低彈性模量骨水泥對(duì)骨質(zhì)疏松壓縮性骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力的影響：三維有限元分析

1、www.CRTER.org包擁政，等. 低彈性模量骨水泥對(duì)骨質(zhì)疏松壓縮性骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力的影響：三維有限元分析低彈性模量骨水泥對(duì)骨質(zhì)疏松壓縮性骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力的影響：三維有限元分析包擁政1，祝周興2，馮云升3，吳 強(qiáng)1，胡孔和1，何小龍1，朱文剛1，席新華1，鐘學(xué)仁1，周龍澤1，廖軍健1，戴相恒1 (1汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬粵北人民醫(yī)院骨科四區(qū)，廣東省韶關(guān)市 512026，2廣東韶關(guān)樂昌市人民醫(yī)院骨科，廣東省韶關(guān)市 512200，3廣東韶關(guān)南雄市中醫(yī)院，廣東省韶關(guān)市 512400)引用本文：包擁政，祝周興，馮云升，吳強(qiáng)，胡孔和，何小龍，朱文剛，席新華，鐘學(xué)仁，周龍澤，廖軍健，戴相恒.

2、低彈性模量骨水泥對(duì)骨質(zhì)疏松壓縮性骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力的影響：三維有限元分析J.中國組織工程研究，2016，20(16): 2285-2293.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.001 ORCID: 0000-0001-9380-5438(包擁政)文章快速閱讀：低彈性模量骨水泥對(duì)骨質(zhì)疏松壓縮性骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力的影響結(jié)局意義：骨水泥注射后骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力均較治療前明顯增加，骨折椎體隨骨水泥彈性模量的增加應(yīng)力也隨之增大，而鄰近椎體應(yīng)力無明顯變化。包擁政，男，1985年生，廣東省韶關(guān)市人，漢族，南方醫(yī)科大學(xué)在讀博士，主治醫(yī)師，主要從事脊柱外科方面

3、的研究。 中圖分類號(hào):R318文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):2095-4344(2016)16-02285-09稿件接受：2016-02-12http:/WWW.方法：首次模擬椎體成形注射不同彈性模量骨水泥后各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下骨折椎體及鄰近椎體的應(yīng)力改變。造模：建立腰椎骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折模型。文題釋義：彈性模量：指材料在彈性變形階段內(nèi)正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變的比值。骨水泥的彈性模量明顯大于骨質(zhì)疏松的骨皮質(zhì)及松質(zhì)骨，注入骨水泥后使椎體的剛度及強(qiáng)度明顯增加，進(jìn)而可能導(dǎo)致再發(fā)骨折。低彈性模量骨水泥：降低骨水泥彈性模量能是減少修復(fù)后引起骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力變化而發(fā)生骨折的一種方法。臨床常用的聚

4、甲基丙烯酸甲酯骨水泥可通過加入某些物質(zhì)降低凝固后的彈性模量，但目前尚未發(fā)現(xiàn)較為理想的物質(zhì)或本身較低彈性模量的骨水泥。摘要背景：椎體成形及椎體后凸成形可有效修復(fù)骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折，但注入骨水泥強(qiáng)化后可使骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力改變易導(dǎo)致新發(fā)骨折。目的：應(yīng)用三維有限元法分析不同彈性模量骨水泥注射椎體成形后骨折椎體及鄰近椎體的應(yīng)力變化。方法：選取1個(gè)有代表性的健康成年男性志愿者行腰椎CT掃描，將圖像處理后導(dǎo)出應(yīng)用Mimics進(jìn)行三維重建，應(yīng)用Geomagic對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪，Ansys Workbench下裝配實(shí)體模型，賦值后建立L2-L4段骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折模型。設(shè)定在L3椎

5、體注入4 mL彈性模量分別為8 000，4 000，2 000及1 000 MPa的骨水泥，骨水泥在椎體中央呈球形分布。在L2上表面施加500 N預(yù)載荷，附加彎矩為50 Nm，約束L4下表面自由度。模擬L2-L4前屈、后伸、右屈及右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比較不同彈性模量骨水泥注射前后骨折椎體及上下鄰近椎體的應(yīng)力變化。結(jié)果與結(jié)論：骨水泥注射后骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力均較治療前明顯增加，隨骨水泥彈性模量的增加骨折椎體應(yīng)力也隨之增大，而鄰近椎體應(yīng)力無明顯變化。提示降低骨水泥彈性模量可能是減少椎體成形后因骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力變化而發(fā)生骨折的一種方法。關(guān)鍵詞：生物材料；骨生物材料；骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨

