Abstract
目的
采用有限元分析探讨不同治疗方法治疗骨质疏松性椎体压缩骨折（osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF）对脊柱力学稳定性变化的影响。
方法
选择2020年1月—2021年6月收治的10例胸腰椎OVCF患者，其中5例行微创手术治疗（手术组），5例行保守治疗（保守治疗组）；另选择5例健康志愿者作为正常对照（正常对照组）。3组研究对象年龄及性别差异均无统计学意义（P>0.05）。手术组及保守治疗组于治疗前后行骨折椎体及邻近节段CT扫描，正常对照组行T12～L2 CT扫描检查。将CT扫描数据导入Mimics 10.01软件，构建三维有限元模型；将正常对照组模型与既往相关文献测量结果进行比较验证有效性后，测量各组不同运动状态下脊柱结构应力及活动度（range of motion，ROM）。
结果
经验证研究构建的三维有限元模型有效。治疗后在不同运动状态下，3组结构应力比较差异均有统计学意义（P<0.05）。治疗前，手术组和保守治疗组各向ROM均低于正常对照组（P<0.05），保守治疗组和手术组差异无统计学意义（P>0.05）；治疗后，正常对照组和手术组各向ROM均高于保守治疗组（P<0.05），手术组与正常对照组差异无统计学意义（P>0.05）。
结论
对于OVCF患者，采用微创手术治疗可以获得较好效果，与保守治疗相比，能提高脊柱稳定性，可以作为一种首选治疗方法，有助于改善患者预后。
Keywords: 骨质疏松性椎体压缩骨折, 有限元分析, 椎体力学, 胸腰椎
Abstract
Objective
To investigate the effect of different treatment methods on the vertebral stability of osteoporotic vertebral compression fracture (OVCF) by finite element analysis.
Methods
Ten patients with thoracolumbar OVCF admitted between January 2020 and June 2021 were selected, 5 of whom underwent operation (operation group), 5 underwent conservative treatment (conservative treatment group). Another 5 healthy volunteers were selected as the control group. There was no significant difference in gender and age between groups (P>0.05). The operation group and the conservative treatment group received CT examination of the fractured vertebral body and adjacent segments before and after treatments, while the control group received CT examination of T12-L2. By importing CT data into Mimics 10.01 software, the finite element model was constructed. After comparing the finite element model of control group with the previous relevant literature measurement results to verify the validity, the spinal structural stress and range of motion (ROM) in each group under different conditions were measured.
Results
The three-dimensional finite element model was verified to be valid. There were significant differences in spinal structural stress after treatment between groups under different conditions (P<0.05). Before treatment, the ROMs of operation group and conservative treatment group under difference conditions were significantly lower than those of control group (P<0.05), and there was no difference between conservative treatment group and operation group (P>0.05). After treatment, the ROMs of the control group and the operation group were significantly higher than those of the conservative treatment group (P<0.05), and there was no significant difference between the operation group and the control group (P>0.05).
Conclusion
For patients with OVCF, the minimally invasive operation can achieve better results. Compared with conservative treatment, it can reduce the effect on spinal stability, and can be as a preferred treatment method, which is helpful to improve the prognosis of patients.
Keywords: Osteoporotic vertebral compression fracture, finite element analysis, vertebral mechanics, thoracolumbar vertebrae
