椎體成形術對相鄰椎體生物力學影響的有限元分析*

李安明，史國號，王國柱，陳志輝，歐國峰，朱峰峰

(1.陜西省安康市漢濱區(qū)第二醫(yī)院骨科 725000；2.陜西中醫(yī)藥大學第二附屬醫(yī)院骨科，陜西咸陽 712000；3.陜西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院骨病科，陜西咸陽 712000)

伴隨著我國進入老齡化社會，骨質(zhì)疏松的發(fā)病率逐漸升高，成為困擾老年人的一個健康問題，該病系多方面因素導致單位體積內(nèi)骨密度和骨量降低，而低骨量和微結構的破壞造成骨脆性增加，最終導致受力骨骨折的發(fā)生率升高[1-3]。骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(osteoporotic vertebral compression fracture，OVCF)作為骨質(zhì)疏松骨折發(fā)病率較高的骨折之一，以腰背痛、后凸畸形、腰背部的慢性疼痛及身高下降、背部肌肉的痙攣及抽搐、健康狀況惡化等一系列臨床表現(xiàn)為主，嚴重威脅著人體健康，影響生活質(zhì)量[4-7]。目前，經(jīng)皮椎體成形術(percutaneous vertebroplasty，PVP)是治療OVCF的主要手段之一，可以穩(wěn)固骨折，恢復椎體力學特性，阻止椎體壓縮骨折發(fā)展和緩解疼痛，使患者短時間內(nèi)恢復正常。但隨著PVP在臨床的廣泛應用，椎體成形術后椎體再骨折成為PVP治療后的常見并發(fā)癥之一，因此引起諸多學者的關注及深入研究[8-10]。本研究以CT掃描數(shù)據(jù)為基礎，通過有限元分析法建立椎體組織的三維模型，觀察PVP治療(注入不同劑量和不同彌散分布時)對相鄰椎體應力的影響程度及其改變規(guī)律，探討骨折再發(fā)生的因素。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2015年3月至2018年3月由陜西省安康市漢濱區(qū)第二醫(yī)院骨科收治的30例骨質(zhì)疏松性腰2椎體壓縮骨折患者，男12例，女20例，年齡59～86歲，平均(68.91±8.59)歲。納入標準：(1)骨折發(fā)生于2周內(nèi)；(2)腰背部頑固性疼痛；(3)X線片或CT確診為腰2椎體新鮮壓縮性骨折；(4)年齡大于或等于59歲；(5)骨密度測定T 值小于或等于-2.5；(6)均經(jīng)單側穿刺行PVP治療。排除標準：(1)腰背部合并其他病理性骨折或有感染可能者；(2)伴嚴重內(nèi)科疾病不能完成手術者；(3)椎體骨折伴脊髓損傷或神經(jīng)癥狀者；(4)對骨水泥過敏者。所有患者均完善各項術前檢查(X線、CT及骨密度檢測等)，并將疼痛視覺模擬量表(VAS)評分、Oswestry功能障礙指數(shù)作為其腰背部功能狀態(tài)的宏觀表現(xiàn)，告知患者研究相關內(nèi)容并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1手術方法

患者取俯臥位，雙上肢置于頭部兩側，胸骨及髂前上棘水平墊高以保持胸腰椎過伸。C型臂透視確定骨折椎體并定位標記后，尖刀開口并將穿刺針穿刺至椎體前1/3(C型臂透視確定)，拔除穿刺針芯，C臂透視下用高壓注射器將調(diào)制好的骨水泥經(jīng)管道注入傷椎，直至骨水泥注入骨皮質(zhì)邊緣時停止注射。待骨水泥干燥后拔除所有導管并按壓切口，觀察10 min若無異常狀況，敷料包扎切口。術后復查并記錄手術前后癥狀指標、患者骨水泥使用量及骨水泥在傷椎內(nèi)的分布范圍，定期復查。