6、折；椎體成形術(shù)；骨水泥；彈性模量；骨折椎體；鄰近椎體；生物力學(xué)；三維有限元分析3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Bao Yong-zheng, Studying for doctorate, Attending physician, Department of Orthopedics, Yue Bei Peoples Hospital, Shantou University Medical School, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China主題詞：脊柱骨折；骨質(zhì)疏松性骨折；椎體成形術(shù)；生物力學(xué)；組

7、織工程基金資助：2013年韶關(guān)市醫(yī)藥衛(wèi)生科研計(jì)劃項(xiàng)目(Y13175)Effect of bone cement with a low elastic modulus on the fractured and adjacent vertebrae in patients with osteoporotic vertebral compression fractures: a three-dimensional finite analysisBao Yong-zheng1, Zhu Zhou-xing2, Feng Yun-sheng3, Wu Qiang1, Hu Kong-he1, He Xi

8、ao-long1, Zhu Wen-gang1, Xi Xin-hua1, Zhong Xue-ren1, Zhou Long-ze1, Liao Jun-jian1, Dai Xiang-heng1 (1Department of Orthopedics, Yue Bei Peoples Hospital, Shantou University Medical School, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, Lechang City Peoples Hospital, Shaogu

9、an 512200, Guangdong Province, China; 3Nanxiong Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shaoguan 512400, Guangdong Province, China)AbstractBACKGROUND: Vertebroplasty and kyphoplasty can effectively repair osteoporotic vertebral compression fractures, but bone cement injection can cause the change

10、of stress in the fractured vertebrae and adjacent vertebrae after surgery, leading to new fractures.OBJECTIVE: To analyze the stress changes of the fractured vertebrae and adjacent vertebrae after vertebroplasty with different elastic modulus bone cement by a three-dimensional finite element method.

11、METHODS: One healthy adult male volunteer was selected for lumbar spine CT scan. The acquired images were imported for three-dimensional reconstruction using Mimics. The three-dimensional model was smoothed, polished and denoised by Geomagic software, and then the solid mode was built under Workbenc

12、h Ansys. An osteoporotic vertebral compression fracture model in L2-4 segments was established after assignment. Bone cement (4 mL) with different elastic moduli (8 000, 4 000, 2 000 and 1 000 MPa) injected into the L3 segment distributed in the middle of the vertebrae as spherical shape. 500 N pre-

13、load was applied on the L2 surface with an additional bending moment of 50 Nm. The lower surface free degree of L4 was restrained. The L2-4 forward flexion, posterior extension, right flexion and axial rotation on the right side were stimulated. The stress changes of the fractured vertebrae and the

14、upper and lower adjacent vertebrae before and after bone cement injection with different elastic moduli were compared. RESULTS AND CONCLUSION: The stress of the fractured vertebrae and adjacent vertebrae were significantly increased compared with that before operation. With the increase of elastic m

15、odulus, the stress of the fractured vertebrae increased, but there were no changes in the stress of adjacent vertebrae. These findings indicate that the elastic modulus of bone cement may be a method to reduce new fractures of the fractured and adjacent vertebrae after bone cement injection.Subject

16、headings: Spinal Fractures; Osteoporotic Fractures; Vertebroplasty; Biomechanics; Tissue EngineeringFunding: the Shaoguan Medical and Health Research Project, No. Y13175Cite this article: Bao YZ, Zhu ZX, Feng YS, Wu Q, Hu KH, He XL, Zhu WG, Xi XH, Zhong XR, Zhou LZ, Liao JJ, Dai XH. Effect of bone c

17、ement with a low elastic modulus on the fractured and adjacent vertebrae in patients with osteoporotic vertebral compression fractures: a three-dimensional finite analysis. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(16):2285-2293.2289ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction骨質(zhì)疏松癥是以骨量減