骨质疏松症是老年人群常见骨科疾病，以骨微管结构变化和骨量下降为主要病理特征，骨组织脆性增加，容易发生骨折[1-2]。骨质疏松性椎体压缩骨折（osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF）可导致椎体高度丢失、椎体畸形、脊柱功能受限以及慢性或急性腰背疼痛，对患者身心健康造成严重危害[3]。OVCF可采取保守或手术治疗，目前有关治疗方法及其疗效的研究较多，但是对于不同方法治疗后椎体力学稳定性变化的研究较少。为此，我们进行了一项有限元分析，探讨不同治疗方法对胸腰椎OVCF脊柱稳定性的影响，为临床选择治疗方法提供参考。报告如下。
1. 研究对象及方法
1.1. 研究对象
以2020年1月—2021年6月成都市金牛区人民医院收治的10例OVCF患者为研究对象，其中5例行微创手术治疗（手术组），5例行保守治疗（保守治疗组）。手术组：男2例，女3例；年龄56～83岁，平均69.3岁。病变节段：胸椎1例，腰椎1例，胸腰椎3例。手术类型：经皮椎体后凸成形术2例，经皮椎体成形术3例。保守治疗组：男2例，女3例；年龄57～85岁，平均69.5岁。病变节段：胸椎1例，腰椎2例，胸腰椎2例。保守治疗方法：患者卧硬板床，根据疼痛程度给予相应止痛药，待疼痛缓解达到可耐受或者消失后停止用药，同时予以补充钙及维生素D的基础骨质疏松治疗方案，2个月后患者佩带腰部支具进行功能锻炼。选择5例健康志愿者作为正常对照（正常对照组）。男2例，女3例；年龄55～80岁，平均69.1岁。3组研究对象年龄以及性别比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。
1.2. 研究方法
1.2.1. CT扫描
手术组及保守治疗组于治疗前3 d和治疗后1个月行骨折椎体及邻近节段椎体扫描，正常组行T12～L2椎体扫描检查。采用德国西门子公司SOMATOM Emotion 16层螺旋CT仪，检查时患者取仰卧位，对相应节段进行连续扫描，获得数据以Dicom格式保存。扫描条件：电压120 kV，电流125 mA，层厚0.62 mm，层间距0.5 mm。
1.2.2. 三维模型构建
将CT数据导入Mimics 10.01软件（Materialise公司，比利时），通过区域增长、填充空洞以及阈值分割等功能对骨与软组织信息进行提取，利用三维建模功能并经Remesh操作，构建胸腰椎三维模型。然后将txt格式三维模型数据导入Geomagic Studio软件（Geomagic公司，美国），经点阶段和封装阶段、多边形阶段、曲面阶段等处理成实体模型，并以iges格式导出。
1.2.3. 有限元模型构建
将三维模型导入Mimics 10.01软件，得到Mimics操作的基本视窗界面，通过鼠标和定位工具栏快速定位，将提取的像素存放在一个新建的Mask里，对表面比较毛糙、不平滑可能影响后期力学软件计算结果的部分进行几何清理。再使用工具栏中的dilate、erode形态学处理功能将未填充孔洞和表面变平整，然后用FEM模块网格划分工具划分三维模型表面，使骨骼壳组织生成，对壳组织网络进行优化。按照上述步骤将各个椎间盘纤维环、髓核、软组织、终板以及韧带进行重建，获得胸腰椎有限元模型（图1）。有限元分析模型各结构材料属性参数见表1。
图 1.
Three-dimensional finite element model
三维有限元模型
a. 对照组；b、c. 手术组手术前后；d、e. 保守治疗组治疗前后
a. Control group; b, c. Operation group before and after operation, respectively; d, e. Conservative treatment group before and after treatment, respectively
表 1.
Material properties of three-dimensional finite element model
三维有限元模型各结构材料属性参数
| 材料 Material |
弹性模量（MPa） Elastic modulus (MPa) |
泊松比 Poisson’s ratio |
横截面积（mm2） Cross-sectional area (mm2) |
刚度系数 Coefficient of stiffness |
状态 Condition |
| 皮质骨 | 8 040（正常皮质骨弹性模量的67%） | 0.300 | — | — | 骨质疏松 |
| 松质骨 | 34（正常松质骨弹性模量的34%） | 0.251 | — | — | 骨质疏松 |
| 终板 | 670（正常终板弹性模量的67%） | 0.401 | — | — | 骨质疏松 |
| 后方结构 | 2346（正常后方结构弹性模量的67%） | 0.251 | — | — | 骨质疏松 |
| 纤维环 | 456 | 0.301 | 1.36 | — | 正常 |
| 纤维环基质 | 4.3 | 0.451 | — | — | 正常 |
| 髓核 | 0.4 | 0.498 | — | — | 正常 |
| 关节软骨 | 10 | 0.401 | — | — | 正常 |
| 前纵韧带 | 20 | 0.301 | 60 | 33.1 | 正常 |
| 后纵韧带 | 70 | 0.301 | 22 | 20.5 | 正常 |
| 棘间韧带 | 28 | 0.303 | 41 | 11.6 | 正常 |
| 棘上韧带 | 28 | 0.302 | 31 | 23.8 | 正常 |
| 黄韧带 | 50 | 0.301 | 61 | 27.3 | 正常 |
| 横突间韧带 | 50 | 0.301 | 11 | 15.1 | 正常 |
| 关节囊 | 25 | 0.301 | 67.6 | 33.8 | 正常 |
1.2.4. 三维有限元模型有效性验证
基于当前国内外人体脊柱有限元研究文献、实验测量及有限元模型验证结果[4-5]，分析正常对照组正常人体胸腰椎模型在不同运动状态（左/右旋转、左/右侧弯、后伸以及前屈）下的活动度（range of motion，ROM）。
1.2.5. 测量指标
正常对照组及手术组、保守治疗组治疗前后的左/右旋转、左/右侧弯、后伸及前屈ROM；正常对照组及手术组、保守治疗组治疗后轴向、左/右旋转、左/右侧弯、后伸及前屈结构应力。
1.3. 统计学方法
采用SPSS20.0统计软件进行分析。计量资料经正态性检验均符合正态分布，数据以均数±标准差表示，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD检验；检验水准α=0.05。
2. 结果
正常对照组胸腰椎模型左/右旋转、左/右侧弯、后伸以及前屈状态下ROM与文献 ［6-10］报道结果相似，提示模型构建有效（表2）。治疗后在不同运动状态下，3组结构应力比较差异均有统计学意义（P<0.05）。见表3。治疗前，手术组和保守治疗组各向ROM均低于正常对照组，差异有统计学意义（P<0.05）；保守治疗组和手术组差异无统计学意义（P>0.05）。治疗后，正常对照组和手术组各向ROM均高于保守治疗组（P<0.05）；手术组与正常对照组差异无统计学意义（P>0.05）。见表4。
表 2.
