第一部分脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型的建立[目的]探索建立脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型的方法,为脊柱骨质疏松性三明治骨折的有限元研究提供模型。脊柱三明治骨折定义:一个完好的未骨折椎,其上方和下方相邻的两个椎体均发生骨折,这种特殊类型的椎体骨折称为三明治骨折,中间完好的未骨折椎称为夹心椎。[方法]选取男性志愿者1名,采用薄层CT扫描胸腰段脊柱(T10——L2),使用Mimics 15.0、ANSYS12.0等软件提取CT图像,进行重建、优化、网格化和组装,采用骨质疏松脊柱的材料参数,制作脊柱胸腰段骨质疏松有限元模型。并将脊柱胸腰段骨质疏松有限元模型中的T11、L1椎体前缘高度降低35%制作脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型来模拟T11、L1三明治骨折。在有限元模型T10椎体的上表面施加均匀分布的垂直向下力,共400N,模拟人体直立时的载荷,然后施加10Nm的力矩,分别模拟人体前屈、后伸、侧弯和右旋转时的载荷。记录并比较各个模型载荷下的变形和应力分布。[结果]建立了脊柱胸腰段骨质疏松有限元模型和脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型并对模型的有效性进行验证。脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型显示T11、L1骨折后:有限元模型在前屈、侧弯和右旋载荷下,夹心椎(T12)最大应力均明显增加,其中前屈载荷下夹心椎最大应力增加52.89%,并且应力向夹心椎终板集中;而T12/L1椎间盘在中立、前屈载荷下最大应力明显增加。[结论]1、应用螺旋CT扫描的数据和Mimics、ANSYS等软件可以建立脊柱胸腰段骨质疏松有限元模型和脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型,通过验证,上述模型可以用于有限元研究。2、当脊柱发生骨质疏松性三明治骨折后,夹心椎的最大应力明显升高,应力向夹心椎终板集中,夹心椎再骨折风险增大。第二部分PVP和PKP治疗脊柱三明治骨折的有限元生物力学评估[目的]评估经皮椎体成形术(Percutaneous Vertebroplasty,PVP)和后凸成形术(Percutaneous Kyphoplasty,PKP)治疗脊柱三明治骨折的有限元生物力学情况。[方法]在脊柱胸腰段骨质疏松性三明治骨折有限元模型的基础上,建立PVP治疗脊柱三明治骨折有限元模型及PKP治疗脊柱三明治骨折有限元模型,模拟PVP和PKP治疗脊柱三明治骨折。对模型施加各种载荷,记录并比较各个模型载荷下的变形和应力分布。[结果]建立了PVP治疗脊柱三明治骨折有限元模型及PKP治疗脊柱三明治骨折有限元模型。模型显示,T11、L1三明治骨折后,PKP术后与术前相比各种载荷下模型整体最大变形和夹心椎最大应力显著减小,脊柱胸腰段刚度显著增加;尤其是在前屈载荷下,夹心椎最大应力减少36.62%,并且夹心椎前柱的应力显著减小;PKP术后夹心椎邻近下位椎间盘(T12/L1椎间盘)各种载荷下最大应力显著减小,尤其是在直立、前屈、后伸、侧弯载荷下,最大应力减小十分显著。而PVP术后与术前相比,夹心椎各种载荷下最大变形和应力无明显变化,脊柱胸腰段刚度无明显改变,并且夹心椎前柱的应力集中无显著改变,夹心椎邻近下位椎间盘(T12/L1椎间盘)各种载荷下的最大应力部分增加。[结论]与三明治骨折保守治疗相比1.PKP可以显著增加脊柱胸腰段刚度,PVP对于脊柱胸腰段刚度无明显改变。2.PKP可以减小夹心椎的最大应力和减少夹心椎前柱的应力集中;而PVP对于夹心椎的最大应力及夹心椎前柱的应力集中无明显改变。3.PKP可以减小夹心椎邻近下位椎间盘的最大应力,而PVP可以增加夹心椎邻近下位椎间盘的最大应力。第三部分PKP治疗脊柱三明治骨折术中骨水泥弥散、渗漏及预防性强化的有限元生物力学评估[目的]探讨PKP术中出现骨水泥弥散、渗漏及骨水泥渗漏后夹心椎预防性强化对夹心椎的有限元生物力学影响。[方法]在PKP治疗脊柱三明治骨折有限元模型的基础上,通过有限元模拟PKP术中骨水泥弥散、渗漏及骨水泥渗漏后将夹心椎预防性骨水泥强化的三种情况,分别建立骨水泥弥散模型、骨水泥渗漏模型和夹心椎预防性强化模型。对模型施加各种载荷,记录并比较各个模型载荷下的变形和应力分布。[结果]建立骨水泥弥散模型、骨水泥渗漏模型和夹心椎预防性强化模型。