椎體成形術(shù)和椎體后凸成形術(shù)治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的相關(guān)生物力學(xué)研究.pdf

1、椎體成形術(shù)（Vertebroplasty）和椎體后凸成形術(shù)（Kyphoplasty）治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折（osteoporotic vertebral compression fractures，OVCFs）所致的頑固性腰背痛，可以起到緩解疼痛、穩(wěn)定傷椎、改善患者活動狀況的目的。Kyphoplasty彌補(bǔ)了Vertebroplasty不能恢復(fù)椎體高度、糾正后凸畸形的缺陷，并且骨水泥滲漏率較低。Kyphoplasty和Vertebr

2、oplasty自應(yīng)用臨床以來取得了初步的令人鼓舞的臨床效果，但是術(shù)后鄰近椎體發(fā)生骨折時有報道，越來越引起臨床醫(yī)生的重視。Kyphoplasty和Vertebroplasty術(shù)后鄰近椎體再骨折究竟是骨質(zhì)疏松癥的自然發(fā)生過程，或是手術(shù)干預(yù)、椎體強(qiáng)化的結(jié)果，或是二者兼而有之，臨床和生物力學(xué)研究都仍未達(dá)成共識。 第一部分:胸腰椎節(jié)段有限元模型屈伸過程中肌肉力的模擬 目的:研究胸腰椎節(jié)段（T12—L1—L2）屈伸過程中豎脊肌力、椎

3、間盤壓力和椎體表面von Mises應(yīng)力的變化。 方法:建立T12—L1—L2節(jié)段三維有限元模型，并采用離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)資料來驗(yàn)，證模型有效性。以Follower load代替節(jié)段間局部肌肉力的作用。分別在T12—L1—L2節(jié)段屈曲—10°、—5°、0°、5°、10°、15°、20°時，模擬上身重力（260N）、豎脊肌力以及Follower load（0、100、200N）作用，觀察豎脊肌力、椎間盤壓力和椎體表面von Mise

4、s應(yīng)力的變化。 結(jié)果:隨著T12—L1—L2節(jié)段屈曲角度增大，豎脊肌力、椎間盤壓力以及椎體表面von Mises應(yīng)力也隨之逐漸增大。T12—L1—L2節(jié)段屈曲—10°、0°以及20°時，豎脊肌力分別需要0N、150N和410N才能維持平衡。Follower load可以減小豎脊肌力，并使椎間盤壓力增高，但是對椎體表面von Mises應(yīng)力影響不明顯。如果忽略所有肌肉力作用，模型在純彎矩作用下屈伸相同的角度，椎間盤壓力和椎體表面v

5、on Mises應(yīng)力將相應(yīng)發(fā)生明顯變化，較有肌肉力作用時明顯降低。 結(jié)論:脊柱生物力學(xué)研究中不能忽視脊柱周圍肌肉力的作用，胸腰椎屈曲角度和肌肉力影響椎間盤壓力和椎體表面von Mises應(yīng)力。如果忽略所有肌肉力的作用，椎間盤壓力、椎體表面von Mises應(yīng)力將會發(fā)生明顯改變。Follower load代替節(jié)段間局部肌肉力作用，可以獲得理想的椎間盤壓力，使模擬脊柱真實(shí)載荷狀況具有了可行性。 第二部分:骨質(zhì)疏松椎體骨水泥強(qiáng)

6、化之生物力學(xué)評估 目的:研究胸腰椎節(jié)段（T12—L1—L2）不同程度骨質(zhì)疏松椎體預(yù)防性骨水泥強(qiáng)化對治療椎體、鄰近椎體以及椎間盤的生物力學(xué)影響。 方法:通過調(diào)整椎體松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨的彈性模量建立不同程度骨質(zhì)疏松的胸腰椎節(jié)段（T12—L1—L2）三維有限元模型，并模擬L1椎體經(jīng)1.0GPa和3.0GPa兩種彈性模量的骨水泥強(qiáng)化過程。觀察在上身重力（260N）、豎脊肌力和Follower load（200N）作用下，輕度疏松、重

7、度疏松模型L1椎體骨水泥強(qiáng)化前后治療椎體、鄰近椎體最大von Mises應(yīng)力、椎間盤壓力變化。 結(jié)果:骨質(zhì)疏松使L1椎體的壓縮剛度下降，經(jīng)骨水泥強(qiáng)化以后椎體剛度和強(qiáng)度增加。骨質(zhì)疏松對椎間盤壓力、椎體最大von Mises應(yīng)力影響較大。與正常骨質(zhì)比較，輕度疏松模型的椎間盤壓力增高22.6%，椎體皮質(zhì)骨最大von Mises應(yīng)力增高50.2%，重度疏松模型的椎間盤壓力增高36.2%，椎體皮質(zhì)骨最大von Mises應(yīng)力增高77.7%

