应用有限元分析椎体成形术两种注射骨水泥方法的生物力学变化.doc

应用有限元分析椎体成形术两种注射骨水泥方法的生物力学【摘要】 目的 用有限元分析椎体成形术退针注射的方法的生物力学效果。方法采用的原始影像来自一位男性患者，70岁，L1椎体骨质疏松性疼痛， 患者伤椎实施了椎体成形术，椎体成形术采用单侧入路，进针点选择左侧椎弓根近中心部位，内倾角度为24.5，采用退针注射法注射。先将针穿刺到达椎体的前中1/3部位，注射骨水泥3ml，然后缓慢向后退针至椎体的1/2部位，并停留3分钟，然后注射剩余剂量的2ml，再退针到椎体的中后1/3部位进行注射1ml。然后和采用传统的将全部6ml骨水泥一次性注入椎体中前1/3的方法进行对比（模拟）获取椎体L1L2节段断层图像，建立有限元模型，施加负荷，进行生物力学分析。结果退针注射法注射骨水泥，较传统的一次性注射法有更好的生物力学分布 结论退针注射法注射骨水泥由值得在临床上推广应用。【关键词】椎体成形术；退针注射 穿刺 传统注射Abstract objective to use a validated finite element mordel to evaluate the stress distribution of the vertebro bodies after vertebroplasty by needle withdraw way, methods the primary imagine is from a seventy-old man,and his L1 is osteoporosisand painful. .the patient is given operation in the injuried vertebrae by onelateral,the needing point is in the left central of lateral mass of vertebrae, introversion angle is 24.5,using withdraw way.first puncture the neelde to the front one third,and inject 3ml bone cement in,and withdraw the needle to the middle of the vertebrae,staying 3 minits,and then inject 2 ml bone cement, and then withdraw the needle to the hind 1/3 of the body,injecting 1 ml in it. Contrasting with the way inject the all 6 ml bone cement one time in the front 1/3,which is the tradition way （simulate）and get L1L2 fault image, getting a validated finite element mordel,exerting urge , and evaluate the stress distribution of the vertebro bodies.result the way using withdraw way inject has better stress distribution. Conclusion the withdraw way injecting bone cement should be generalized clinically.Key words percutaneous vertebroplasty; needle withdraw puncture tradition way0引言 椎体成形术是一种微创手术，是通过椎弓根向椎体内注入骨水泥，以达到固定骨折 及矫正椎体变形的疗效，同时有止痛作用，使患者早日恢复日常生活。是用来治疗骨质疏松症脊柱骨折和椎体溶骨性破坏的最有效方法。其优点为伤口较小、步骤简单、可在局麻下完成，而且费用低廉。1987年,法国放射学家Galibert等1首先采用了经皮穿刺椎体后注射骨水泥治疗1例C2椎体侵袭性海绵状血管瘤,取得了意想不到的镇痛效果。1990年Galibert2首次将其应用于骨质疏松症所致的压缩性骨折并取得了惊人的疗效。此后该技术得到广泛的应用。但生物力学研究表明在注入骨水泥后单个骨质疏松椎体的硬度和强度有很大的增长3-4 ，由于过量的骨水泥易引起渗漏，而导致并发症的发生,并且由于骨水泥注射后应力的增加，相临椎体骨折的现象时有发生，所以应该应用最少的骨水泥来达到理想的刚度和强度，在这个问题上有过很多的探索。Barr5在胸椎注入23ml、腰椎注入35mlPMMA后椎体强度恢复。Liebschner6报道椎体充填15%或3.5ml骨水泥即可恢复其硬度,充填30%则硬度明显增加。在椎体成形术的临床报道中注射27ml骨水泥就可缓解疼痛78,但疼痛的缓解与骨水泥的用量没有明显的相关性7,而且注射量越大,泄漏的机会就越大,椎体成形术治疗效果除了受到椎体损伤程度、病人体质等因素影响外,更大影响来自手术本身，特别是穿刺和骨水泥的注射方法，这些直接影响骨水泥在椎体内的分布，骨水泥是否合理到位和合理分布对稳定骨折和缓解疼痛至关重要。本研究采用数学力学模型对退针注射和传统注射方法进行生物力学分析以指导临床改进操作技术。我的文章1 临床资料与方法1.1原始数据的取得 采用的原始影像来自一位男性患者，70岁，L1椎体骨质疏松性疼痛，患者知情同意。患者伤椎实施了椎体成形术，椎体成形术采用单侧入路，进针点选择左侧椎弓根近中心部位，内倾角度为24.5，采用退针注射法注射。先将针穿刺到达椎体的前中1/3部位，注射骨水泥3ml，然后缓慢向后退针至椎体的1/2部位，并停留13分钟，然后注射剩余剂量的2ml（总量的15%20%），再退针到椎体的中后1/3部位进行注射1ml（图5）。