18、少和微結(jié)構(gòu)的退化(指由于骨組織的吸收和形成失衡等原因所致，表現(xiàn)為骨小梁結(jié)構(gòu)破壞、變細(xì)和斷裂)為特征伴骨脆性增加和易發(fā)骨折(指對(duì)負(fù)荷承受能力降低而易于發(fā)生微細(xì)骨折或完全骨折)的一種全身性骨骼疾病。骨質(zhì)疏松是一種進(jìn)行性并且難于逆轉(zhuǎn)的病理生理過程，發(fā)病后很難再完全恢復(fù)至其正常骨組織的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。目前全世界約有2億骨質(zhì)疏松患者，骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折是老年骨質(zhì)疏松患者最常見的骨折之一，嚴(yán)重影響患者日?；顒?dòng)及生活質(zhì)量，并可導(dǎo)致身高降低、疼痛、后凸畸形、臥床、焦慮、抑郁甚至死亡等并發(fā)癥。椎體成形術(shù)是目前臨床上微創(chuàng)修復(fù)骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折的常規(guī)方式，注入的骨水泥凝固后即可達(dá)到止痛、穩(wěn)定骨折椎體的目的，第2

19、天即可下地活動(dòng)，極大改善了患者生活質(zhì)量并減輕了社會(huì)、家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但研究發(fā)現(xiàn)骨水泥的彈性模量明顯大于骨質(zhì)疏松骨折的骨皮質(zhì)及松質(zhì)骨，注入骨水泥后使椎體的剛度及強(qiáng)度明顯增加，易導(dǎo)致骨折椎體再發(fā)骨折、鄰近椎體骨折等并發(fā)癥。降低骨水泥彈性模量可能是減少術(shù)后引起骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力變化而發(fā)生骨折的一種方法。文章擬建立腰椎骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折模型，通過模擬治療前及椎體成形后骨折椎體及上下鄰近椎體各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析治療前與注射不同彈性模量骨水泥后骨折椎體及上下鄰近椎體的應(yīng)力變化。1 對(duì)象和方法 Subjects and methods 1.1 設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)。1.2 時(shí)間及地點(diǎn) 于2015年5至1

20、0月在粵北人民醫(yī)院骨科完成。1.3 材料 CT機(jī)：General Electrics 64層螺旋CT機(jī)。計(jì)算機(jī)工作站：Intel Core i7 2600 四核3.4 GHz，16 G DDR3內(nèi)存，1 G GDDR5 顯存，1 T硬盤，操作系統(tǒng)Windows 7 Home Premium(64bit)。醫(yī)學(xué)圖像處理軟件：Mimics 10.01(醫(yī)學(xué)三維重建軟件，比利時(shí)Materialise公司)，Geomagic 12(逆向工程軟件，美國Geomagic公司)，Ansys Workbench 14.0(通用有限元計(jì)算軟件，美國Ansys公司)。1.4 對(duì)象 志愿者1名，男，33歲，身高17

21、4 cm，體質(zhì)量75 kg，無先天性、后天性脊柱畸形；無脊柱腫瘤、結(jié)核、腰椎間盤突出、骨質(zhì)增生等疾病；無腰椎手術(shù)史，志愿者對(duì)試驗(yàn)方案知情同意。排除骨質(zhì)疏松者。1.5 方法螺旋CT掃描：采用General 64層螺旋CT對(duì)已經(jīng)選定的對(duì)象進(jìn)行腰椎螺旋掃描及斷層圖像處理，掃描參數(shù)：層厚0.625 mm，球管電流200 mA、電壓120 kV。掃描時(shí)志愿者采取仰臥位靜止不動(dòng)，保持掃描斷面與身體長軸垂直。CT圖像處理及保存：在CT工作站中調(diào)整圖灰度、增加對(duì)比度，對(duì)圖像觀察細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，得到清晰的骨窗斷層圖像，保存為Dicom格式刻錄光盤保保存。CT圖像處理及腰段三維圖像的重建：將Dicom格式的圖像數(shù)據(jù)

22、導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。在Mimics中逐層分割提取已選取的CT圖像，去除骨骼周圍軟組織圖像，把腰椎L2-L4段從背景中分割。得到處理后每一個(gè)斷層的CT圖像，然后重建出腰段的三維圖像，對(duì)其進(jìn)行Mask蒙皮處理之后，以STL格式文件導(dǎo)出。腰段椎體三維實(shí)體模型的建立和光滑處理：將前面得到的STL文件讀入Geomagic軟件，對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪等一系列圖像處理，生成三維圖形IGES文件格式。Workbench前處理：得到的IGES格式文件導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行布爾運(yùn)算操作，得到皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、后部結(jié)構(gòu)、纖維環(huán)、髓核等組織結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分：將裝配好的實(shí)體模型，賦好材料參數(shù)(表1

