应用有限元对比分析单侧入路退针法与双侧固定点注射骨水泥椎体成形术生物力学变化(1)

1、应用有限元对比分析单侧入路退针法与双侧固定点注射骨水泥椎体成形术生物力学变化隆全利，宓士军 河北省唐山市丰润区人民医院骨科 064000；隆全利，男，1973年生，籍贯（唐山市丰润区），汉族 医学硕士，:主治医师 研究方向。脊柱生物力学 E-MAIL 通讯作者：宓士军，硕士 主任医师，硕士生导师，唐山市丰润区人民医院骨科，河北省唐山市 【摘要】 目的 探讨应用有限元分析椎体成形术退针注射骨水泥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， 患者伤椎采用单侧入路退针法注射实施椎体成形术，进针点选择左侧椎弓根近中心部位，内倾角度为24.5，先将针穿刺到达椎

2、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，注射2ml，再退针到椎体的中后1/3部位进行注射1ml。模拟双侧入路，每侧注入3ml骨水泥，获取椎体L1L2节段断层图像，分别建立有限元模型，对椎体上表面分别依次施加载500N，1000N，1500N，2000N，2500N的轴向压缩负载，进行生物力学对比分析。结果 随着施加负载的增加，应变和应力也逐渐增加，椎体呈现弹性性质，出现了近似线性的小变形情况。双侧固定点注射骨水泥和退针注射法在轴向压缩负载下应力和应变无明显差异。结论 退针注射法注射骨水泥和双侧固定点注射骨水泥生物力学分布无明显差异。【关键词】椎体

3、成形术；退针注射； 穿刺；固定点注射 双侧Abstract objective to use a validated finite element mordel to evaluate the vitodynamics effect 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

4、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

5、,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 3 ml bone cement from the left side and the right side respectively, and get L1L2 fault image, getting a validated finite element mordel,

6、exerting the load of 500N，1000N，1500N，2000N，2500N on the supine surface of the vertebra respectively and evaluate the stress distribution of the vertebro bodies.result with the load is increasing , the deformity and the strain increase with it,the vertebralbodies show the property of elasticcity,nea

7、rly linear minor deformity is. the way using fixation point by bilateral and the way using withdraw injecting bone cement have not obviouse difference in stress distribution and deformity . Conclusion the way using fixation point by bilateral and the way using withdraw injecting bone cement have not

8、 obviouse difference in vitodynamics.Key words percutaneous vertebroplasty; needle withdraw injection; puncture ;fixation point injectioin bilateral0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（PMMA），以达到固定骨折及矫正椎体畸形，同时有止痛作用，使患者早日恢复日常生活。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首先治疗椎体侵袭性海绵状血管瘤,取得了意想不到的镇痛效

9、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，如何应用最少的骨水泥来达到理想的刚度和强度，对该问题有过很多的探索。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

10、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。因此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，特别是穿刺技术和骨水泥的注射方法，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法注射和双侧注射两种方法进行生物力学分析以指导临床改进操作技术。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

11、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，再退针到椎体的中后1/3部位进行注射1ml，然后模拟双侧入路，每侧注入3ml骨水泥。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（图1）（图2）。1.2有限元模型的建立对CT图象进行分割。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

12、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建立有限元模型（图3）。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4）为 在500 1000 1500 2000 2500N 下最大应变。（图5）为500 1000 1500 2000 2500N 下最大应力。2 结果对椎体上表面分别依次加载500N，1000N，

13、1500N，2000N，2500N的轴向压缩负载结果显示，随着施加负载的增加，应变和应力也逐渐增加，椎体呈现弹性性质，出现了近似线性的小变形情况。双侧固定点注射骨水泥和退针注射法在轴向压缩负载下应力和应变无明显差异。3 讨论31 单侧入路椎体成形术穿刺注射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

14、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。而且有人通过力学研究证明单侧与双侧注射骨水泥在同等剂量的情况下对椎体刚度恢复无差异10。但是单侧入路在骨水泥注射方法上还存在一定的问题，传统的穿刺针尖到位点是椎体前中1/3部位，骨水泥注射是固定在该点注射，这个部位注射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，导致故水泥分布不均匀，临床效果不满意。采用退针注射法注射骨水泥(图6)，按照椎体的解剖学特性，椎体越往后重要组织越多，相对的危险性越大，在手术时尽量控制骨水

