）
Table4.
Comparison of ROMs under different conditions between groups (n=5, 
, °)
3 討論
在人體脊柱結構中，脊柱胸腰段在維持正常荷載力量、人體姿勢變換以及生理狀態等多個方面發揮極其重要作用。脊柱有限元分析主要是利用數字形式概括人體脊柱結構形狀、內固定器械、載荷邊界條件以及材料性能等，運用計算機有限元模型，通過使任何參數的形狀、性質以及屬性等發生改變，在拓展性、重復性以及持續性的研究應用中，可以將脊柱結構內部和局部的生物學動態變化機制充分反映出來，模擬分析脊柱病理情況如創傷、退變、損傷和正常生理狀態，從而提供準確性較高的一組數據[4]。有研究指出，材料屬性改變和力學強度變化可影響脊柱椎體與周圍附屬結構及相鄰椎體應力的變化，也是出現一連串并發癥如脊柱后凸畸形加重、活動受限、腰背部疼痛、脊柱功能穩定性下降以及骨質疏松性骨折的一個重要因素[5]。利用有限元分析可以發現骨質疏松癥患者胸腰段椎體及附屬結構骨彈性模量的異常改變，并且以椎體壓縮骨折風險為基本依據，制定針對性預防策略。此外，對于不同骨質疏松癥患者開展預防性干預，使椎體及周圍結構的應力增加，增強骨骼肌肉系統的應力閾值，對脊柱關節的生物力學平衡進行重建，可以降低OVCF發生風險[6]。
目前，手術是常用的一種OVCF治療方法，尤其是椎體強化術，不僅具有較好止痛效果，使椎體保持穩定，還能促進塌陷椎體復位，矯正后凸畸形，具有早期活動、減輕機體疼痛以及創傷小等諸多優點，可以提高患者生活質量[7]。本研究結果顯示，手術組術后ROM較術前增加，說明經皮椎體后凸成形術和經皮椎體成形術治療OVCF可以獲得較好效果，能夠增強椎體力學穩定性。分析原因主要為經骨水泥強化治療后，可增強椎體穩定性，改變壓縮椎體的生物力學環境和材料屬性，增加椎體強度和剛度。同時，通過球囊擴張可以對椎體畸形進行矯正，使椎體排列恢復正常，椎體軸向負荷力線前移減少，改善上、下相鄰椎體的額外屈曲力矩，從而提高脊柱穩定性[8]。本研究通過比較分析各組治療后不同運動狀態下的結構應力，發現手術組和正常對照組均優于保守治療組（P<0.05），提示椎體強化術可以增強骨折椎體的機械穩定性，并且與有限元分析相結合，可以預測骨水泥增強后的骨骼穩定性。但需要注意的是，復位程度和狀態不同，對椎體長期穩定性的影響也存在一定區別；臨床隨訪結果顯示椎體強化術后由于不同復位狀態，還會出現諸多并發癥如腰背部疼痛、相鄰椎體骨折等，也是今后需要討論的問題[9-10]。
綜上述，有限元分析顯示采用微創手術治療OVCF可以獲得較好療效，與保守治療相比能提高脊柱穩定性，有助于改善患者預后，可以作為一種首選治療方法。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道
倫理聲明 研究方案經成都市金牛區人民醫院學術及倫理委員會批準
作者貢獻聲明 程明：研究設計、文章撰寫；彭詩語：數據收集；江嬌：數據及相關材料管理；鄧力：軟件錄入；楊雪：數據分析及處理；趙冠蘭：對文章的知識性內容作批評性審閱，行政支持
骨質疏松癥是老年人群常見骨科疾病，以骨微管結構變化和骨量下降為主要病理特征，骨組織脆性增加，容易發生骨折[1-2]。骨質疏松性椎體壓縮骨折（osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF）可導致椎體高度丟失、椎體畸形、脊柱功能受限以及慢性或急性腰背疼痛，對患者身心健康造成嚴重危害[3]。OVCF可采取保守或手術治療，目前有關治療方法及其療效的研究較多，但是對于不同方法治療后椎體力學穩定性變化的研究較少。為此，我們進行了一項有限元分析，探討不同治療方法對胸腰椎OVCF脊柱穩定性的影響，為臨床選擇治療方法提供參考。報告如下。
1 研究對象及方法
1.1 研究對象
以2020年1月—2021年6月成都市金牛區人民醫院收治的10例OVCF患者為研究對象，其中5例行微創手術治療（手術組），5例行保守治療（保守治療組）。手術組：男2例，女3例；年齡56～83歲，平均69.3歲。病變節段：胸椎1例，腰椎1例，胸腰椎3例。手術類型：經皮椎體后凸成形術2例，經皮椎體成形術3例。保守治療組：男2例，女3例；年齡57～85歲，平均69.5歲。病變節段：胸椎1例，腰椎2例，胸腰椎2例。保守治療方法：患者臥硬板床，根據疼痛程度給予相應止痛藥，待疼痛緩解達到可耐受或者消失后停止用藥，同時予以補充鈣及維生素D的基礎骨質疏松治療方案，2個月后患者佩帶腰部支具進行功能鍛煉。選擇5例健康志愿者作為正常對照（正常對照組）。男2例，女3例；年齡55～80歲，平均69.1歲。3組研究對象年齡以及性別比較，差異均無統計學意義（P>0.05）。