23、)，設(shè)置好接觸，然后進(jìn)行合適的單元設(shè)定及劃分網(wǎng)格，單元尺寸2.0-3.0 mm，韌帶單元采用桿單元(Link10)，設(shè)定其為只受拉不受壓，其余部件均采用Solid 187實(shí)體單元。接觸設(shè)置：由于各部件之間不會(huì)發(fā)生分離，故接觸均設(shè)置為綁定。模擬運(yùn)算：設(shè)定在L3為骨折椎體，注入4 mL彈性模量分別為8 000，4 000，2 000及1 000 MPa的骨水泥，分為設(shè)為正常彈性模量組及低彈性模量組1，2，3，骨水泥在椎體中央呈球形分布。在L2上表面施加500 N預(yù)載荷，附加彎矩為50 N·m，約束L4下表面自由度。模擬前屈、后伸、右屈及右軸向旋轉(zhuǎn)(因左右對(duì)稱，為減少運(yùn)算量，本研究僅模擬右

24、屈、右旋狀態(tài))4個(gè)方向L2-L4椎體應(yīng)力變化情況。1.6 主要觀察指標(biāo) 觀察三維有限元模型中骨折椎體及鄰近椎體在椎體成形注射不同彈性模量骨水泥前后各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力變化。1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)各組數(shù)據(jù)行正態(tài)性檢測，然后對(duì)治療前與不同彈性模量骨水泥注射后相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)行配對(duì)t 檢驗(yàn)，P < 0.05為差異有顯著性意義。2 結(jié)果 Results 2.1 模型生成結(jié)果 組裝生成的L2-L4腰椎骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折模型見圖1，椎體成形后骨水泥分布示意圖見圖2(骨水泥體積為4 mL)。2.2 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力變化

25、 見表2。2.2.1 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后L2應(yīng)力 見圖3。治療前：最大前屈應(yīng)力0.747 MPa，最大后伸應(yīng)力0.714 MPa，最大右屈應(yīng)力0.817 MPa，最大右旋應(yīng)力0.600 MPa。表1 有限元模型中各材料屬性1-3Table 1 Material properties of finite element models圖2 注射4 mL骨水泥椎體成形術(shù)后示意圖Figure 2 Model of osteoporotic fractures after treated by vertebroplasty with 4 mL bone cement BA圖1 組裝完成的L

26、2-L4骨質(zhì)疏松模型Figure 1 The osteoporotic model of L2-4 segments圖注：圖中A為正面觀，B為側(cè)面觀。表2 骨水泥注入前后各椎體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力比較 (±s, MPa)Table 2 Comparison of mean stress of L2-4 vertebrae before and after bone cement injection with different elastic moduli under different movements椎體狀態(tài)治療前應(yīng)力治療后應(yīng)力正常彈性模量組(8 000 MPa)低彈性模量組1

27、(4 000 MPa)低彈性模量組2(2 000 MPa)低彈性模量組3(1 000 MPa)L2右屈0.605±0.1673.325±0.001a2.326±0.002 a2.326±0.003 a2.327±0.002 a旋轉(zhuǎn)0.589±0.0093.831±0.004 a3.830±0.004 a3.827±0.004 a3.826±0.003 a前屈0.732±0.0143.441±0.001 a3.441±0.002 a3.441±0.002 a

28、0.442±0.002 a后伸0.687±0.0323.627±0.005 a3.630±0.003 a3.631±0.003 a3.633±0.003 aL3右屈0.622±0.0123.637±0.106 a2.962±0.012 a2.401±0.007 a1.626±0.011 a旋轉(zhuǎn)0.898±0.0198.208±0.015 a5.932±0.012 a4.030±0.013 a2.514±0.009 a前屈0.335

29、77;0.0273.146±0.028 a2.154±0.067 a1.366±0.013 a0.783±0.009 a后伸0.235±0.0253.714±0.060 a2.611±0.014 a1.621±0.015 a1.019±0.012 aL4右屈0.402±0.0103.501±0.010 a3.494±0.016 a3.502±0.015 a3.499±0.022 a旋轉(zhuǎn)0.868±0.0413.603±0.014 a3.

