胸腰椎骨折三维有限元模型构建的研究进展

廖亦佳， 舒启航， 王 程

(南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南省衡阳市421001)

胸腰椎骨折是临床最常见的脊柱骨折，大部分胸腰椎骨折发生在胸腰椎交界处，在这些骨折中，爆裂性骨折约占10%～20%[1]。对于不稳定骨折或骨折块压迫导致脊髓损伤症状的患者目前多主张采取手术治疗，一般均需要辅以内固定或外固定重建其即时稳定性，为术后康复提供基本条件，而对不同固定系统常常需要通过力学分析来验证其有效性。利用三维有限元建立胸腰椎骨折模型对各种形式的植入物进行力学分析也得到越来越广泛的应用。本文对胸腰椎骨折三维有限元模型构建进行分类总结和评价，并对其未来发展方向进行了展望。

1 参照现有骨折通用分类构建的模型

胸腰椎骨折分类的研究有着悠久的历史，AO、Denis等一些常用的分类已经被广泛熟知，分类系统准确描述了不同骨折情况，从而可以指导研究者构建需要的骨折三维有限元模型，目前所常用的不同分类大致可以分为以下3种。

1.1 AO分类

AO分类是目前在胸腰椎骨折三维有限元模型中参考最多的分类。Basaran等[2]对于短节段后路内固定是否有足够的力量支撑以及长节段后路内固定是否会增加邻近节段相关疾病发生的风险进行力学分析，就是根据AO分类中的A3.3.3型骨折[3]，在矢状面上将正常T12椎体前缘的上三分之一处与上缘的前三分之二处进行连线，沿这条线进行线上椎体部分切除，构建了完全爆裂骨折三维有限元模型。Wang等[4]为探讨3种常用后路固定技术对治疗胸腰椎爆裂骨折术后生物力学的影响，在椎体前缘距上缘约三分之一处到椎体后缘距上缘约三分之二处画一条斜线，以楔形形状切除了斜线以下椎体部分，获得类似于A3.1型不稳定胸腰椎骨折模型。Li等[5]与Wang等[4]研究目的类似，比较不同椎弓根螺钉内固定技术治疗胸腰椎骨折术后内固定装置应力大小，其参照A3.1型骨折，将T12椎体前后缘中点连线以下的椎体部分和T12与L1之间的椎间盘完全切除建立骨折模型。相同的是，出于伤椎置钉的需要，他们都选择保留椎体的后上部来构建骨折模型，不同的是，Li等[5]建立的脊柱骨折模型更加不稳定，选择极端情况进行生物力学研究为A3.1型脊柱爆裂性骨折的临床治疗提供参考。Liu等[6]和Wang等[7]也是按照Li等[5]的三维有限元骨折模型进行力学分析。

1.2 Denis分类

部分研究采用Denis分类[8]作为胸腰椎骨折三维有限元模型的参考。Xu等[9]根据Denis分类，建立了两种不同严重程度的骨折模型。第一种模型是将T12椎体前后缘中点连线以上的松质骨切除，约占整个椎体松质骨的一半，来模拟轻度骨折；第二种模型将椎体前后缘中点连线以上的松质骨和皮质骨都切除来模拟重度骨折，类似Denis分类中的B型骨折。为验证椎体成形术是否可以降低内固定系统和脊柱的应力，分别在这两种模型骨缺损处的一侧、双侧及缺损处的中央模拟骨水泥注入情形，建立了8个模型进行力学分析。张玉新等[10]根据Denis分类中的B型骨折，将T12椎体前后缘中点连线以上的距前缘二分之一以内的椎体皮质骨切除，并将上终板及切除皮质骨部位的松质骨赋予损伤后材料属性从而建立了模型。Xu等[11]与张玉新等[10]构建的模型类似，选择切除T12椎体前后缘中点连线以上的皮质骨，将切除皮质骨部位的松质骨赋予为正常松质骨模量的10%来模拟T12椎体骨折。

1.3 其他分类

部分研究根据需要采用其他现有的分类作为参照构建三维有限元模型。Genant等[12]提出用半定量的标准对骨折程度进行评估，并通过研究得出半定量与定量这两种方法都能够可靠地评估椎体骨折。Wu等[13]参照半定量视觉分级3级，在L1椎体中部作两条平行于终板的线，近似于矩形形状切除两条线之间的椎体，约占整个椎体体积的60%，保留了小部分椎体后部结构，建立严重不稳定胸腰椎骨折的有限元模型。

以上模型均为参照现有骨折通用分类构建的模型，研究者按照具体分类中所涉及的骨折部分，切除了相应部分或全部骨折范围来构建三维有限元模型，该方法的优势在于能直接根据骨折分型进行相应构建和分析，但严格来说以完全切除骨折部分来模拟骨折跟临床实际情况还是存在诸多差异的。

