椎体后凸成形术对相邻节段生物力学影响的有限元分析研究新进展

1、椎体后凸成形术对相邻节段生物力学影响的有限元分析研究新进展蔡繁繁刘岗(广东医学院附属深圳光明新区人民医院骨科518106)【摘要】经皮球囊扩张椎体后凸成形术已广泛应用于临床治疗骨质疏松或 肿瘤转移而导致的椎体压缩性骨折，其创伤小，缓解疼痛及纠正后凸畸形效果好, 近期疗效肯定，而远期因其强化椎椎体高度丢失、邻椎继发骨折等并发症而使其 争议颇大。继发骨折的邻椎位置是否与骨水泥分布位置有关尚不清楚，冃前尚无 相关报道，因此有必要通过有限元分析进行研究，进一步阐明不同骨水泥分布位 置对相邻节段生物力学的影响，为椎体后凸成形术个体化实施及其预后提供一定 的理论依据。【关键词】椎体后凸成形术；有限元分析；

2、研究进展【中图分类号】r615【文献标识码】a【文章编号】2095-1752 (2015) 06-0066-03latest progress in the finite element analysis about biomechanical effects of percuta neous kyphoplasty on adjace nt vertebraecai fan fan, liu gang departme nt of orthopedic, guan gdong medical college affiliated shenzhen guangming new district

3、 people’s hospital,guangdon g,508106,chi na【abstractpercutaneous kyphoplasty has been widely used in treating theosteoporotic or tumor metastasis vertebrae compress fracture, the short-term effect in minimally invasive, pain relief and the correction of kyphosis is positive, but iong-term

4、effect there much controversy in complication about the height losing of the enhan ced vertebrae and adjace nt vertebrae sec on dary fracture. it’s un clear that the adjace nt vertebrae sec on dary fracture associate with the positi on of bone cement distribution, there is no report about

5、it, so it’s necessary to elucidate the effect of the differe nt bone eleme nt distributi on on the adjace nt vertebrae biomechanics through the finite element analysis to provide a theoretical basis for the in dividual treatme nt and prog nosis of percuta neous kyphoplasty.【keywords percut

6、aneous kyphoplasty;finite element analysis;research progress随着年龄的增长，人体代谢水平、钙磷比例、激素水平等都发生变化，多因 素的影响下，使得骨质疏松症(osteoporosis, op)患病率增高，由其绝经后女 性，雌激素水平下降，更易发生骨质疏松症。在我国50岁以上人群中0p总患 病率女性为20.7%,男性为14.4%,估算约有近7000万人患有0p。op常见的 并发症包括疼痛、驼背变矮、骨折、呼吸功能下降等，其中最常见的并发症是骨 质疏松性椎体压缩性骨折(osteoporotic vertebral compression f

7、racture ovcf)。 ovcf可引起各种严重的并发症，危害健康24。目前针对ovcf的治疗方法有多 种，包括非手术治疗、手术治疗及非手术与手术治疗相结合等。而目前对于单纯 的压缩较明显、疼痛厉害的患者，多采用微创手术治疗，微创手术可减少手术创 伤，优势明显u疗效显著。随着材料学及方法学的发展，各种新型微创手术系统 和填充材料不断涌现5。目前应用较多的主要包括：经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty, pvp)> 经皮球囊扩张后凸成形术(percutaneous kyphoplasty, pkp) sky骨扩张系统后凸成形术、optimesh椎体成形

8、术。pkp是在pvp的基础上发展起来的一项脊柱外科微创新技术，其基本原理是 先在椎体内置入一个可膨胀性球囊，通过球囊的扩张在椎体内形成一个空腔，再 注入填充材料，从而纠正畸形，缓解疼痛6。pkp于1998年取得美国食品和 药物管理局(fda)的批准开始应用于临床，治疗骨质疏松或肿瘤转移而导致的椎 体压缩性骨折已有20余年。pkp有不同的适应证78及禁忌证9-11o pkp相比 非手术治疗，在术后1个月内对急性椎体压缩性骨折能更快缓解疼痛、改善活动 功能及生活质量，但随吋间延长其疗效与非手术治疗无明显差异12。常见的就 是术后邻近椎体发生骨折，而对于其原因还不确定，意见不一，主要观点包括骨 质疏