1.2.2有限元模型的建立

將收集到的患者薄層CT圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式輸入三維重建軟件Minmics，Minmics根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)字段生成冠狀位、矢狀位、橫斷位CT截面圖，三位互相關聯(lián)，精準定位患者真實脊柱所存在的損傷，由CT掃描切層圖(圖1)可以看出骨質(zhì)疏松癥患者的椎體骨量顯著減少及椎體楔形改變。通過閾值選取骨閾值，通過Edit Masks功能消除椎體層面的小孔洞，完善椎體周長的線性閉合結構，運行Cacalate 3D功能生成腰1至腰3脊柱三維幾何模型(圖2)。

A：橫斷位；B：冠狀位；C：矢狀位。

A：三維實體模型；B：三維有限元模型。

1.2.3試驗分組

在脊柱腰段OVCF有限元模型基礎上進行椎體成形術后模型建立。首先在壓縮骨折椎體中注入骨水泥4 mL[11]恢復椎體高度，模型生成跨越椎體冠狀位中線兩側的彌散分布狀態(tài)，即椎體成形術后的實體模型，以此模型為A組(即常規(guī)劑量組，雙側分布，n=10)；另設2個對照組(B組和C組)，B組(n=10)注入骨水泥4 mL局限于椎體的一側(即常規(guī)劑量組，單側分布)，C組(n=10)注入骨水泥8 mL，骨水泥越過椎體冠狀位中線(即大劑量組，雙側分布)。對各組術后骨水泥量和骨水泥分布范圍做對比研究，以確定單一因素對應力變化的影響(主要測量鄰近椎體與傷椎所接觸的終板受應力的改變情況，即“面-面”接觸)。研究顯示，人體脊柱承擔約2/3的體重，去除脊柱周圍組織對重力分擔的影響，認為人體在無負重豎直站立時等同在腰段椎體垂直方向上加載500 N的壓力較為合理[12]。結合以往研究，本次研究選擇對建立的有限元模型橫截面施加500 N的垂直軸向壓力，以觀察A、B、C組患者生理載荷情況下傷椎及鄰近椎體應力的改變及分布情況。

1.2.4觀察指標

采用Von Mises[13]應力作為主要的力學分析指標，觀察A、B、C組椎體成形術前后腰1椎體下終板及腰3椎體上終板的應力分布集中情況及所受最大應力變化情況。

1.3 統(tǒng)計學處理

2 結 果

2.1 各組有限元模型的設計

建立A、B、C組的有限元模型，且都滿足實驗設計要求，見圖3。

A：A組；B：B組；C：C組。

2.2 不同骨水泥劑量時相鄰椎體終板最大應力比較

以A組、C組患者為觀察對象(雙側分布，骨水泥量不同)，觀察脊柱垂直壓縮狀態(tài)下注入不同骨水泥劑量腰1椎體下終板及腰3椎體上終板的最大應力分布情況。術前腰1椎體下終板應力為(4.08±0.55)Mpa，A組形成雙側彌散骨水泥后，應力減小為(2.58±0.44)Mpa，C組減小為(2.93±0.56)Mpa，均較術前明顯減小(P<0.05)，且A組與B組比較有明顯差異(P<0.01)；術前腰3椎體上終板應力為(4.99±0.70)Mpa，A組形成雙側彌散骨水泥后，應力增加為(5.23±0.98)Mpa，C組則增加至(5.45±1.00)Mpa，均較術前明顯增加(P<0.05)，見表1。

表1 不同骨水泥劑量時相鄰椎體終板最大應力比較

2.3 骨水泥單側、雙側分布時相鄰椎體終板最大應力比較

以A組、B組患者為觀察對象(骨水泥量相同，彌散范圍不同)，觀察脊柱垂直壓縮狀態(tài)下骨水泥彌散范圍不同時腰1椎體下終板及腰3椎體上終板的最大應力分布情況。術前腰1椎體下終板應力為(4.08±0.55)Mpa，術后A組腰1椎體下終板應力為(2.58±0.44)Mpa，B組則為(3.03±0.49)Mpa，均較術前明顯減小(P<0.05)，且A組與B組比較有明顯差異(P<0.01)；術前腰3椎體上終板應力為(4.99±0.70)Mpa，術后A組腰3椎體上終板應力為(5.23±0.98)Mpa，B組則為(5.25±0.67)Mpa，均較術前明顯增加(P<0.05)，見表2。