30、604±0.016a3.609±0.015 a3.604±0.018 a前屈0.309±0.0194.852±0.008 a4.851±0.008 a4.851±0.007 a4.851±0.007 a后伸0.319±0.0255.709±0.013 a5.710±0.011 a5.711±0.009 a5.709±0.011 a材料名稱彈性模量(MPa)泊松比橫截面積(mm2)骨折后皮質(zhì)骨3 3600.3骨折后松質(zhì)骨280.2骨水泥正常彈性模量組8 0000.41

31、低彈性模量組14 0000.41低彈性模量組22 0000.41低彈性模量組31 0000.41后部結(jié)構(gòu)2 3450.25終板6700.4髓核8.40.45纖維環(huán)8.40.45前縱韌帶200.338后縱韌帶700.320黃韌帶500.360棘間韌帶280.335棘上韌帶280.335關(guān)節(jié)囊韌帶1000.340橫突間韌帶500.310表注：與治療前比較，aP < 0.05。各彈性模量組椎體成形后各椎體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)力均較治療前明顯增高(P < 0.05)，L2、L4椎體各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下在不同彈性模量組椎體應(yīng)力均無明顯變化(P > 0.05)，L3椎體應(yīng)力在各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下隨骨水泥彈性模量

32、的增加逐漸增大(P < 0.05)。正常性模量組(8 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力3.442 MPa，最大后伸應(yīng)力3.632 MPa，最大右屈應(yīng)力2.329 MPa，最大右旋應(yīng)力3.836 MPa。低彈性模量組1(4 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力3.443 MPa，最大后伸應(yīng)力3.633 MPa，最大右屈應(yīng)力2.329 MPa，最大右旋應(yīng)力3.834 MPa。治療前前屈 后伸 右屈 右旋正常性模量組(8 000 MPa)低彈性模量組1(4 000 MPa)低彈性模量組2(2 000 MPa)低彈性模量組3(1 000 MPa)圖3 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后L2應(yīng)力云圖Figu

33、re 3 Mises stress cloud of L2 vertebral body in flexion, extension, right lateral flexion and right axial rotation before and after bone cement injection with different elastic moduli前屈 后伸 右屈 右旋治療前正常性模量組(8 000 MPa)低彈性模量組1(4 000 MPa)低彈性模量組2(2 000 MPa)低彈性模量組3(1 000 MPa)圖4 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后L3應(yīng)力云圖Figure

34、4 Mises stress cloud of L3 vertebral body in flexion, extension, right lateral flexion and right axial rotation before and after bone cement injection with different elastic moduli前屈 后伸 右屈 右旋正常性模量組(8 000 MPa)低彈性模量組1(4 000 MPa)低彈性模量組2(2 000 MPa)低彈性模量組3(1 000 MPa)治療前圖5 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后L4應(yīng)力云圖Figure 5 M

35、ises stress cloud of L4 vertebral body in flexion, extension, right lateral flexion and right axial rotation before and after bone cement injection with different elastic moduli低彈性模量組2(2 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力3.443 MPa，最大后伸應(yīng)力3.634 MPa，最大右屈應(yīng)力2.329 MPa，最大右旋應(yīng)力3.832 MPa。低彈性模量組3(1 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力3.444 MPa，最大后伸應(yīng)

36、力3.636 MPa，最大右屈應(yīng)力2.329 MPa，最大右旋應(yīng)力3.828 MPa。2.2.2 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后L3應(yīng)力 見圖4。治療前：最大前屈應(yīng)力0.364 MPa，最大后伸應(yīng)力0.262 MPa，最大右屈應(yīng)力0.636 MPa，最大右旋應(yīng)力0.918 MPa。正常性模量組(8 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力3.167 MPa，最大后伸應(yīng)力3.790 MPa，最大右屈應(yīng)力1.796 MPa，最大右旋應(yīng)力8.226 MPa。低彈性模量組1(4 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力2.163 MPa，最大后伸應(yīng)力2.628 MPa，最大右屈應(yīng)力2.974 MPa，最大右旋應(yīng)力5.9

