定量骨水泥在椎體中的不同分布對(duì)改善骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的影響：有限元分析

陳柏齡，林 燾，謝登輝，張美超，崔昊文

椎體強(qiáng)化技術(shù)以經(jīng)皮椎體成形術(shù)（percutaneous vertebroplasty，PVP）和經(jīng)皮后凸成形術(shù)（percutaneous kyphoplasty，PKP）為代表，是當(dāng)前治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折最常用的脊柱微創(chuàng)手術(shù)。該技術(shù)通過向壓縮骨折椎體內(nèi)注入一定量的骨水泥，起到迅速止痛、有效改善骨折椎體生物力學(xué)性能的作用，PKP在一定程度上還可恢復(fù)塌陷椎體高度，改善脊柱后凸畸形[1-3]。關(guān)于骨水泥注射量，普遍認(rèn)為其填充量占椎體體積的10%～15%較為理想[4-8]，可有效恢復(fù)椎體的剛度。但當(dāng)骨水泥定量時(shí)，其在椎體中如何分布才能使椎體獲得最佳的力學(xué)性能，目前尚無定論。本實(shí)驗(yàn)擬建立L1椎體的骨質(zhì)疏松有限元模型，并模擬椎體強(qiáng)化技術(shù)，探討定量骨水泥在椎體內(nèi)的不同分布對(duì)改善骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的影響，旨在為提高椎體強(qiáng)化技術(shù)的臨床效果提供一定的實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 單節(jié)椎體有限元模型的建立

選取成年女性脊柱標(biāo)本1具（南方醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室提供），既往無腰椎疾病相關(guān)病史，行X線片檢查以排除可見的脊椎病變及損害。采用64排螺旋CT機(jī)（Somatom Plu-64層，德國(guó)西門子公司），對(duì)腰1（L1）椎體以0.5 mm為間隔，沿軸向進(jìn)行連續(xù)斷層掃描。數(shù)據(jù)以DICOM格式保存，導(dǎo)入MIMICS 10.0中，對(duì)L1椎體進(jìn)行區(qū)域劃分、空洞填充、區(qū)域增長(zhǎng)等操作，模擬建立該椎體的正常骨性結(jié)構(gòu)三維模型，以STL格式儲(chǔ)存?zhèn)溆?。將L1椎體STL格式文件分別導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio 11中，通過松弛、光滑等處理獲得較好的三維模型，再通過STL文件導(dǎo)回MIMICS 10.0中，使用Remesh工具對(duì)模型的三角面片進(jìn)行加工處理，獲得較好的面網(wǎng)格模型，以LIS格式文件導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，使用FVMESH的方法進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，根據(jù)CT灰度值分布賦予材料屬性。

1.2 骨質(zhì)疏松性椎體模型的建立

由于臨床上椎體壓縮性骨折常見于骨質(zhì)疏松癥患者，故本研究的椎體材料性質(zhì)參照Polikeit等[9]和Zhang等[10]的研究做如下改變：骨性結(jié)構(gòu)的彈性模量均減少，其中松質(zhì)骨減少至正常的66%，皮質(zhì)骨、終板和后部結(jié)構(gòu)減少至正常的33%，其他結(jié)構(gòu)保持不變（表1）。

1.3 骨水泥填充模型

利用有限元軟件模擬椎體強(qiáng)化手術(shù)，改變部分松質(zhì)骨單元的材料性質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥的材料性質(zhì)（骨水泥彈性模量為3000 MPa，泊松比為0.41[9]）。根據(jù)我們的前期研究[5-6]，以椎體體積的10%為骨水泥注射量（約4.5 mL），而雙側(cè)強(qiáng)化時(shí)則在椎體兩側(cè)分別注射椎體體積10%的骨水泥（總體積約為9 mL）。

將一側(cè)椎體平均劃分為4等份（圖1），根據(jù)骨水泥量及分布分為5組（圖2）。其中A～D組骨水泥體積固定不變（約4.5 mL），骨水泥局限于椎體一側(cè)為A組（uni-pedicular augmentation，UA），骨水泥集中于椎體中央、對(duì)稱分布于椎體雙側(cè)的1/4為B組（middle augmentation 1/4，MA 1/4），骨水泥位于椎體中間、對(duì)稱彌散分布于椎體雙側(cè)的1/2為C組（middle augmentation 1/2，MA 1/2），骨水泥位于椎體中間、對(duì)稱彌散分布于椎體雙側(cè)的3/4為D組（middle augmentation 3/4，MA 3/4）；雙側(cè)骨水泥強(qiáng)化、骨水泥分別位于椎體兩側(cè)為E組（bi-pedicular augmentation，BA），總體積約為9 mL。