1.2 研究方法
1.2.1 CT掃描
手術組及保守治療組于治療前3 d和治療后1個月行骨折椎體及鄰近節段椎體掃描，正常組行T12～L2椎體掃描檢查。采用德國西門子公司SOMATOM Emotion 16層螺旋CT儀，檢查時患者取仰臥位，對相應節段進行連續掃描，獲得數據以Dicom格式保存。掃描條件：電壓120 kV，電流125 mA，層厚0.62 mm，層間距0.5 mm。
1.2.2 三維模型構建
將CT數據導入Mimics 10.01軟件（Materialise公司，比利時），通過區域增長、填充空洞以及閾值分割等功能對骨與軟組織信息進行提取，利用三維建模功能并經Remesh操作，構建胸腰椎三維模型。然后將txt格式三維模型數據導入Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國），經點階段和封裝階段、多邊形階段、曲面階段等處理成實體模型，并以iges格式導出。
1.2.3 有限元模型構建
將三維模型導入Mimics 10.01軟件，得到Mimics操作的基本視窗界面，通過鼠標和定位工具欄快速定位，將提取的像素存放在一個新建的Mask里，對表面比較毛糙、不平滑可能影響后期力學軟件計算結果的部分進行幾何清理。再使用工具欄中的dilate、erode形態學處理功能將未填充孔洞和表面變平整，然后用FEM模塊網格劃分工具劃分三維模型表面，使骨骼殼組織生成，對殼組織網絡進行優化。按照上述步驟將各個椎間盤纖維環、髓核、軟組織、終板以及韌帶進行重建，獲得胸腰椎有限元模型（圖1）。有限元分析模型各結構材料屬性參數見表1。
圖1
三維有限元模型
a. 對照組；b、c. 手術組手術前后；d、e. 保守治療組治療前后
Figure1. Three-dimensional finite element modela. Control group; b, c. Operation group before and after operation, respectively; d, e. Conservative treatment group before and after treatment, respectively
表1
三維有限元模型各結構材料屬性參數
Table1.
Material properties of three-dimensional finite element model
1.2.4 三維有限元模型有效性驗證
基于當前國內外人體脊柱有限元研究文獻、實驗測量及有限元模型驗證結果[4-5]，分析正常對照組正常人體胸腰椎模型在不同運動狀態（左/右旋轉、左/右側彎、后伸以及前屈）下的活動度（range of motion，ROM）。
1.2.5 測量指標
正常對照組及手術組、保守治療組治療前后的左/右旋轉、左/右側彎、后伸及前屈ROM；正常對照組及手術組、保守治療組治療后軸向、左/右旋轉、左/右側彎、后伸及前屈結構應力。
1.3 統計學方法
采用SPSS20.0統計軟件進行分析。計量資料經正態性檢驗均符合正態分布，數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
正常對照組胸腰椎模型左/右旋轉、左/右側彎、后伸以及前屈狀態下ROM與文獻 ［6-10］報道結果相似，提示模型構建有效（表2）。治療后在不同運動狀態下，3組結構應力比較差異均有統計學意義（P<0.05）。見表3。治療前，手術組和保守治療組各向ROM均低于正常對照組，差異有統計學意義（P<0.05）；保守治療組和手術組差異無統計學意義（P>0.05）。治療后，正常對照組和手術組各向ROM均高于保守治療組（P<0.05）；手術組與正常對照組差異無統計學意義（P>0.05）。見表4。
表2
本研究三維有限元模型ROM與既往文獻比較（°）
Table2.