9、松症的自然进展，经皮椎体成形术和pkp后压缩椎体的强化使得邻椎受力增 加，术后骨水泥分布不均或者椎间盘渗漏等。目前关于pkp术后影响手术椎体及 邻近椎体生物力学的研究主要集中于灌注材料13骨水泥注射方式14-15.注 射量16-18 注射时机19-20等方面，尚无文献报道pkp后骨水泥分布位置对邻 椎生物力学影响。目前较多的学者通过有限元分析(finite element analysis),建 立椎体模型，用于pkp生物力学的研究。baroud等21通过三维有限元模型研究骨水泥强化后终板形态变化，结果显 示：骨水泥在治疗椎体内起着“支柱”作用，治疗椎体终板内陷减少7%,髓核 压力增高19%,

10、造成邻近椎体终板偏移增加17%。费琦等22同样通过有限元法椎体后凸成形术对邻近节段力学影响，结果发 现椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布，增强椎体的相邻椎 间盘及相邻终板的应力增强区域增加；相邻椎体所受最人应力明显增加，但远端 椎体的最大应力明显减少。提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可 能与术后生物力学行为的改变有关。ananthakrishnan等23通过尸体模型的研究表明骨水泥强化后没有显著增 加相邻椎间盘压力，即使骨水泥强化会造成椎间压力增高，但也达不到骨折前水 平，认为相邻椎体继发骨折的主要原因是骨质疏松症的自然进展。关海山等24啲研究也表明了同样的观点，他

11、们通过有限元法研究直立位吋, 上身重力(260n)、等随动载荷(200n)和竖脊肌力作用下，椎体成形术和椎体后凸成 形术之竖脊肌力、邻近椎体最大von mises应力、椎间盘压力变化。发现骨水泥 强化对椎体和椎间盘承载影响较小。椎体骨折、终板塌陷会造成椎间盘压力下降， 终板破坏以后椎间盘压力可降低25%。purcell等25通过有限元法研究pkp后骨水泥压实区域对强化椎的应力分布 的影响，发现椎体皮质骨及骨水泥的应力分布在pkp后(在压实区域的厚度、弹 性模量、摩擦系数的影响下)有68%幅度变化。通过上述研究，使我们对骨水泥强化后强化椎及相邻节段等的生物力学变化 有了深入的了解。但总体来说，目

12、前相关研究并不多，而且研究结论还存在较人 分歧，这可能与研究的影响因素较多及研究方法、研究目的等的不同有关。purcell等的研究表明了 pkp后压实区域的力学性能参数(厚度、弹性模量、摩擦 系数等)对强化椎的影响，压实区域的力学性能与球囊扩张程度、骨水泥位置、 患者的骨密度等有直接关系，实际上球囊扩张后松质骨有不同程度压缩，压实区 及非压实区作为一个“整体”发挥力学影响，而这个“整体”的大小与骨水泥分 布位置有直接关系。骨水泥的分布位置的不同对其上下邻椎生物力学的影响是否 不同尚不清处，目前尚无相关报道，有必要进行更为深入的研究。而有限元分析 法应用于人体生物力学的研究已有多年且已被证明是科

13、学可行的，与传统实验方 法比较，有限元方法具有可计算人体内部结构应力分布，成本少，所建模型可伸 缩、可重复进行研究，还可根据实际情况进行修改以模拟多种病理状态等优势。因此可以通过有限元分析建立模型研究骨水泥分布位置的不同对邻近椎体 生物力学的影响，从而为pkp的个体化实施及预后判断提供一定理论依据。【参考文献】1 中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会.原发性骨质疏松症诊治指南卩. 中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志,2011, 4(1)： 2-162 kim dh. vaccaro ar. osteoporotic compressionfractures of the spine： current

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