1.4 生物力學(xué)測(cè)試有限元分析

以對(duì)椎體上表面軸向壓縮時(shí)測(cè)出的剛度值為椎體的整體剛度。L1椎體有限元分析模型軸向壓縮測(cè)試分別在骨質(zhì)疏松性椎體模型建立后（骨水泥強(qiáng)化前）和骨水泥強(qiáng)化后2個(gè)時(shí)相完成。加載條件為1000 N，剛度值為椎體出現(xiàn)破壞形變之前的力-位移曲線的斜率[11]。記錄骨水泥強(qiáng)化前后L1椎體的整體剛度。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。各組椎體剛度的比較使用單因素方差分析，如果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，則采用LSD-t檢驗(yàn)進(jìn)行組間兩兩比較。強(qiáng)化前后比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

A～E組椎體骨水泥強(qiáng)化術(shù)后的骨水泥分布見圖2，各組椎體骨水泥強(qiáng)化前后的整體剛度值見表2。各組椎體骨水泥強(qiáng)化前整體剛度值比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，圖3A）。各組椎體骨水泥強(qiáng)化后的整體剛度均顯著高于骨水泥強(qiáng)化前（P＜0.05）。骨水泥強(qiáng)化后，各組椎體整體剛度的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，圖3B）。其中，E組（雙側(cè)骨水泥強(qiáng)化）椎體整體剛度顯著高于A、C和D組（P＜0.05），B組與E組的整體剛度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。B組椎體整體剛度值分別比A、C和D組高出33.9%，27.2%和34.1%（P＜0.05），而A、C和D組之間整體剛度值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，圖3B）。

表1 L1骨質(zhì)疏松性模型的材料特性

圖1 椎體劃分示意圖

圖2 L1骨質(zhì)疏松性椎體骨水泥強(qiáng)化示意圖

3 討論

3.1 骨水泥填充量對(duì)改善椎體生物力學(xué)的影響

本實(shí)驗(yàn)中我們選擇以椎體剛度值作為評(píng)價(jià)椎體的生物力學(xué)指標(biāo)，原因是剛度能反映軸向載荷下的抵抗變形能力，是椎體生物力學(xué)性能的重要指標(biāo)[12-13]。

關(guān)于骨水泥的注射量，有學(xué)者認(rèn)為，過大劑量的骨水泥填充易造成椎體剛度和彈性模量過大，使得鄰近椎體骨折發(fā)生率升高[4]；同時(shí)，灌注量過多亦增加了骨水泥滲漏的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重者將引發(fā)災(zāi)難性并發(fā)癥。但如果骨水泥填充量不足，也無法達(dá)到改善椎體力學(xué)性能的目的，因此適量的骨水泥填充是最佳選擇。

表2 各組椎體骨水泥強(qiáng)化前后的整體剛度值比較（N/mm，±s）

表2 各組椎體骨水泥強(qiáng)化前后的整體剛度值比較（N/mm，±s）

組別A組B組C組D組E組F值P值骨水泥強(qiáng)化前534±55523±41529±47532±55537±430.0410.990骨水泥強(qiáng)化后709±22949±57746±34707±23950±5926.9380.001 t值－5.081－10.530－6.491－5.054－9.827 P值0.0070.0010.0030.0070.001

圖3 骨水泥強(qiáng)化前后各組間椎體整體剛度比較

Liebschner等[4]建立了椎體有限元模型，指出骨水泥填充量＜椎體體積的15%即可將椎體剛度恢復(fù)至傷前水平；我們的前期研究結(jié)果亦表明，骨水泥填充量在椎體體積的10%～20%范圍內(nèi)，患者椎體剛度均可顯著恢復(fù)[6]；Molly等[11]通過力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，要恢復(fù)傷椎的剛度，胸椎僅需要2 mL，胸腰椎、腰椎則分別需要4、8 mL骨水泥。綜合國(guó)內(nèi)外諸多研究，頗為統(tǒng)一的觀點(diǎn)是骨水泥填充量占椎體體積的10%～15%時(shí)椎體剛度恢復(fù)較為理想[4-7]。

