90%的脊柱损伤发生在胸腰椎交界区[1]，尤以T11～L2椎体骨折最为常见[2]。胸腰椎骨折常导致椎体高度丢失，椎体后上方骨折块突入椎管内，造成椎管狭窄，压迫脊髓、马尾或神经根，患者出现神经损害等症状[3]。因此，复位骨折块，解除脊髓、圆锥和神经的压迫，是临床首要解决的问题。对于合并有椎管内占位的胸腰椎骨折，通常采用保守牵伸或后路内固定撑开椎体，通过牵伸完整的后纵韧带，利用后纵韧带的回缩力间接复位椎管内占位骨折块，达到椎管减压的目的[4-5]。本研究通过建立有效胸腰椎三维有限元模型，模拟骨折块在不同椎管内占位比率下，比较牵伸与非牵伸椎体组后纵韧带的回缩力，探讨骨折块在间接复位过程中的机制。
1 材料与方法
1.1 实验设备
使用同济大学附属同济医院影像科64排螺旋CT(德国西门子公司第三代双源CT，SOMATOM Force)，Mimics 10.01软件进行医学图像处理(比利时Materialise公司)，Abaqus 6.13软件(美国SIMULIA公司)进行有限元分析。
1.2 方法
1.2.1 建立T12～L2节段三维有限元模型 选取1名健康成年男性(27岁，体质量65kg，身高175cm)，排除腰椎骨折、肿瘤等脊柱疾病。通过64排螺旋CT平扫，获取志愿者T12～L2节段的二维CT图像，并保存为DICOM格式；将数据导入三维建模软件Mimics建立胸腰椎三维几何模型；随即导入Abaqus软件中进行网格划分，并赋予材料属性值，建立正常T12～L2有限元模型。
1.2.2 设置材料属性 该模型包括： 皮质、松质等结构： 皮质骨为1mm厚的六面体网格，松质骨为四面体网格；终板厚度为0.5mm，髓核区域和纤维环区域分别约为椎间盘横截面积的40%和60%[6]；根据解剖结构添加相关韧带，包括前纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、囊韧带、横突间韧带、后纵韧带；皮质骨和松质骨为各向同性材料属性，髓核为不可压缩的流体材料属性，具体材料属性见表1[7]。
表1 材料属性
Tab.1 Material properties
材料材料属性椎体松质骨E=200/140MPa, υ=0.45/0.315椎体皮质骨E=10000MPa, υ=0.30后部骨结构E=3500MPa, υ=0.25髓核不可压缩纤维环超弹性,新胡克型C10=0.3448, D1=0.3韧带非线性小关节软骨软接触
E： 弹性模量；υ： 泊松比；C10： 剪刀系数；D1： 体积系数
1.2.3 模型验证 在T12椎体上表面，建立刚体平面，分别在X、Y、Z坐标轴上施加7.5N·m的扭矩。同时，固定L2椎体下表面所有节点，验证模型在屈曲、伸展、侧弯以及轴向旋转的自由度。
1.2.4 确定骨折块几何形状并建立L1骨折块有限元模型 根据已知文献，确定了骨折块的宽度为椎体宽度的1/3[8-9];骨折块的高度为椎体高度的1/2;骨折块的长度为两侧椎弓根基部[10]。切割出骨折块几何形状，并按照以上步骤，建立L1骨折块有限元模型，赋值L1骨折块材料属性(同1.2.2)，如图1所示。
1.2.5 后纵韧带的走行及赋值材料属性 将L1骨折块有限元模型导入验证好的T12～L2模型中，删去正常模型中的后纵韧带，利用Abaqus软件，建立上、中、下3段线几何模拟后纵韧带，分别如下。上段： 起自T12椎体后缘中部到骨折块上缘；中段： 骨折块上缘到下缘；下段： 骨折块下缘到L2椎体的上缘；如图2所示。
图1 L1骨折块有限元模型的建立
Fig.1 Establishment of finite element model of L1 fracture block
图2 线几何的建立
Fig.2 Wire geometric creation
根据文献资料，获得后纵韧带材料属性[11]，并赋值到线几何中，如图3所示。
图3 后纵韧带材料属性(单位： N/mm)
Fig.3 Posterior longitudinal ligament material properties
1.2.6 分析 固定L2椎体下表面所有节点以及骨折块在X、Z方向自由度，分别在SCDOR为50%、40%、30%、20%、10%时(经测量，L1模型的椎管内矢状直径为18mm，故骨折块椎管内位移分别为9、7.2、5.4、3.6、1.8mm)，将模型分为牵伸T12椎体2mm组和非牵伸组，比较两组后纵韧带的回缩力(F)。
2 结 果
2.1 正常T12～L2有限元模型的建立
本模型包含皮质骨、松质骨、后纵韧带、前纵韧带、小关节、纤维环、髓核、黄韧带、棘间韧带、关节囊韧带、棘上韧带等结构。模型共有209026个单元，61738个节点，如图4所示。
图4 T12～L2节段有限元模型
Fig.4 T12～L2 segment finite element model
2.2 模型的有效性验证
