經(jīng)皮彎角椎體成形術(shù)后骨水泥分布特征的三維定量研究

任亦龍，曾至立，謝寧，麻彬，朱睿，程黎明，

1.同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院脊柱外科，上海200065

2.同濟大學(xué)脊柱脊髓損傷再生修復(fù)教育部重點實驗室，上海200065

經(jīng)皮椎體成形術(shù)（percutaneous vertebroplasty，PVP）目前已廣泛應(yīng)用于保守治療無效的骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折患者的治療［1］。與雙側(cè)椎弓根穿刺的PVP手術(shù)相比，單側(cè)椎弓根穿刺PVP手術(shù)減小了手術(shù)創(chuàng)傷，減少了術(shù)中透視次數(shù)，縮短了手術(shù)時間［2］。但是，單側(cè)椎弓根穿刺PVP手術(shù)往往骨水泥不能越過中線［3-5］，而不均衡的骨水泥分布可能導(dǎo)致術(shù)后椎體生物力學(xué)性能欠佳，易出現(xiàn)術(shù)后疼痛無法緩解、手術(shù)節(jié)段再塌陷等問題［6-7］。如采用椎弓根外穿刺路徑加大內(nèi)傾，則穿破椎弓根內(nèi)壁，損傷神經(jīng)的風(fēng)險增大［8］。

近年來，同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院開展了采用彎角椎體成形裝置的經(jīng)皮椎體成形術(shù)（percutaneous curved vertebroplasty，PCVP）。該裝置不僅具有單側(cè)穿刺椎體成形術(shù)的優(yōu)勢：縮短手術(shù)時間，減小手術(shù)創(chuàng)傷［2］，且其聚醚醚酮的骨水泥輸送導(dǎo)管和記憶合金內(nèi)芯相結(jié)合，僅行單側(cè)椎弓根穿刺，就能夠在椎體的穿刺側(cè)、椎體中央及對側(cè)進行多點骨水泥注射，改善骨水泥分布，實現(xiàn)雙側(cè)穿刺的手術(shù)效果［5，9］。但骨水泥實際分布情況并無相關(guān)定量觀測研究。本文通過二維面積測量及三維建模量化分析的方法觀測PCVP術(shù)后椎體中骨水泥的分布特點。并可為生物力學(xué)建模提供臨床數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 一般資料

2019年4月—2019年10月在同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院行PCVP手術(shù)的患者共計21例22椎。其中男性3例，女性18例，年齡51～86歲，平均（68.6±9.6）歲，所有患者均符合如下納入標(biāo)準。（1）年齡＞50歲；（2）有明確的腰背痛，查體可及活動受限，局部壓痛及叩痛；（3）骨密度檢查明確存在骨質(zhì)疏松（T值≤-2.5）；（4）X線片檢查明確存在椎體壓縮改變，CT明確椎體后緣無游離骨折塊，無椎弓根及椎板損傷，MRI明確為新鮮單節(jié)段骨折，即T1像低信號，T2像及T2脂抑像高信號，不伴有后方韌帶復(fù)合體損傷。排除標(biāo)準：（1）嚴重的心肺功能異常；（2）凝血功能障礙；（3）椎體后緣骨折塊侵入椎管；（4）椎弓根骨折、后結(jié)構(gòu)損傷；（5）陳舊性骨折、骨不連；（6）脊髓、神經(jīng)根損傷。根據(jù)《骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的診療指南》［10］，楔形骨折12例13椎，雙凹狀骨折3例3椎，壓縮性骨折6例6椎。

1.2 手術(shù)方法

術(shù)前準備時根據(jù)標(biāo)準正位平片和CT片判斷椎弓根大小及有無發(fā)育異常，以較大的椎弓根為穿刺側(cè)。如椎弓根大小一致則在術(shù)中選擇C臂機的對側(cè)作為穿刺側(cè)以避免機器對操作的影響?；颊呔捎渺o脈麻醉復(fù)合局麻。麻醉成功后，患者取俯臥位，適度按壓復(fù)位。定位責(zé)任節(jié)段椎弓根后，以椎弓根的10點或2點作為進針點，采用經(jīng)椎弓根入路行單側(cè)椎弓根穿刺（圖1a）。緩慢進針，當(dāng)正位透視下穿刺針尖達到椎弓根中心時，側(cè)位透視確認穿刺針尖達到椎弓根前后徑的中點（圖1b，c）。當(dāng)正位透視下穿刺針尖達到椎弓根內(nèi)側(cè)壁時，側(cè)位透視確認穿刺針尖達到椎體后緣（圖1d，e）。當(dāng)側(cè)位透視下穿刺針針尖達到椎體中后1/3時（圖1f），取出穿刺針內(nèi)芯，置入骨水泥輸送導(dǎo)管。正位透視下確認輸送導(dǎo)管尖端達到穿刺對側(cè)椎弓根影處，側(cè)位透下確認輸送導(dǎo)管尖端達到椎體中前1/3處（圖1g，h），抽出輸送導(dǎo)管內(nèi)芯，準備骨水泥（OSTEOPAL?V，Heraeus Medical GmbH，Wehrheim，Germany），待骨水泥至拉絲期開始注射。首先在椎體對側(cè)進行骨水泥注射，隨后向外抽出輸送導(dǎo)管至第一條刻度線（椎體中央）再次注射，最后向外抽出輸送導(dǎo)管至第二條刻度線（穿刺側(cè)）注射（圖1i，j）。注射過程中骨水泥填充滿意，接近椎體后緣時終止手術(shù)。如出現(xiàn)向椎管的滲漏則即刻停止手術(shù)。