3.2 骨水泥分布對(duì)改善椎體生物力學(xué)的影響

近10余年來，隨著椎體強(qiáng)化技術(shù)的廣泛開展，骨水泥分布對(duì)椎體生物力學(xué)影響的相關(guān)研究受到學(xué)者們的關(guān)注。Liebschner等[4]的體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，椎體內(nèi)雙側(cè)對(duì)稱的骨水泥分布較局限在單側(cè)的骨水泥分布能獲得更好的剛度恢復(fù)；Chevalier等[14]應(yīng)用有限元分析研究PVP術(shù)后骨水泥分布對(duì)椎體力學(xué)的影響，結(jié)果提示，若骨水泥均勻分布于整個(gè)椎體上下終板之間，其剛度和強(qiáng)度可分別增加8倍和11倍，若骨水泥的分布只靠近椎體的一側(cè)終板，其剛度僅增加1～2倍，強(qiáng)度則幾乎不增加；Steens等[15]的研究亦證實(shí)骨水泥填充于上下終板之間更有利于椎體剛度的恢復(fù)。而至于單側(cè)和雙側(cè)填充，Tohmeh等[16]的體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單側(cè)骨水泥填充在重建傷椎剛度和強(qiáng)度方面與雙側(cè)填充并無顯著的差異。筆者的前期研究結(jié)果顯示，當(dāng)單側(cè)PKP骨水泥填充越過中線時(shí)，椎體力學(xué)性能將得到平衡強(qiáng)化，可降低術(shù)后椎體力學(xué)偏轉(zhuǎn)和非穿刺側(cè)再發(fā)楔形骨折的風(fēng)險(xiǎn)[5-7]?？梢?，骨水泥在椎體中的不同位置和分布對(duì)椎體生物力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。

3.3 定量骨水泥在椎體中的不同分布對(duì)改善骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的影響

如前所述，椎體生物力學(xué)性能受骨水泥填充量及其在椎體中的分布的影響，但當(dāng)骨水泥的注射量固定時(shí)，其在椎體中的不同分布與骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的改善程度有何關(guān)系，目前尚未清楚，也未見相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。本研究通過探討定量骨水泥在椎體內(nèi)的不同分布對(duì)改善骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的影響，試圖尋求骨水泥注射量一定時(shí)骨水泥注射和分布的最佳位置，以提高椎體強(qiáng)化術(shù)的治療效果。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：B組（骨水泥集中于椎體中央）增加的整體剛度值與E組（雙側(cè)椎體骨水泥填充，骨水泥量為其他組的2倍）無明顯差異，顯著高于A組（骨水泥局限于一側(cè)）、C組（骨水泥位于椎體中間、對(duì)稱彌散分布于椎體雙側(cè)的1/2）和D組（骨水泥位于椎體中間、對(duì)稱彌散分布于椎體雙側(cè)的3/4）。也就是說，當(dāng)骨水泥的注射量固定時(shí)，其集中分布于椎體中央更有利于提高骨質(zhì)疏松椎體的整體剛度，推測(cè)原因可能與脊柱的重力線通過椎體的中央相關(guān)[14]。

與Chevalier等[14]和Steens等[15]的研究相比，本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于我們關(guān)注了骨水泥的定量情況，需知在臨床椎體強(qiáng)化手術(shù)中預(yù)設(shè)一定的骨水泥注射量是普遍現(xiàn)象，因此本研究具有臨床實(shí)際意義。

但本研究為有限元分析，其中對(duì)骨水泥在椎體內(nèi)形狀及分布的研究存在一定的主觀因素；實(shí)際臨床中骨水泥在椎體中的位置分布與本實(shí)驗(yàn)的模擬模型也存在一定差異。因此，研究定量骨水泥在椎體中的不同分布對(duì)改善骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的影響，尚需未來在更高質(zhì)量的體外實(shí)驗(yàn)或臨床試驗(yàn)中作進(jìn)一步的深入探索。

綜上所述，當(dāng)骨水泥定量時(shí)，集中于椎體中央的骨水泥分布，比局限于單側(cè)椎體或均衡彌散于兩側(cè)的骨水泥分布對(duì)骨質(zhì)疏松椎體整體剛度的改善程度更強(qiáng)。此研究結(jié)果可為臨床中行椎體強(qiáng)化技術(shù)時(shí)提供一定的參考。

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