Comparison of the ROM of the three-dimensional finite element model in this study with previous studies (°)
表3
治療后3組不同運動狀態下結構應力比較（n=5，，MPa）
Table3.
Comparison of structural stress under different conditions after treatment between groups (n=5, , MPa)
表4
3組不同運動狀態下ROM比較（n=5，，°）
Table4.
Comparison of ROMs under different conditions between groups (n=5, , °)
3 討論
在人體脊柱結構中，脊柱胸腰段在維持正常荷載力量、人體姿勢變換以及生理狀態等多個方面發揮極其重要作用。脊柱有限元分析主要是利用數字形式概括人體脊柱結構形狀、內固定器械、載荷邊界條件以及材料性能等，運用計算機有限元模型，通過使任何參數的形狀、性質以及屬性等發生改變，在拓展性、重復性以及持續性的研究應用中，可以將脊柱結構內部和局部的生物學動態變化機制充分反映出來，模擬分析脊柱病理情況如創傷、退變、損傷和正常生理狀態，從而提供準確性較高的一組數據[4]。有研究指出，材料屬性改變和力學強度變化可影響脊柱椎體與周圍附屬結構及相鄰椎體應力的變化，也是出現一連串并發癥如脊柱后凸畸形加重、活動受限、腰背部疼痛、脊柱功能穩定性下降以及骨質疏松性骨折的一個重要因素[5]。利用有限元分析可以發現骨質疏松癥患者胸腰段椎體及附屬結構骨彈性模量的異常改變，并且以椎體壓縮骨折風險為基本依據，制定針對性預防策略。此外，對于不同骨質疏松癥患者開展預防性干預，使椎體及周圍結構的應力增加，增強骨骼肌肉系統的應力閾值，對脊柱關節的生物力學平衡進行重建，可以降低OVCF發生風險[6]。
目前，手術是常用的一種OVCF治療方法，尤其是椎體強化術，不僅具有較好止痛效果，使椎體保持穩定，還能促進塌陷椎體復位，矯正后凸畸形，具有早期活動、減輕機體疼痛以及創傷小等諸多優點，可以提高患者生活質量[7]。本研究結果顯示，手術組術后ROM較術前增加，說明經皮椎體后凸成形術和經皮椎體成形術治療OVCF可以獲得較好效果，能夠增強椎體力學穩定性。分析原因主要為經骨水泥強化治療后，可增強椎體穩定性，改變壓縮椎體的生物力學環境和材料屬性，增加椎體強度和剛度。同時，通過球囊擴張可以對椎體畸形進行矯正，使椎體排列恢復正常，椎體軸向負荷力線前移減少，改善上、下相鄰椎體的額外屈曲力矩，從而提高脊柱穩定性[8]。本研究通過比較分析各組治療后不同運動狀態下的結構應力，發現手術組和正常對照組均優于保守治療組（P<0.05），提示椎體強化術可以增強骨折椎體的機械穩定性，并且與有限元分析相結合，可以預測骨水泥增強后的骨骼穩定性。但需要注意的是，復位程度和狀態不同，對椎體長期穩定性的影響也存在一定區別；臨床隨訪結果顯示椎體強化術后由于不同復位狀態，還會出現諸多并發癥如腰背部疼痛、相鄰椎體骨折等，也是今后需要討論的問題[9-10]。
綜上述，有限元分析顯示采用微創手術治療OVCF可以獲得較好療效，與保守治療相比能提高脊柱穩定性，有助于改善患者預后，可以作為一種首選治療方法。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道
倫理聲明 研究方案經成都市金牛區人民醫院學術及倫理委員會批準
作者貢獻聲明 程明：研究設計、文章撰寫；彭詩語：數據收集；江嬌：數據及相關材料管理；鄧力：軟件錄入；楊雪：數據分析及處理；趙冠蘭：對文章的知識性內容作批評性審閱，行政支持