Comparison of the ROM of the three-dimensional finite element model in this study with previous studies (°)
本研究三维有限元模型ROM与既往文献比较（°）
| 运动状态 Condition |
本研究 Study |
文献 ［6］ Literature [6] |
文献 ［7］ Literature [7] |
文献 ［8］ Literature [8] |
文献 ［9］ Literature [9] |
文献 ［10］ Literature [10] |
| 右旋转 | 4.25±1.43 | — | 2.47 | 3.9 | 2.4 | 3.4 |
| 左旋转 | 2.36±0.77 | — | 2.55 | 3.2 | 2.7 | 2.9 |
| 右侧弯 | 7.23±5.42 | 5.44±2.49 | 2.44 | 3.8 | 4.6 | 5.1 |
| 左侧弯 | 8.47±4.83 | 5.22±2.37 | 3.48 | 3.6 | 5.2 | 4.3 |
| 后伸 | 5.29±1.77 | 4.69±1.58 | 5.44 | 4.6 | 5.6 | 6.9 |
| 前屈 | 9.65±3.22 | 7.22±2.42 | 6.52 | 7.1 | 7.9 | 7.8 |
表 3.
Comparison of structural stress under different conditions after treatment between groups (n=5, 
, MPa)
治疗后3组不同运动状态下结构应力比较（n=5，
，MPa）
| 运动状态 Condition |
正常对照组 Control group |
保守治疗组 Conservative treatment group |
手术组 Operation group |
统计值 Statistic |
|
*与正常对照组比较P<0.05，#与手术组比较P<0.05 *Compared with control group, P<0.05; #compared with operation group, P<0.05 | ||||
| 轴向 | 1.69±0.25# | 0.96±0.31*# | 0.97±0.12* |
F=7.498 P=0.001 |
| 右旋转 | 2.45±0.77# | 1.42±0.28*# | 2.29±0.34* |
F=10.556 P=0.002 |
| 左旋转 | 2.87±0.56# | 1.52±0.19*# | 2.08±0.22* |
F=8.112 P=0.001 |
| 右侧弯 | 3.79±0.38# | 1.99±0.31*# | 2.09±0.36* |
F=9.598 P<0.001 |
| 左侧弯 | 2.58±0.23# | 1.79±0.27*# | 1.98±0.25* |
F=6.497 P=0.001 |
| 后伸 | 2.17±0.22# | 1.76±0.34*# | 1.86±0.33* |
F=7.095 P<0.001 |
| 前屈 | 3.02±0.34# | 2.04±0.35*# | 2.69±0.29* |
F=5.983 P=0.001 |
表 4.
