经实验验证的脊柱轴向压缩数学模型以可视化椎体压缩性骨折

摘要

本文提供了一种用于支持外科干预的椎体压缩性骨折（VCFs）预测模型。通过人类和猪尸体椎骨在压缩载荷下的生物力学骨折模式，验证了有限元分析（FEA）模型，为更直观地显示椎体骨折提供了资源，并支持在脊柱研究中使用猪样本。

摘要

本研究建立的有限元分析（FEA）模型可预测椎体在纯压缩载荷下的力学行为。研究采用四具人类尸体和四具猪尸体的脊柱标本，分别取自胸椎T9-T12（人类）和T12-T14（猪）区域，以获取在纯轴向压缩条件下的生物力学失效数据。通过整合这些轴向压溃实验的数据，并结合基于计算机断层扫描（CT）生成的椎骨三维（3D）重建模型，该新模型能够从数学上预测脊柱在椎体压缩性骨折（VCFs）中的行为。建立精确的数学模型有望在椎体成形术、后凸成形术以及可能的其他技术中，通过准确表征生物力学行为来辅助手术干预。该模型可针对骨质疏松、脊柱融合及植入物生物力学等情况进行调整，以提高手术精度。理解椎体骨折模式对于术前规划以及评估既往和未来风险至关重要。所提出的方法可作为研究和治疗椎体压缩性骨折的补充工具，并进一步支持在脊柱研究中使用猪标本。

引言

椎体压缩性骨折（VCFs）是指椎体前部在轴向压缩载荷作用下发生的生物力学失效^1,2。美国每年有100万至150万患者发生椎体压缩性骨折，主要危险因素包括骨质疏松、高龄和女性性别^3,4,5。VCF患者可能出现疼痛、功能障碍、肺部或呼吸功能改变、继发性椎体骨折以及死亡风险增加^6,7。临床首选的治疗方法包括物理治疗、康复训练和疼痛管理¹。用于治疗VCF的外科干预措施包括椎体成形术和椎体后凸成形术、Osseo-Fix脊柱骨折复位系统、内固定支撑以及前路和后路减压与稳定术^2,8,9。VCF的临床诊断可采用磁共振成像（MRI）、CT、正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）¹⁰；然而，对椎体骨折进行额外的可视化和模拟可克....

方案

所有实验均按照伊利诺伊大学医学院相关的人类研究伦理和动物护理指南进行。

1. 样品制备

注意：由于大多数楔形压缩性骨折发生在胸椎中段区域，因此椎体骨折（VCFs）在胸腰段已有广泛描述¹⁹。基于此原因，本实验采用人类的胸椎T9-T12以及猪的T12-14椎骨（表1）。

1. 获取四具人类尸体脊柱。
2. 获取四具市售的猪尸体脊柱。
3. 分别确定人类脊柱的 T9-12 节段和猪脊柱的 T12-14 节段。确保共包含十六块人类椎骨和十二块猪椎骨。
4. 使用圆头骨锯和解剖刀，解剖已确定的椎骨，并去除软组织、肌肉韧带和椎间盘。
5. 按照 表 2 中列出的参数，对每块脊椎椎骨进行 CT 扫描。
6. 使用解剖工具，沿椎弓根与椎体之间的弧度切除椎骨的后部结构（棘突、横突、关节突关节、椎板和椎弓根），仅保留椎体部分（补充图 1）。
7. 修平每块椎体的上下表面，以确保压缩时接触面为平面。使用标准解剖刀和镊子清除椎体上下表面残留的软组织碎屑和其余组织。
8. 分别从人类和猪标本椎骨的上下关节突获取 15 块和 12 块皮质骨芯。使用摆动式....

结果

从12个猪椎骨中获得的所有样本的载荷-位移曲线如图所示 图1，所有实验数据曲线均呈现出相似的模式。结果显示，椎体的平均刚度和强度分别为9.54 ±1.1 kN/mm（范围为6.73–13.63 kN/mm）和10.2 ± 0.86 kN（范围为8.1–13 kN）。对实验压缩测试的视频分析表明，各标本具有共通的失效模式。该失效模式包含三条骨折线：前两条骨折线出现在椎体后外侧表面，裂纹从上终板垂直向下终板方向扩展；第三条骨折线为横行中线劈裂，通常发生于椎体上部。其结果导致椎体前表面出现剥离现象。斜向扩展的骨折线在前壁形成三角形裂纹，从而产生预期的前楔形骨折。骨折使前部皮质壳与上、下表面分离。此骨折模式的示意图如 补充图8.

从16个成人椎体中获得的压缩实验数据生成了载荷-位移曲线，如图2所示，大多数椎体表现出相似的力学模式。其中，脊柱样本#3为异常值，表现出更明显的骨质疏松、脆弱和平坦特征，在刚度.......

讨论

尽管基于CT的有限元分析（FEA）是模拟生物力学行为的成熟工具，但在椎体压缩性骨折（VCF）研究中，将数学建模与物理验证相结合的研究仍较少。本研究展示了一种准确预测胸腰段VCF的数学模型，并通过猪和人尸体脊柱的实验性压缩测试加以验证。该模型综合了强度、刚度、骨折模式、载荷力学及材料特性，以数学方式预测椎体对轴向载荷的响应。猪脊柱与人脊柱在形态学上的相似性已有充分文献支持，这为使用猪标本作为比较模型提供了依据^24,25,26,27。利用猪脊柱可为FEA模型提供数据支持，并为未来两种模型间的比较研究奠定基础。已有研究表明，猪脊柱在椎体高度、椎弓根、椎管及横突的尺寸方面与人类具有相似性²⁴。然而，由于猪的负重方式、四足行走状态及其解剖结构的差异，其类比性仍受到一定质疑^25,.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3-MATIC	Materialise	v15.0
Abaqus/CAE	Simulia	n/a
分析天平	Sigma Aldrich	OH30122634
尸体猪脊柱			本地肉铺，伊利诺伊州芝加哥市
CT 扫描仪	西门子	SOMATOM Definition AS
Epredia Shandon 圆头骨锯，刀片：8 英寸 × 2.5 英寸（20.3 厘米 × 6.4 厘米），标准型，11.5 英寸（29.2 厘米）	费舍尔科学公司	40018
Fisherbrand 精细精密中头镊子/钳子	费舍尔科学公司	12-000-157
Integra Miltex 无菌标准手术刀	费舍尔科学公司	12-460-451
激光切割机/3D 打印机	Fusion3	F400HFR
Mimics 软件	Materialise	v2.0
NDI Optotrak Certus	NextGen Ergonomics	Certus 产品
骨科骨锯	OrthopedicDrills	OTS-1
SPSS Statistics	IBM	v27
带防水防潮屏障的吸水垫，58.4 × 61 厘米，410 毫升，蓝色，200 片/箱	VWR INTERNATIONAL INC	56616-032