1.3 骨水泥分布面積及體積數(shù)據(jù)測量

圖1 PCVP手術(shù)過程a：entry point of cannula tip；b-e：procedure of cannula puncture of PCVP；f：cannula tip at 1/3 of posterior vertebral body；g，h：anteroposterior and lateral fluoroscopy image showing the tip of cement injector at contralateral pedicle，and 1/3 of anterior vertebral body；i，j：cement injection at different sites.Fig.1 Surgical procedure of percutaneous curved vertebroplasty

術(shù)后對手術(shù)節(jié)段進行常規(guī)X線片復(fù)查。在PACS系統(tǒng)內(nèi)分別測量標(biāo)準正位平片上椎體內(nèi)穿刺側(cè)和對側(cè)的骨水泥分布面積。對手術(shù)節(jié)段行64排CT薄層掃描（層厚＜1.5 mm），數(shù)據(jù)以DICOM格式經(jīng)PACS系統(tǒng)導(dǎo)出后，導(dǎo)入E-3D軟件（中南大學(xué)，湖南長沙）。經(jīng)閾值分割及手工逐層修正等圖像操作建立椎體及骨水泥三維模型。以頂視圖手工分割椎體及椎弓根。以前視圖內(nèi)椎體正中矢狀面分割骨水泥模型，分別測量穿刺側(cè)及對側(cè)骨水泥體積，計算兩側(cè)骨水泥體積占骨水泥總體積及占椎體總體積的百分比（圖2a，b）。以側(cè)視圖內(nèi)椎體正中軸面分割骨水泥模型，分別測量上下方骨水泥體積，計算上下方骨水泥體積占骨水泥總體積及椎體總體積的百分比（圖2c，d）。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)均采用R 3.6統(tǒng)計學(xué)軟件進行分析處理。連續(xù)變量用均數(shù)±標(biāo)準差表示，統(tǒng)計學(xué)分析采用配對t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

圖2 3D模型分割示意圖a，b 3D model of vertebral body and bone cement segmented by sagittal plane；c，d 3D model of vertebral body and bone cement segmented by axial plane.Fig.2 Schematic diagram of segmentation of 3D model

所有手術(shù)均順利完成，術(shù)中未更改手術(shù)方案。術(shù)后未見水泥不良反應(yīng)、椎管內(nèi)骨水泥滲漏、椎管內(nèi)血腫、神經(jīng)損傷。術(shù)后三維椎體及骨水泥模型確定PCVP術(shù)可實現(xiàn)骨水泥在椎體雙側(cè)及中央連續(xù)分布。骨水泥注入量4.5～7.0 mL，平均（5.8±0.6）mL。穿刺側(cè)骨水泥面積2.19～6.08 cm2，平均（3.87±1.00）cm2；對側(cè)骨水泥面積1.71～6.21 cm2，平均（3.18±1.18）cm2，兩側(cè)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=3.44，P＜0.05）。穿刺側(cè)骨水泥體積3 127.1～7 122.5 mm3，平均（4 821.7±1 151.8）mm3；對側(cè)骨水泥體積698.3～6 671.3 mm3，平均（2 982.5±1 207.9）mm3，兩側(cè)差異有統(tǒng)計學(xué)意義。穿刺側(cè)骨水泥體積占骨水泥總體積百分比47.5%～90.6%，平 均（62.2±10.4）%，對 側(cè)9.3%～52.5%，平均（37.8±10.4）%，兩側(cè)差異有統(tǒng)計學(xué)意義。穿刺側(cè)骨水泥體積占椎體總體積百分比11.3%～22.1%，平均（16.9±3.1）%；對側(cè)1.2%～20.1%，平均（10.8±4.2）%，兩側(cè)差異有統(tǒng)計學(xué)意義，見表1。

表1術(shù)后椎體正中矢狀面分割后穿刺側(cè)與對側(cè)骨水泥體積及占比的比較Tab.1 Comparison of bone cement volume and volume ratio between ipsilateral part and contralateral part segmented by sagittal plane after surgery

上半椎體骨水泥體積1 724.1～6 280.5 mm3，平均（4 242.9±1 165.8）mm3；下半椎體骨水泥體積1 084.4～6 611.2 mm3，平均（3 574.3±1 539.7）mm3，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。上半椎體骨水泥體積占骨水泥總 體 積百 分比30.8%～83.0%，平 均（55.2±15.1）%；下 半 椎 體17.0%～69.2%，平 均（44.8±15.1）%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。上半椎體骨水泥體積占椎體總體積百分比7.6%～22.3%，平均（14.9±3.5）%；下半椎體2.4%～21.1%，平均（12.9±5.6）%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，見表2。