Comparison of ROMs under different conditions between groups (n=5, 
, °)
3组不同运动状态下ROM比较（n=5，
，°）
| 运动状态 Condition |
正常对照组 Control group |
手术组 Operation group |
保守治疗组 Conservative treatment group |
|||
| 治疗前 Before treatment |
治疗后 After treatment |
治疗前 Before treatment |
治疗后 After treatment |
|||
|
*与正常对照组比较P<0.05，#与治疗前保守治疗组比较P<0.05，△与治疗后保守治疗组比较P<0.05 *Compared with control group, P<0.05; #compared with conservative treatment group before treatment, P<0.05; △compared with conservative treatment group before treatment, P<0.05 | ||||||
| 左旋转 | 36.9±5.0#△ | 18.2±4.8* | 29.7±6.2#△ | 17.8±4.6* | 23.4±4.7* | |
| 右旋转 | 34.1±5.5#△ | 18.1±4.2* | 26.9±7.3#△ | 16.8±4.1* | 25.1±4.6* | |
| 左侧弯 | 38.6±5.3#△ | 20.1±7.9* | 38.3±4.9#△ | 18.6±6.5* | 30.4±5.3* | |
| 右侧弯 | 39.6±4.8#△ | 22.1±7.2* | 36.3±5.6#△ | 18.0±6.9* | 31.5±5.3* | |
| 后伸 | 22.3±3.6#△ | 12.3±3.4* | 24.7±3.2#△ | 12.5±3.3* | 20.2±3.7* | |
| 前屈 | 40.6±3.2#△ | 24.3±8.7* | 33.2±8.5#△ | 24.8±8.8* | 30.2±6.4* | |
3. 讨论
在人体脊柱结构中，脊柱胸腰段在维持正常荷载力量、人体姿势变换以及生理状态等多个方面发挥极其重要作用。脊柱有限元分析主要是利用数字形式概括人体脊柱结构形状、内固定器械、载荷边界条件以及材料性能等，运用计算机有限元模型，通过使任何参数的形状、性质以及属性等发生改变，在拓展性、重复性以及持续性的研究应用中，可以将脊柱结构内部和局部的生物学动态变化机制充分反映出来，模拟分析脊柱病理情况如创伤、退变、损伤和正常生理状态，从而提供准确性较高的一组数据[4]。有研究指出，材料属性改变和力学强度变化可影响脊柱椎体与周围附属结构及相邻椎体应力的变化，也是出现一连串并发症如脊柱后凸畸形加重、活动受限、腰背部疼痛、脊柱功能稳定性下降以及骨质疏松性骨折的一个重要因素[5]。利用有限元分析可以发现骨质疏松症患者胸腰段椎体及附属结构骨弹性模量的异常改变，并且以椎体压缩骨折风险为基本依据，制定针对性预防策略。此外，对于不同骨质疏松症患者开展预防性干预，使椎体及周围结构的应力增加，增强骨骼肌肉系统的应力阈值，对脊柱关节的生物力学平衡进行重建，可以降低OVCF发生风险[6]。
目前，手术是常用的一种OVCF治疗方法，尤其是椎体强化术，不仅具有较好止痛效果，使椎体保持稳定，还能促进塌陷椎体复位，矫正后凸畸形，具有早期活动、减轻机体疼痛以及创伤小等诸多优点，可以提高患者生活质量[7]。本研究结果显示，手术组术后ROM较术前增加，说明经皮椎体后凸成形术和经皮椎体成形术治疗OVCF可以获得较好效果，能够增强椎体力学稳定性。分析原因主要为经骨水泥强化治疗后，可增强椎体稳定性，改变压缩椎体的生物力学环境和材料属性，增加椎体强度和刚度。同时，通过球囊扩张可以对椎体畸形进行矫正，使椎体排列恢复正常，椎体轴向负荷力线前移减少，改善上、下相邻椎体的额外屈曲力矩，从而提高脊柱稳定性[8]。本研究通过比较分析各组治疗后不同运动状态下的结构应力，发现手术组和正常对照组均优于保守治疗组（P<0.05），提示椎体强化术可以增强骨折椎体的机械稳定性，并且与有限元分析相结合，可以预测骨水泥增强后的骨骼稳定性。但需要注意的是，复位程度和状态不同，对椎体长期稳定性的影响也存在一定区别；临床随访结果显示椎体强化术后由于不同复位状态，还会出现诸多并发症如腰背部疼痛、相邻椎体骨折等，也是今后需要讨论的问题[9-10]。
综上述，有限元分析显示采用微创手术治疗OVCF可以获得较好疗效，与保守治疗相比能提高脊柱稳定性，有助于改善患者预后，可以作为一种首选治疗方法。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道
伦理声明 研究方案经成都市金牛区人民医院学术及伦理委员会批准
作者贡献声明 程明：研究设计、文章撰写；彭诗语：数据收集；江娇：数据及相关材料管理；邓力：软件录入；杨雪：数据分析及处理；赵冠兰：对文章的知识性内容作批评性审阅，行政支持
Funding Statement
四川省科技厅重点研发项目（2020YFS0416）
Key Research and Development Project of Sichuan Provincial Science and Technology Department (2020YFS0416)
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