，然后根据我科采用传统的将全部6ml骨水泥一次性注入椎体中前1/3的方法进行对比（模拟）利用CT对患者L1L2节段进行扫描，层厚0.75 mm，体数据集分辨率51251290，获取椎体L1L2节段断层图像1.2有限元模型的建立对CT图象利用人工和用阈值分割法，进行半自动分割。由于图像尺寸较大，在计算时很耗费时间。为了加快运算速度，作者缩小了图像。然后对图象进行重命名，进行排序，利用VTK进行三维重建。建立三维几何模型,在VTK文件中提取点和面的信息，利用商业ansys软件，输入点和面的信息，形成完整的实体模型，进行网格划分，输入材料信息9建立实体模型。1.3有限元模型施加负载 固定下椎体的下表面，对所有节点的自由度加位移约束而使其固定不动。本研究采用了对椎体段有限元模型施加负载之前，固定了下椎体的下表面。在受伤椎体上分别施加500N，1000N，1500N，2000N，2500N的压缩负载，模拟不同负载下椎体的应力应变的变化情况。观察两种注射骨水泥方法的力学变化。图5为1500N压缩负载下椎体的应力变化.左为单侧右为双侧。图6为 在500 1000 1500 2000 2500N 下最大应变。图7为500 1000 1500 2000 2500N 下最大应力。3 讨论31 单侧入路椎体成形术穿刺技术改进的必要性经皮椎体成形术治疗骨质疏松性椎体骨折由于其创伤小、见效快得到广泛的应用。椎体成形术传统的穿刺方法有单侧和双侧，由于双侧需要两次操作，两套穿刺系统，病人耐受困难，也给病人增加了痛苦和经济负担。特别是严重骨质疏松患者中有许多长期卧床不起，脊柱明显变形，而且常伴发糖尿病、冠心病和高血压病的许多患者无法耐受12 h手术。单侧入路减少了一次操作，病人痛苦小，手术时间短，节省了医疗费用，在临床应用上是可行的。如何改进单侧入路的穿刺方法具有重要的意义。传统的穿刺针尖到位点是椎体前中1/3部位，这个部位注射骨水泥时因为骨水泥具有液体性能，一般规律是顺针尖的方向和向压力低的部位流动，因此，骨水泥在椎体前缘分布比较好，而针的附近和椎体两侧，椎体后1/3部位分布不理想。因此，改进穿刺和注射技术对提高疗效，减少并发症发生是十分必要。1、可比性和真实性强。本研究所采用的病例是实施单侧椎体成形术的实际病例，在临床实际对于一个患者的一个椎体而言，不可同时施行单侧和双侧椎体成形术方法，对于不同的患者或者不同的椎体，因为椎体的差异失去可比性。如何准确评价单侧和双侧椎体成形术两种方法力学上的优劣？无论是从离体干湿标本还是实际临床当中都是困难甚至是不可能实现的，因此寻找一种仿生学研究是可行的。有限元分析方法实现了这一目标，而作者基于患者术前的CT横断片,利用PHOTOSHOP,画出数层模拟双侧注射骨水泥的CT横断片，根据每层的面积和层间距0.75mm算出每侧的骨水泥容量,总剂量与单侧入路实际应用剂量相同，然后建立几何模型和有限元模型,输入材料信息,最后负荷加载与单侧进行生物力学变化比较,如同实际临床中对于同一个患者，同一个椎体，既实行单侧又实行双侧椎体成形术,可比性和真实性强。2、该研究分析结果准确。该研究不仅可以克服应力测量不易、个体差异的问题，而且模型可重复使用，分析更直观、更容易、分析效果更加理想。特别是利用了生动的可视化系统，使用有限元研究对椎体成形术后单侧及双侧入路生物力学进行细致的研究。3 本研究由于计算量巨大，采用了一个数学模型，是参照国内外的同类博硕论文如展磊 41 的股骨头坏死的三维有限元分析及与治疗方法选择的研究，林宏銘42的椎体成形术之生物力学分析。参考文献1 Alvarez L，Perez-Higueras A，Granizo JJ，et a1Predictors of outcomes of percutaneous vertebroplasty for osteoporotic vertebral fracturesSpine，2005，30：87922 刘爱华，吴中学，杨新健，等.单侧入路的椎体成形术治疗老年椎体压缩性骨折. 中国现代医学杂志,2006,16(17):2623-2625.3何仕诚，滕皋军，邓 刚，等.经皮椎体成形术治疗骨质疏松椎体压缩骨折.临床放射学杂志，2003，22：9529574邓钢，何仕诚,滕高军 ，等.椎体成形术治疗脊椎恶性肿瘤.介入放射学杂志，2005,14(3)：262.4 Belkoff SM,Mathis JM,Jasper LE,et al.The biomechanics of vertebroplasty:the effect of cement volume on mechanical behavior .Spine,2001,26:1537-1541.5 刘丹，吴震东，黄宰宇，等.经皮穿刺椎体成形术治疗骨质疏性脊柱压缩骨折的难之探讨.中国矫形外科杂志，2005,13（2）:150151.6 陈扬，李振宇，闫洪印，等.PKP在治疗骨质疏松脊柱压缩骨折中的应用.中国骨与关节损伤杂志,2008,23(10):838-839.7杨新建,Kieran J Murphy ,主编.经皮椎体成形术M，北京:人民卫生出版社. 2004.228.8 Murphy KJ，Lin DdmVertebroplasty-a simple solution toadificultproblemJournal of Clinical Densitometry，2001，4(3)：1891979 Tohmeh AG,Mathis JM,Fenton DC,et al.Biomechanical efficacy of unipedicular versus bipedicular vertebroplsty for the management of osteoporotic compression fractures.Spine,1999,24(17):1772.10 简志训，陈政行，林建宇，等.椎体成形术中不同骨水泥容量及位置的生物力学评估.中国创伤骨科杂志，2005，7（10）:903907.11 宓士军，吴立明.基于影像学测量的椎体成形单侧入路穿刺进针点和