2 参照临床影像学特征构建的模型

部分研究者参照胸腰椎骨折即时或复位固定后的影像学改变来构建模型进行相关三维有限元研究。Liu等[14]研究不同置钉深度对L1骨折椎体及螺钉应力的生物力学影响，其建模参考了L1椎体爆裂性骨折患者术后第3天的CT图像，骨折椎体复位后前中柱的中间出现了近似于楔形的骨缺损区域，约占整个椎体30%，根据这一影像学改变，从L1椎体后缘距上缘约六分之一处作一条平行于上终板的线到椎体前缘，再从椎体后缘距上缘约三分之一处到椎体前缘中点以下的位置作一条斜线，使得两线之间的椎体约占整个椎体的30%，近似于楔形形状切除了两条线之间的部分椎体建立了模型。Wang等[15]研究4种后路短节段椎弓根螺钉固定技术治疗胸腰椎骨折的生物力学影响，参照了Liu等[14]的模型，适当调整了两条线的位置角度，以楔形形状切除了L1椎体部分前柱和中柱，约占L1椎体的60%，建立了三维有限元骨折模型。Zhou等[16]、Elmasry等[17]和程哲等[18]也使用了这种方法构建模型，在此基础上Zhou等[16]又根据载荷分型[19]，通过调节后凸矫正角、椎体骨缺损区域占比、爆散程度，建立了中度骨折与不稳定重度骨折两种模型。Li等[20]参考了一名46岁男性患者CT图像，将椎体前缘压缩至1/2，后凸Cobb角调整为18.6°，构建了T12椎体压缩性骨折三维有限元模型。王健等[21]同样结合了临床实际压缩性骨折病例，将伤椎的高度调整到正常高度的1/2或1/3，切除椎体前方部分皮质骨，模拟骨折后的骨折线，构建出与临床实际病例影像学改变相类似的胸腰椎压缩性骨折模型。以上模型均为参照胸腰椎骨折即时或复位固定后的影像学改变构建的模型，研究者模拟相应的影像学改变来切除相应部分骨折范围来构建三维有限元模型，该方式能直观形象地理解相应模型，但实际上除了影像学改变部分外，剩余的部分采用正常椎体的弹性模量来分析跟临床实际情况也还是存在一定差异的。

3 根据个体化研究目的构建的模型

除了以上两种方式构建的模型，还有部分研究根据个体化研究目的构建了三维有限元模型。Elmasry等[22]为比较经皮椎弓根螺钉内固定术(PPSF)、经皮球囊扩张椎体后凸成形术(PKP)和PKP联合PPSF治疗胸腰椎爆裂性骨折3种手术的术后生物力学性能，按照手术治疗的纳入标准[23]，将前柱压缩50%，后凸Cobb角调整为20°，构建了L1椎体爆裂性骨折模型，为模拟骨折复位后及注入骨水泥后情形，设定椎体高度恢复95%，后凸角度调整到4°作为复位后的模型，在此模型基础上，通过在L1椎体中心创建两个对称的骨水泥腔，约占椎体体积的13%来模拟PKP术后的情形，最后植入内固定装置进行力学分析。Liao等[24]根据伤椎置钉及注入骨水泥的需要，选择在T12椎体中心位置切除占整个椎体一半的松质骨同时保留后路结构来模拟椎体骨折。Liao等[25]另一篇研究短节段椎弓根螺钉固定治疗胸腰椎爆裂性骨折效果的文章中也是采用同样的方法构建了骨折模型。以上模型均为根据个体化研究目的构建的模型，研究者根据特定研究目的来切除和保留相应部分椎体和附件来构建模型，进行相应的三维有限元分析，相应模型仅限于特定研究中使用，在其他研究中无参考价值。

4 总结与展望

胸腰椎骨折为临床常见的脊柱外伤，在应用有限元分析法分析胸腰椎骨折治疗的研究中，建立胸腰椎骨折三维有限元模型是研究基础，但目前尚无统一的标准来构建相应模型。因为临床实际情况中骨折程度个体差异较大，软组织的损伤程度也不同，大部分文献更着重比较整体趋势，并没有详细考虑骨折节段周围软组织的力学影响，多侧重于研究骨性结构的影响，并根据具体研究目的不同，构建了不同种类的三维有限元模型。

胸腰椎骨折的骨折椎体和损伤的终板及邻近椎间盘在弹性模量上是有相应改变的，但因为损伤部位和程度不同，相应的弹性模量改变也存在很大的区别，实际分析中难以精确对相应损伤组织进行赋值，所以目前文献中通常采用的是直接对部分椎体进行切除，而不是重新赋值，具体骨性结构切除范围如本文所总结的有以上3种分类。综合而言从模型的可参考性来看，参照现有骨折通用分类和临床影像学特征构建的模型会更具有价值，而从临床仿真度来看，参照临床影像学特征构建的模型会相对来说更有优势一些，但现有研究中以上3种模型均采用简单的切除部分骨性结构来模拟骨折，与骨折后椎体内实际弹性模量改变是存在一定差异的，这也是目前三维有限元分析的难点所在。

综上所述，目前胸腰椎骨折三维有限元模型的构建方法多样，根据不同研究目的，研究者采用了各种不同的模型，虽然现有的参考骨折分型和影像学特征构建的模型具有一定可参考性和临床仿真度，但仍存在以上列举的诸多问题，有待于以后的研究进一步完善。