37、42 MPa。低彈性模量組2(2 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力1.379 MPa，最大后伸應(yīng)力1.639 MPa，最大右屈應(yīng)力2.410 MPa，最大右旋應(yīng)力4.042 MPa。低彈性模量組3(1 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力0.792 MPa，最大后伸應(yīng)力1.032 MPa，最大右屈應(yīng)力1.638 MPa，最大右旋應(yīng)力2.526 MPa。2.2.3 治療前及不同彈性模量骨水泥注射后L4應(yīng)力 見圖5。治療前：最大前屈應(yīng)力0.326 MPa，最大后伸應(yīng)力0.344 MPa，最大右屈應(yīng)力0.416 MPa，最大右旋應(yīng)力0.909 MPa。正常性模量組(8 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力4.86

38、2 MPa，最大后伸應(yīng)力5.722 MPa，最大右屈應(yīng)力3.512 MPa，最大右旋應(yīng)力3.619 MPa。低彈性模量組1(4 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力4.861 MPa，最大后伸應(yīng)力5.722 MPa，最大右屈應(yīng)力3.512 MPa，最大右旋應(yīng)力3.620 MPa。低彈性模量組2(2 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力4.860 MPa，最大后伸應(yīng)力5.722 MPa，最大右屈應(yīng)力3.520 MPa，最大右旋應(yīng)力3.622 MPa。低彈性模量組3(1 000 MPa)：最大前屈應(yīng)力4.860 MPa，最大后伸應(yīng)力5.723 MPa，最大右屈應(yīng)力3.527 MPa，最大右旋應(yīng)力3.624 M

39、Pa。3 討論 Discussion自2002年經(jīng)皮椎體成形術(shù)引進(jìn)國內(nèi)治療骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折以來，目前已廣泛應(yīng)用于治療畸形不嚴(yán)重及無脊髓、神經(jīng)受壓癥狀的骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折。與臥床保守治療相比具有見效快、臥床時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，與椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)相比具有創(chuàng)傷小、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，減輕了患者痛苦及減少了臥床相關(guān)并發(fā)癥。雖然目前研究也尚未明確是否為椎體成形術(shù)的應(yīng)力改變是否會(huì)引起再骨折還只是骨質(zhì)疏松自然病程一部分。但有學(xué)者隨訪發(fā)現(xiàn)部分患者術(shù)后易再出現(xiàn)再骨折與多種因素相關(guān)4-10，且椎體成形術(shù)后再骨折時(shí)間明顯較保守治療組節(jié)段再骨折時(shí)間短11-12，Tanigawa等13對(duì)194例患者隨訪發(fā)現(xiàn)椎體成形

40、術(shù)后大約有1/3患者會(huì)發(fā)生再骨折，其中約2/3發(fā)生在鄰近椎體。黃天霽等14對(duì)148例因?yàn)閱喂?jié)段椎體壓縮骨折行椎體成形術(shù)或椎體后凸成形術(shù)的患者進(jìn)行平均34.4個(gè)月的隨訪，其中再發(fā)椎體骨折29例(共42個(gè)椎體)，鄰近椎體骨折占55.17%，非鄰近椎體骨折占44.83%。Chen等15對(duì)1 800例患者共1 820個(gè)骨折椎體進(jìn)行長達(dá)2年的隨訪，發(fā)現(xiàn)共有10例骨折椎體行椎體成形術(shù)后出現(xiàn)再骨折，均位于胸腰段，過于恢復(fù)高度以及填充的骨水泥呈塊板分布是再骨折的原因。侯文根等16對(duì)180例患者行椎體后凸成形術(shù)后通過X射線計(jì)算骨水泥體積分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)單節(jié)段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折行椎體后凸成形術(shù)患者中鄰近椎體骨折發(fā)