模型显示,与PKP治疗脊柱三明治骨折模型相比:骨水泥弥散后脊柱胸腰段刚度减小,骨水泥弥散对夹心椎及邻近椎间盘应力无明显改变;骨水泥渗漏后,模型整体载荷下的变形显著减少,脊柱胸腰段刚度增加,应力向夹心椎终板及骨折邻近椎间盘集中,夹心椎前屈载荷下最大应力由弥散模型的16.69 Mpa增加到19.75 Mpa,骨水泥渗漏后骨折邻近椎间盘(T10/11、T11/12、T12/L1及L1/2椎间盘)前屈载荷下最大应力较骨水泥弥散状态明显增加,分别由4.17、1.74、2.46、1.59 Mpa增加到111.83、95.71、61.18、49.62Mpa;而夹心椎预防性强化后脊柱胸腰段刚度减小,骨折邻近椎间盘载荷下最大应力显著降低,分别回落到8.21、11.68、6.80、9.11 Mpa,夹心椎前屈载荷下的最大应力进一步上升到35.47Mpa,但应力分布向夹心椎后方关节突转移和集中,夹心椎终板应力显著下降。[结论]脊柱骨质疏松性三明治骨折,采用PKP治疗术中1.骨水泥弥散有助于脊柱胸腰段刚度的减小,对夹心椎及邻近椎间盘应力影响较小。2.骨水泥渗漏会造成脊柱胸腰段刚度的增加,应力向夹心椎终板及骨折邻近椎间盘集中,增加夹心椎再骨折及骨折邻近椎间盘退变的风险。3.夹心椎预防性强化后脊柱胸腰段刚度减小,骨折邻近椎间盘的应力显著减小,有助于延缓椎间盘退变。4.夹心椎预防性强化后应力分布向夹心椎后方关节突转移集中,夹心椎终板应力显著下降,夹心椎再骨折风险降低。第四部分PVP和PKP治疗脊柱骨质疏松性三明治骨折的临床研究[目的]比较PVP和PKP治疗脊柱骨质疏松性三明治骨折的临床疗效并探讨PVP和PKP术后夹心椎再骨折的相关影响因素。PKP和PVP统称为椎体强化术。[方法]收集2004年1月到2015年12月在我院接受椎体强化术治疗的脊柱骨质疏松性三明治骨折患者资料,共90例。(1)参照手术方式患者分为两组:PKP组,共68例;PVP组,共22例。比较两组患者术前术后的VAS评分(the visual analogue scores,VAS)、ODI评分(Oswestry Disability Index,ODI)、三明治骨折节段后凸角。(2)以PKP、PVP术后随访过程中夹心椎是否发生骨折作为二分类因变量,将90例患者分为夹心椎骨折组(n=15)和夹心椎未骨折组(n=75),选取性别、年龄、身高、体重、骨密度、累计骨水泥强化椎体数、夹心椎是否位于胸腰段、三明治骨折节段术前后凸角、手术方式、骨水泥注射入路(单或双侧)、骨水泥注射体积、夹心椎间隙骨水泥渗漏、三明治骨折节段术后后凸角、随访时间等作为自变量,先后采用卡方检验和多因素Logistic回归分析。[结果]90例脊柱骨质疏松性三明治骨折患者总共包含97个夹心椎,初次强化总共226个骨折椎接受PKP或PVP治疗,所有患者术后平均随访18个月。(1)PKP组68例患者包括73个夹心椎172个骨折椎、PVP组包括22例患者24个夹心椎54个骨折椎接受治疗。术后1天和历次随访中,PKP组和PVP组VAS评分、ODI评分均较术前显著改善(p<0.05),两组间除术后三明治骨折节段后凸角(p<0.05)外,VAS评分、ODI评分、骨水泥渗漏差异无统计学意义(p>0.05)。随访中共有15个夹心椎发生骨折。两组患者术后再骨折椎总数(p=0.044)和再骨折夹心椎数目(p=0.049)差异具有统计学意义。其中PKP组的术后椎体再骨折率(17.6%)和夹心椎再骨折率(10.96%)均低于文献报道三明治骨折保守治疗的椎体再骨折率(22%)和夹心椎再骨折率(12.5%)。(2)卡方检验显示性别、年龄、身高、体重、累计骨水泥强化椎体数、夹心椎是否位于胸腰段、三明治骨折节段术前后凸角、骨水泥注射入路(单或双侧)、骨水泥注射体积、随访时间、夹心椎间隙骨水泥渗漏等因素在夹心椎椎骨折组(n=15)与非骨折组(n=75)间差异无统计学无意义(P>0.05);骨密度、手术方式、三明治骨折节段术后后凸角在夹心椎椎骨折组与非骨折组间差异有统计学意义(P<0.05)。进一步Logistic回归分析显示骨密度(BMD≤-3.5SD)与三明治骨折节段术后后凸角≥10°是术后夹心椎骨折发生的危险因素(P<0.05)。[结论]1.PKP和PVP都是治疗脊柱骨质疏松性三明治骨折的安全有效方法。2.PKP比PVP有着更强的后凸畸形矫正能力、术后夹心椎再骨折发生率较低。3.低骨密度(BMD≤-3.5SD)、椎体强化术后三明治骨折节段后凸角≥10°是术后夹心椎发生再骨折的危险因素。4.脊柱骨质疏松性三明治骨折采用PKP治疗后的总椎体再骨折率和夹心椎再骨折率均低于文献报道三明治骨折采用保守治疗后的椎体再骨折率。5.脊柱骨质疏松性三明治骨折采用PVP治疗后的总椎体再骨折率接近文献报道三明治骨折采用保守治疗后的总椎体再骨折率,而夹心椎再骨折率高于文献报道三明治骨折采用保守治疗后的夹心椎再骨折率。