8、。骨水泥強(qiáng)化以及骨水泥彈性模量差異對椎間盤壓力、椎體最大von Mises應(yīng)力影響較小。骨水泥強(qiáng)化使椎間盤壓力增高2.2%—3.1%，鄰近椎體皮質(zhì)骨最大von Mises應(yīng)力減小2.6%—4.6%，治療椎體皮質(zhì)骨最大von Mises應(yīng)力增高4.6%—5.7%。 結(jié)論:骨質(zhì)疏松影響胸腰椎節(jié)段的生物力學(xué)性質(zhì)，使松質(zhì)骨應(yīng)力水平降低，彈性模量較高的椎體皮質(zhì)骨承擔(dān)較大的應(yīng)力。椎間盤壓力與骨質(zhì)疏松程度、椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨應(yīng)力分布有關(guān)。骨質(zhì)

9、疏松的胸腰椎節(jié)段經(jīng)骨水泥強(qiáng)化以后，雖然治療椎體的剛度、強(qiáng)度增加，承擔(dān)了較大的應(yīng)力，但是骨水泥以及骨水泥彈性模量差異對鄰近節(jié)段椎體、椎間盤的應(yīng)力水平以及應(yīng)力分布影響十分有限。 第三部分:椎體成形術(shù)和椎體后凸成形術(shù)對鄰近椎體、椎間盤的生物力學(xué)影響 目的:研究胸腰椎節(jié)段（T12—L1—L2）在L1椎體楔形骨折前、椎體成形術(shù)（Vertebroplasty）和后凸成形術(shù)（Kyphoplasty）后維持直立位所需要豎脊肌力，以及骨

10、折椎體經(jīng)骨水泥強(qiáng)化治療以后椎間盤壓力、鄰近椎體終板最大von Mises應(yīng)力變化。 方法:建立胸腰椎節(jié)段（T12—L1—L2）重度骨質(zhì)疏松三維有限元模型，并模擬L1椎體楔形壓縮骨折、Vertebroplasty和Kyphoplasty。在Vertebroplasty和Kyphoplasty模型中，Li椎體作為治療椎體，其前緣高度分別較正常椎體降低35%和10%。研究在上身重力（260N）、豎脊肌力和Follower load（2

11、00N）作用下，T12—L1—L2節(jié)段L1椎體骨折前和Vertebroplasty、Kyphoplasty治療后維持直立位所需的豎脊肌力，以及骨折椎體骨水泥強(qiáng)化以后椎間盤壓力、鄰近椎體終板最大von Mises應(yīng)力變化。 結(jié)果; Li椎體楔形壓縮骨折使上身重心位置前移，重力彎矩增大，因此需要豎脊肌力增大以恢復(fù)軀體平衡。如果上身重心位置沒有代償后移，與骨折前比較，Vertebroplasty和Kyphoplasty的豎脊肌力分別增

12、高183%、56%；此時Vertebroplasty的椎間盤壓力和終板最大von Mises應(yīng)力增高60%，Kyphoplasty的椎間盤壓力和終板最大von Mises應(yīng)力分別增高22%、21%。如果上身重心位置代償后移，豎脊肌力將會下降，椎間盤壓力與終板最大von Mises應(yīng)力相應(yīng)降低。與骨折前比較，Vertebroplasty的椎間盤壓力增高27%、終板最大von Mises應(yīng)力增高39%，Kyphoplasty的椎間盤壓力增高

13、6.5%、終板最大von Mises應(yīng)力增高10.1%。骨水泥強(qiáng)化對椎間盤壓力、終板最大von Mises應(yīng)力的影響很小，尚不及重心位置代償以后脊柱額外載荷造成的的影響。 結(jié)論:椎體壓縮骨折使重心位置向前轉(zhuǎn)移，需要豎脊肌力增大以維持平衡，造成脊柱負(fù)載增加，因此，椎間盤壓力和終板應(yīng)力增高。椎體內(nèi)注入骨水泥對鄰近椎體終板應(yīng)力、椎間盤壓力影響較小。即使重力的位置發(fā)生代償，由于脊柱負(fù)載增加，楔形骨折對椎間壓力、終板應(yīng)力的影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于骨