41、生率及骨水泥滲透率隨骨水泥分?jǐn)?shù)的增加而增加。彈性模量是指材料在彈性變形階段內(nèi)，正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變的比值。骨水泥的彈性模量明顯大于骨質(zhì)疏松的骨皮質(zhì)及松質(zhì)骨，注入骨水泥后使椎體的剛度及強(qiáng)度明顯增加，進(jìn)而可能導(dǎo)致再發(fā)骨折。目前三維有限元分析已廣泛應(yīng)用于骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折的研究17-27。Wilcox 28通過三維有限元分析對(duì)L2-L3脊柱單位注入不等量的骨水泥，發(fā)現(xiàn)鄰近節(jié)段再骨折的風(fēng)險(xiǎn)與注入骨水泥的量成正比。Yan等29建立有限元模型，按注入骨水泥量占椎體容積分為兩組(8.6%-11.4%，13.1%-22.8%)。結(jié)果椎體的強(qiáng)度和剛度隨著骨水泥量的增加而增加，且強(qiáng)度的增加較剛度增加明顯。有限

42、元法模擬研究發(fā)現(xiàn)，椎體成形術(shù)后終板下的骨水泥具有相當(dāng)于垂直柱的作用，由此減少了椎體終板的生理凹陷，鄰近椎體終板向內(nèi)凸約17%，使上下終板向外變形，髓核內(nèi)壓力升高(19%)，增加相鄰椎體的應(yīng)力，易導(dǎo)致相鄰椎體骨折30-31。賈小林等32對(duì)191例單椎體骨折行椎體后凸成形術(shù)的患者進(jìn)行回顧性分析，發(fā)現(xiàn)局部后凸角度、椎體壓縮程度和術(shù)后骨折高度恢復(fù)情況是相鄰及間隔椎體繼發(fā)骨折的共同危險(xiǎn)因素，低體質(zhì)量指數(shù)和骨水泥椎間隙的滲漏是鄰近椎體的單獨(dú)危險(xiǎn)因素。更但也有學(xué)者研究得出相反的結(jié)論，王濤等33對(duì)1例L2椎體骨質(zhì)疏松性骨折行椎體后凸成形術(shù)治療并隨訪1年半的1例患者，根據(jù)治療前后患者的腰椎CT資料，構(gòu)建椎體生物

43、力學(xué)的有限元模型，對(duì)第L1-L3椎體在前后屈曲、左右側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力載荷實(shí)驗(yàn)，觀察L2及鄰近L1、L3椎體終板、椎體骨小梁、椎體骨水泥所承受的應(yīng)力改變情況。研究發(fā)現(xiàn)術(shù)后L2椎體終板、椎體骨水泥在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈狀態(tài)下的應(yīng)力值均高于術(shù)前(P < 0.05)，椎體后凸成形術(shù)前后椎體骨小梁各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力值差異無顯著性意義，L1、L3椎體后凸成形術(shù)前后各種模擬狀態(tài)下應(yīng)力變化差異無顯著性意義，提示椎體后凸成形術(shù)后鄰近椎體不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變化。 此次研究發(fā)現(xiàn)骨折椎體應(yīng)力較術(shù)前明顯增加，且隨著注入骨水泥彈性模量的減小逐漸降低。提示降低骨水泥彈性模量可能是減少術(shù)后因骨折椎體及鄰近椎體

44、應(yīng)力變化而發(fā)生骨折的一種方法。Persson等34把不同類型的脂肪酸和三酰甘油加入到加入到丙烯酸骨水泥中，發(fā)現(xiàn)均可改變骨水泥的剛度，加入極少量的亞油酸(<2%)即可改變骨水泥的彈性模量。Boger等35-36利用尸體標(biāo)本分別注入低彈性模量及正常模量骨水泥，發(fā)現(xiàn)低彈性模量骨水泥強(qiáng)化后鄰近椎體骨折所需的強(qiáng)度更接近于骨折前水平；隨后他們把高黏度的羥丙基甲基纖維加入到聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中以降低彈性模量，彈性模量從(2 800±70) MPa降至(120±150) MPa，但耐壓強(qiáng)度(max)也從(170±5) MPa降至(8±9) MPa；把透明質(zhì)酸鈉

45、加入聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中也得到了相似的結(jié)果，彈性模量從(1 837±65)MPa降至(47±26) MPa，耐壓強(qiáng)度從(91.0±5.3) MPa降至(1.3±1.0) MPa，聚合溫度由(68±4) 降至(35±1) 。以上方法雖然降低了骨水泥的彈性模量，但同時(shí)也明顯降低了其耐壓強(qiáng)度。Lam等37把亞油酸加入到含有鍶羥基磷灰石納米顆粒的聚甲基丙烯酸甲酯中，彈性模量從(2 142±129) MPa降至(129±774+70) MPa，同時(shí)保持了相似的耐壓強(qiáng)度，從(63±2) MPa降至(49±