15、泥向后流动，如此退针注射也根据了骨水泥特性时间越长，黏度越大，流动性越小，安全性能越大。退针法注射可以将骨水泥在椎体的各个部位分布更均匀，更到位，同时减少了针尖固定在一个部位时，在后期注射部位压力大，容易造成骨水泥向骨折部位和静脉泄漏的发生。因此，改进注射方法是十分必要的，对提高治疗效果，减少并发症发生具有重要的临床意义。但是是否在生物力学上比较双侧注射方法是否具有差异？我们应用有限元对单侧入路退针法与双侧固定点注射骨水泥椎体成形术生物力学变化进行了对比分析。32 单侧入路退针法与双侧注射骨水泥的生物力学变化对比分析可比性和真实性强。该研究所采用的病例是实施单侧入路退针法注射椎体成形术的实际病

16、例，固定点注射图像是作者基于患者的CT横断片,和我科应用双侧注射法骨水泥分布特点，利用PHOTOSHOP,画出数层模拟传统注射骨水泥的CT横断片，根据每层的面积和层间距0.75mm算出每侧3ml骨水泥, 总剂量与退针法应用剂量相同，然后建立几何模型和有限元模型,最后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。通过对结果分析，结果显示，随着施加负载的增加，应变和应力也逐渐增加，椎体呈现弹性性质，出现了近似线性的小变形情况。双侧固定点注射骨水泥和退针注射法在轴向压缩负载下应力和应变

17、无明显差异。33应用有限元分析两重生物力学变化的优缺点。我们体会应用有限元分析两种注射方法的生物力学变化具有以下优点：1、可比性和真实性强。研究在临床实际工作中，对于一个患者的一个椎体而言，不可能同时施行退针和传统注射方法，对于不同的患者或者不同的椎体，因为椎体的差异很大，失去可比性。如何准确评价两种方法力学上的优劣？无论是从离体干尸标本还是实际临床当中都是困难甚至是不可能实现的，有限元分析方法实现了这一目标，而如同实际临床中对于同一个患者，同一个椎体，既实行双侧注射,又实行退针注射，可比性和真实性强。2、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

18、析更直观、更容易、分析结果准确。但是在实际分析应用中由于计算量巨大，采用了数学模型，是参照国内外的同类博硕论文如展磊 11 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和林宏銘12的椎体成形术之生物力学分析的方法，难免会有一些误差，在以后的研究中积累更多的实际病例做更加详细的研究，使研究成果与临床实际更加一致。应用有限元对比分析单侧入路退针法与双侧注射骨水泥椎体成形术生物力学变化， 结果表明，退针注射法注射骨水泥，较双侧注射法生物力学分布无明显差异，由于其具有省时，省力，减少风险，节约费用等优势，该注射方法值得临床应用。参考文献1Galibert P, Deramond H, Rosat

19、 P, et a1. Preliminary note on the treatment of vertebral angioma by percutaneous acrylic vertebroplasty. Neurochirurgie. 1987;33(2):166-168.2 Polikeit A, Nolte LP, Ferguson SJ. The effect of cement augmentation on the load transfer in an osteoporotic functional spinal unit: finite-element analysis.

20、 Spine. 2003;28(10):991-996.3 Belkoff SM, Mathis JM, Erbe E, et al. Biomechanical evaluation of a new bone cement for use in vertebroplasty. Spine. 2000;25(9):1061-1064.4 Heini PF, Berlemann U, Kaufmann M, et al. Augmentation of mechanical properties in osteoporotic vertebral bones: a biomechanical

21、investigation of vertebroplasty efficacy with different bone cements. Eur Spine. 2001;10(2):164-171.5 Barr JD, BarrMS, Lemtey TJ, et al. Percutaneous vertebrolplasty for pain relief and spinal stibilization. Spine. 2000;25(8):923-928.6Liebschner MG, Rosenberg WS, Keaeny TM , et al. Effects ofbone cement volume and distribution on vertebr