椎体成形术和椎体后凸成形术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的相关生物力学研究

【摘要】： 椎体成形术(Vertebroplasty)和椎体后凸成形术(Kyphoplasty)治疗骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fractures,OVCFs)所致的顽固性腰背痛,可以起到缓解疼痛、稳定伤椎、改善患者活动状况的目的。Kyphoplasty弥补了Vertebroplasty不能恢复椎体高度、纠正后凸畸形的缺陷,并且骨水泥渗漏率较低。Kyphoplasty和Vertebroplasty自应用临床以来取得了初步的令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道,越来越引起临床医生的重视。Kyphoplasty和Vertebroplasty术后邻近椎体再骨折究竟是骨质疏松症的自然发生过程,或是手术干预、椎体强化的结果,或是二者兼而有之,临床和生物力学研究都仍未达成共识。 第一部分胸腰椎节段有限元模型屈伸过程中肌肉力的模拟 目的研究胸腰椎节段(T12-L1-L2)屈伸过程中竖脊肌力、椎间盘压力和椎体表面von Mises应力的变化。 方法建立T12-L1-L2节段三维有限元模型,并采用离体生物力学实验资料来验证模型有效性。以Follower load代替节段间局部肌肉力的作用。分别在T12-L1-L2节段屈曲-10°、-5°、0°、5°、10°、15°、20°时,模拟上身重力(260N)、竖脊肌力以及Follower load(0、100、200N)作用,观察竖脊肌力、椎间盘压力和椎体表面von Mises应力的变化。 结果随着T12-L1-L2节段屈曲角度增大,竖脊肌力、椎间盘压力以及椎体表面von Mises应力也随之逐渐增大。T12-L1-L2节段屈曲-10°、0°以及20°时,竖脊肌力分别需要0N、150N和410N才能维持平衡。Follower load可以减小竖脊肌力,并使椎间盘压力增高,但是对椎体表面von Mises应力影响不明显。如果忽略所有肌肉力作用,模型在纯弯矩作用下屈伸相同的角度,椎间盘压力和椎体表面von Mises应力将相应发生明显变化,较有肌肉力作用时明显降低。 结论脊柱生物力学研究中不能忽视脊柱周围肌肉力的作用,胸腰椎屈曲角度和肌肉力影响椎间盘压力和椎体表面von Mises应力。如果忽略所有肌肉力的作用,椎间盘压力、椎体表面von Mises应力将会发生明显改变。Follower load代替节段间局部肌肉力作用,可以获得理想的椎间盘压力,使模拟脊柱真实载荷状况具有了可行性。 第二部分骨质疏松椎体骨水泥强化之生物力学评估 目的研究胸腰椎节段(T12-L1-L2)不同程度骨质疏松椎体预防性骨水泥强化对治疗椎体、邻近椎体以及椎间盘的生物力学影响。 方法通过调整椎体松质骨、皮质骨的弹性模量建立不同程度骨质疏松的胸腰椎节段(T12-L1-L2)三维有限元模型,并模拟L1椎体经1.0GPa和3.0GPa两种弹性模量的骨水泥强化过程。观察在上身重力(260N)、竖脊肌力和Follower load(200N)作用下,轻度疏松、重度疏松模型L1椎体骨水泥强化前后治疗椎体、邻近椎体最大von Mises应力、椎间盘压力变化。 结果骨质疏松使L1椎体的压缩刚度下降,经骨水泥强化以后椎体刚度和强度增加。骨质疏松对椎间盘压力、椎体最大von Mises应力影响较大。与正常骨质比较,轻度疏松模型的椎间盘压力增高22.6%,椎体皮质骨最大von Mises应力增高50.2%,重度疏松模型的椎间盘压力增高36.2%,椎体皮质骨最大von Mises应力增高77.7%。骨水泥强化以及骨水泥弹性模量差异对椎间盘压力、椎体最大von Mises应力影响较小。骨水泥强化使椎间盘压力增高2.2%-3.1%,邻近椎体皮质骨最大von Mises应力减小2.6%-4.6%,治疗椎体皮质骨最大von Mises应力增高4.6%-5.7%。 结论骨质疏松影响胸腰椎节段的生物力学性质,使松质骨应力水平降低,弹性模量较高的椎体皮质骨承担较大的应力。椎间盘压力与骨质疏松程度、椎体皮质骨、松质骨应力分布有关。骨质疏松的胸腰椎节段经骨水泥强化以后,虽然治疗椎体的刚度、强度增加,承担了较大的应力,但是骨水泥以及骨水泥弹性模量差异对邻近节段椎体、椎间盘的应力水平以及应力分布影响十分有限。 第三部分椎体成形术和椎体后凸成形术对邻近椎体、椎间盘的生物力学影响 目的研究胸腰椎节段(T12-L1-L2)在L1椎体楔形骨折前、椎体成形术(Vertebroplasty)和后凸成形术(Kyphoplasty)后维持直立位所需要竖脊肌力,以及骨折椎体经骨水泥强化治疗以后椎间盘压力、邻近椎体终板最大von Mises应力变化。方法建立胸腰椎节段(T12-L1-L2)重度骨质疏松三维有限元模型,并模拟L1椎体楔形压缩骨折、Vertebroplasty和Kyphoplasty。在Vertebroplasty和Kyphoplasty模型中,L1椎体作为治疗椎体,其前缘高度分别较正常椎体降低35%和10%。研究在上身重力(260N)、竖脊肌力和Follower load(200N)作用下,T12-L1-L2节段L1椎体骨折前和Vertebroplasty、Kyphoplasty治疗后维持直立位所需的竖脊肌力,以及骨折椎体骨水泥强化以后椎间盘压力、邻近椎体终板最大von Mises应力变化。 结果L1椎体楔形压缩骨折使上身重心位置前移,重力弯矩增大,因此需要竖脊肌力增大以恢复躯体平衡。如果上身重心位置没有代偿后移,与骨折前比较,Vertebroplasty和Kyphoplasty的竖脊肌力分别增高183%、56%;此时Vertebroplasty的椎间盘压力和终板最大von Mises应力增高60%,Kyphoplasty的椎间盘压力和终板最大von Mises应力分别增高22%、21%。如果上身重心位置代偿后移,竖脊肌力将会下降,椎间盘压力与终板最大von Mises应力相应降低。与骨折前比较,Vertebroplasty的椎间盘压力增高27%、终板最大von Mises应力增高39%,Kyphoplasty的椎间盘压力增高6.5%、终板最大von Mises应力增高10.1%。骨水泥强化对椎间盘压力、终板最大von Mises应力的影响很小,尚不及重心位置代偿以后脊柱额外载荷造成的的影响。 结论椎体压缩骨折使重心位置向前转移,需要竖脊肌力增大以维持平衡,造成脊柱负载增加,因此,椎间盘压力和终板应力增高。椎体内注入骨水泥对邻近椎体终板应力、椎间盘压力影响较小。即使重力的位置发生代偿,由于脊柱负载增加,楔形骨折对椎间压力、终板应力的影响也远远高于骨水泥强化所造成的影响。Kyphoplasty恢复了椎体高度、纠正了后凸畸形,使重力弯矩、竖脊肌力减小,原本增高的椎间压力、终板应力降低。