该T12～L2节段的活动范围(range of motion, ROM)： T12～L1屈曲(2.42°)，L1～L2屈曲(2.39°)；T12～L1背伸(2.31°)，L1～L2背伸(2.48°)；T12～ L1侧弯(2.55°)，L1～L2侧弯(2.60°)；T12～L1轴向旋转(1.38°)，L1～L2轴向旋转(1.39°)。模型的关节活动度与文献[12]相似，如图5所示。
图5 模型与文献ROM对比
Fig.5 Model and literature ROM comparison
A: 前屈ROM；B: 后伸ROM；C: 侧弯ROM；D: 旋转ROM
2.3 牵伸组与非牵伸组比较
T12椎体在非牵伸状态下，当SCDOR为50%时，后纵韧带产生向前的回缩力(F)为95.29N；当SCDOR为40%时，F为84.99 N；当SCDOR为30%，F为40.62 N；SCDOR为20%，F为12.68 N；SCDOR为10%，F为2.56N；T12椎体在牵伸2mm状态下，当SCDOR为50%时，后纵韧带产生向前的F为92.14 N；当SCDOR为40%时，F为82.33 N；当SCDOR为30%，F为67.86 N；SCDOR为20%，F为46.36 N；SCDOR为10%，F值为17.48 N。见图6。
图6 牵伸与非牵伸状态下不同SCDOR回缩力比较
Fig.6 Comparison of different SCDOR retractive forces in stretched and unstretched states
3 讨 论
根据脊柱三柱理论[8]，占椎体后1/3部分的中柱受到破坏是导致椎体后上缘骨折块产生的主要原因；Zhang等[9]通过对胸腰椎骨折患者以及标本实验的影像学测量发现，骨折块前缘起点通常为椎体宽度的1/3。因此，确定了骨折块的宽度为椎体前后径的1/3。有研究发现，位于腰椎椎体后中部的椎基静脉孔富含脂肪和血管等组织，导致应力承载能力降低，当腰椎压力增加时，椎基静脉孔周围皮质易出现应力集中，导致骨折发生[9，13-14]，从而确定了骨折块的高度约为椎体高度的1/2。有研究表明，由于骨小梁源于椎弓根并向椎体径向延伸分布，皮质在椎弓根基部突然变薄，应力在此处易出现集中，是造成侧缘骨折线发生的主要部位[10]。因此，明确了骨折块的长度为左右椎弓根基部内侧缘。综合以上数据，本研究确定了L1骨折块几何形状，即骨折块的宽度为椎体宽度的1/3，骨折块的高度为椎体高度的1/2，骨折块的长度为两侧椎弓根基部。
后纵韧带在维持脊柱椎体稳定和间接复位骨折块上具有十分重要的作用。国外有学者通过研究发现，后纵韧带对于脊柱的应力刺激具有良好的牵伸作用，这为后缘骨折块的复位提供良好的生物力学基础[15]。国内有部分学者对胸腰椎骨折块椎管内占位患者行间接减压复位治疗，获得了满意的临床效果，证实了后纵韧带对骨折块的复位作用，同时认为，保持后纵韧带的连续性是进行间接复位的重要前提[16-17]。因此，确定后纵韧带的完整与否，是选择进行间接复位骨折块的先决条件。Chen等[18]将胸腰椎骨折患者分为后纵韧带完整组和后纵韧带损伤组，通过两组对比发现，后纵韧带完整组在椎体前后压缩率和椎管矢状径压缩率方面具有明显区别，当椎管矢状径压缩比达到52%以上及骨折块翻转角达到33°时，表明后纵韧带已被破坏。Wang等[19]通过临床回顾性研究发现，当骨折块在椎管内位移超过8.5mm，翻转角超过55°时，后纵韧带可能发生了损坏。基于以上，为保证后纵韧带完整性，本次研究设置了最大骨折块椎管内占位比为50%(约9mm)。
本次研究结果发现，当SCDOR在50%、40%时，牵伸组与非牵伸组相比较，后纵韧带的回缩力差异较小，分别为92.14、95.29、82.33、84.99N。这可能说明，SCDOR超过40%时，单纯牵伸椎体对增加后纵韧带回缩力的作用有限，此时，韧带的回缩力足以复位骨折块。在临床中，胸腰椎骨折常伴有伤椎椎体高度丢失，相邻上椎体向下移位，减少了伤椎的纵向空间，从而阻碍了骨折块的自发复位。通过保守牵伸或后路椎弓根置钉进行纵向撑开伤椎，达到了为骨折块复位提供了纵向空间的作用，纵向阻力减少或消失后，骨折块开始复位。当SCDOR为30%时，牵伸组与非牵伸组，后纵韧带的回缩力分别为67.86N和40.62N，同等情况下，差异明显。这主要由于骨折块在复位过程中，后纵韧带发生的形变值持续减少，产生的回缩力也相应不断降低，此时，拉伸椎体可牵伸松弛的后纵韧带达到增加回缩力的作用，有利于骨折块的复位。当SCDOR在20%以下时，两组韧带回缩力都显著降低。有学者通过间接复位治疗椎管内占位骨折块，发现SCDOR在20%左右时，复位基本停止[20]。这可能和胸腰椎骨折损伤机制有关[21]，轴向伴过伸载荷冲击力作用于关节突关节，在通过椎弓根传递过程中，形成内收、外展的剪切力，将骨折块挤压入椎管引起椎管占位。由于受到伤椎的挤压，致骨折块在复位过程中横向阻力逐渐增大，此时，韧带的回缩力难以克服横向阻力，骨折块停止复位。
本次有限元分析结果显示，在胸腰椎骨折块间接复位过程中，牵伸椎体可能减少了骨折块所受到的阻力以及增加后纵韧带回缩力的作用，从而有利于骨折块的复位。
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