46、;2) MPa，但同時(shí)因較低的單體轉(zhuǎn)化率及亞油酸釋放的N，N-二甲基-對(duì)甲苯胺有明顯的細(xì)胞毒作用。López等38把12%的蓖麻油加入到骨水泥中，耐壓強(qiáng)度從88 MPa降至15 MPa，彈性模量從1 500 MPa降至446 MPa，更接近于骨質(zhì)疏松的椎體，但單體對(duì)成骨細(xì)胞的形成及活性具有毒性作用。以上研究結(jié)果均提示臨床常用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥可通過加入某些物質(zhì)降低凝固后的彈性模量，但目前尚未發(fā)現(xiàn)較為理想的物質(zhì)或本身較低彈性模量的骨水泥。正常骨水泥彈性模量為8 000 MPa，所以本研究利用三維有限元分析分別設(shè)定3種骨水泥的彈性模量分別為4 000，2 000及1 000 MPa

47、，進(jìn)一步分析對(duì)骨折及鄰近椎體的應(yīng)力變化。研究提示骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力術(shù)后均較術(shù)前明顯增高，骨折椎體應(yīng)力隨骨水泥彈性模量的增高而增大，鄰近椎體應(yīng)力同一體積下其應(yīng)力不因骨水泥彈性模量的變化而改變(P > 0.05)，結(jié)合本課題組的另一部分研究及既往研究提示鄰近椎體應(yīng)力主要與骨水泥注入體積相關(guān)，隨骨水泥注入量的增加而增大(P < 0.05)，骨水泥注入體積是引發(fā)再骨折的主要因素39-43。因此在臨床中不應(yīng)追求注入高劑量的骨水泥，小劑量的骨水泥也可獲得良好的臨床療效，并可減少骨水泥滲漏及繼發(fā)骨折的風(fēng)險(xiǎn)。 研究通過CT掃描建立腰段骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折椎體成形術(shù)后三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)骨折椎

48、體及鄰近椎體應(yīng)力治療后均較治療前明顯增加，骨折椎體隨骨水泥彈性模量的增加承受的應(yīng)力也隨之增大，而鄰近椎體應(yīng)力無明顯變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示使用低彈性模量可水泥可降低骨折椎體應(yīng)力從而減少再骨折的發(fā)生，為研發(fā)新型骨水泥提供理論依據(jù)。雖然目前尚未有成熟的低彈性模量水泥供臨床使用，但將來必定有更也的骨水泥材料服務(wù)于臨床。致謝：感謝粵北人民醫(yī)院CT室同事的幫助。作者貢獻(xiàn)：包擁政進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，祝周興、馮云升、胡孔和選擇志愿者及CT掃描，包擁政、何小龍、朱文剛、席新華建立三維有限元模型及有限元分析，包擁政、鐘學(xué)仁、周龍澤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，包擁政、廖軍健、戴相恒成文，吳強(qiáng)審校。利益沖突：所有作者共同認(rèn)可文章無相關(guān)利益

49、沖突。倫理問題：志愿者者對(duì)研究項(xiàng)目知情并簽署知情同意書，并同意影像學(xué)資料用于研究用途，試驗(yàn)獲得粵北人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。文章查重：文章出版前已經(jīng)過CNKI反剽竊文獻(xiàn)檢測系統(tǒng)進(jìn)行3次查重。文章外審：本刊實(shí)行雙盲外審制度，文章經(jīng)國內(nèi)小同行外審專家審核，符合本刊發(fā)稿宗旨。作者聲明：文章第一作者對(duì)研究和撰寫的論文中出現(xiàn)的不端行為承擔(dān)責(zé)任。論文中涉及的原始圖片、數(shù)據(jù)(包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫)記錄及樣本已按照有關(guān)規(guī)定保存、分享和銷毀，可接受核查。文章版權(quán)：文章出版前雜志已與全體作者授權(quán)人簽署了版權(quán)相關(guān)協(xié)議。4 參考文獻(xiàn) References1 邱興,楊圣,蘆健民,等.骨質(zhì)疏松骨折椎體及相鄰椎體骨水泥注入前后的

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