表2術(shù)后椎體正中軸面分割后上下方骨水泥體積及占比的比較Tab.2 Comparison of bone cement volume and volume ratio between upward part and downward part segmented by axial plane after surgery

3 討論

骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折在老年骨質(zhì)疏松癥患者中較為常見。發(fā)病后出現(xiàn)的疼痛及功能障礙，嚴重影響患者的生活質(zhì)量［3］。對于保守治療效果不佳的患者，經(jīng)皮椎體成形術(shù)目前仍是被廣泛接受 的 治 療 方 式［1］。經(jīng) 皮 椎 體 后 凸 成 形 術(shù)（percutaneous kyphoplasty，PKP）相對于PVP術(shù)，在恢復(fù)壓縮椎體高度和后凸角方面具有優(yōu)勢［11］，但在緩解疼痛和改善功能方面的效果大致相仿，骨水泥滲漏和術(shù)后再骨折的發(fā)生率無明顯差異，且手術(shù)費用顯著高于PVP，故有學(xué)者更傾向于采用PVP手術(shù)治療骨質(zhì)疏松性椎體骨折［12］。

PVP手術(shù)可采取單側(cè)或雙側(cè)穿刺。與雙側(cè)穿刺PVP術(shù)相比，單側(cè)穿刺可縮短手術(shù)時間，較少透視次數(shù)［2］。但是，單側(cè)椎弓根穿刺椎體成形術(shù)骨水泥往往難以越過中線［3-5］，其生物力學(xué)性能可能較雙側(cè)穿刺差［6-7］。如采用如采用椎弓根外穿刺路徑加大內(nèi)傾以改善骨水泥分布，則手術(shù)難度相對單側(cè)椎弓根穿刺大，增加了穿刺針侵入椎管，損傷神經(jīng)的可能性［8］。Chen等［3］測量了單側(cè)穿刺PVP術(shù)后傷椎不同CT掃描層面及同一層面不同區(qū)域的骨水泥分布面積，發(fā)現(xiàn)單側(cè)椎弓根穿刺PVP骨水泥主要分布在穿刺側(cè)，在對側(cè)僅有少量骨水泥分布。Liebschner等［6］通過有限元分析的方法發(fā)現(xiàn)，骨水泥的不均衡分布導(dǎo)致單側(cè)載荷的偏移，從而引起壓力載荷下的不穩(wěn)。Liang等［7］則在三維有限元研究中指出，在骨水泥分布不均衡時，松質(zhì)骨及皮質(zhì)骨受到的最大等效應(yīng)力上升，最大位移顯著增大，從而更易導(dǎo)致再骨折及術(shù)后疼痛無法緩解。也有學(xué)者報道，如果單側(cè)椎弓根穿刺PVP術(shù)骨水泥分布未能越過中線，則需在對側(cè)再行PVP［13］。對于PCVP這種改良的新術(shù)式，缺乏術(shù)后骨水泥分布情況的定量分析數(shù)據(jù)，也無準確的體積數(shù)據(jù)供進一步的有限元分析或生物力學(xué)實驗。本研究的結(jié)果定量描述了PCVP術(shù)后骨水泥的分布特征，并可為生物力學(xué)建模提供可參考的臨床數(shù)據(jù)。

PCVP術(shù)是近年來新改進的單側(cè)穿刺術(shù)式，僅行單側(cè)椎弓根穿刺，就能夠在椎體的穿刺側(cè)、椎體中央及對側(cè)進行骨水泥注射，與傳統(tǒng)的單側(cè)穿刺PVP術(shù)相比，可縮短手術(shù)時間，減小手術(shù)創(chuàng)傷［5，9］。周權(quán)發(fā)等［14］對術(shù)后CT圖像中骨水泥分布面積最大的層面進行平面分區(qū)，比較了單側(cè)、雙側(cè)穿刺PVP及PCVP的骨水泥分布情況，發(fā)現(xiàn)PCVP術(shù)后實現(xiàn)骨水泥理想分布的例數(shù)及比例與雙側(cè)穿刺PVP術(shù)無統(tǒng)計學(xué)差異，但與單側(cè)穿刺PVP術(shù)相比，差異有統(tǒng)計學(xué)差異，認為該術(shù)式能夠優(yōu)化骨水泥在椎體中的分布，但是缺乏相關(guān)的量化研究。因此，在本研究中我們對PCVP術(shù)后患者的骨水泥分布采用了二維面積測量及三維建模的方法量化分析，定量觀測并描述了PCVP術(shù)后骨水泥的分布特征。在本實驗中，多數(shù)患者進針側(cè)骨水泥體積大于對側(cè)，這可能與骨水泥黏度等因素有關(guān)。此外，不同的骨折類型也可能與骨水泥的分布相關(guān)。我們將在進一步的工作中進一步細化這部分的研究，如在某一特定的骨折類型下觀察骨水泥的分布情況，以及不同骨水泥黏度等因素對骨水泥分布的影響，以期提供更為可靠的臨床數(shù)據(jù)。