表2 骨水泥單側、雙側分布時相鄰椎體終板最大應力比較

3 討 論

PVP經(jīng)過近幾年的發(fā)展及改良，現(xiàn)已成為脊柱疾病微創(chuàng)治療的主要術式，其短期止痛效果及固定功能得到醫(yī)學界的廣泛認可，患者術后腰背部疼痛、生活質(zhì)量和活動能力可在短期內(nèi)得到明顯改善[14-15]。椎體成形術的作用原理即注入骨水泥后使原有骨質(zhì)疏松性松質(zhì)骨得到強化，使垂直方向上部分壓力由骨水泥承載，應力在傷椎中被重新分布，傷椎的骨松質(zhì)承受力也就相對減少，疏松椎體整體可以承受更大的壓力，這是力學上的原理；此外，患者受傷部位持續(xù)疼痛可能為骨折線處骨質(zhì)繼續(xù)被壓縮重疊導致的、持續(xù)存在或逐漸加重的骨性疼痛感，注入骨水泥后，高強度的骨水泥填充了松軟的松質(zhì)骨間隙，使松質(zhì)骨骨折處破裂面得到修補和強化，從而緩解臨床癥狀[16-17]。有限元法是一種超效率、高利用率的程序仿真計算。該方法用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片函數(shù)，求解各種力學、物理問題[18]，在生物力學研究中具有優(yōu)勢，可對不同狀態(tài)下脊柱進行應力模擬分析。因此，本研究擬通過有限元分析系統(tǒng)，分析不同骨水泥注入量和不同彌散范圍對相鄰椎體生物力學的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，大劑量注入骨水泥所產(chǎn)生的椎板壓力大于常規(guī)劑量，這可能是大劑量骨水泥易加速鄰近椎體骨折的原因之一。經(jīng)有限元分析后可以看出，應力的分布與集中部位已有所不同，應力趨向于椎體前緣及椎弓根處，最終計算后的最大應力值也顯示，大劑量(C組)骨水泥造成的最大應力大于常規(guī)劑量(A組)，產(chǎn)生了更為不利的影響。另外對于PVP，骨水泥滲漏是一個很重要的危險信號，而這是大劑量注入骨水泥時發(fā)生率很高的并發(fā)癥，可能導致鄰近椎體繼發(fā)性骨折，且已被研究者報道[19]。另有研究對低劑量骨水泥組(2.5～4.5 mL，平均3.5 mL)及高劑量骨水泥組(5.5～7.0 mL，平均6.0 mL)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩組對疼痛的緩解程度無明顯差異，即小劑量骨水泥即可達到治療效果[20]。另外，椎體成形術中骨水泥的擴散范圍在達到椎體冠狀位中心位置時更易充分填充壓縮骨折缺損[21]。而BELKOFF等[22]研究表明，2 mL骨水泥即可基本恢復傷椎強度，4～6 mL骨水泥可恢復傷椎剛度。雖然骨水泥的注入量需根據(jù)椎體的損傷情況個體化制訂，但在保證臨床療效的前提下應首選小劑量注射，對減少術中及潛在的遠期并發(fā)癥都有良好意義。

就骨水泥彌散范圍而言，雙側彌散的骨水泥對應力平衡所產(chǎn)生的影響略優(yōu)于單側彌散方式。注入骨水泥后，鄰近椎體中上位椎體與傷椎的接觸終板所受應力均明顯減少，可能與椎體高度的恢復和傷椎剛度、強度的增強有關。但對于下位椎體而言，無論劑量與彌散范圍的異常，都會對下位椎體終板產(chǎn)生增大應力的效果，這可能是導致鄰近椎體發(fā)生繼發(fā)性骨折的力學因素之一。在相同劑量骨水泥下的單、雙側不同的彌散范圍時(A、B組)，經(jīng)有限元分析后可以看出應力的分布與集中部位已經(jīng)改變，高應力區(qū)域擴大，最終計算后的最大應力也顯示，單側彌散時造成的變化程度及應力最大值均大于雙側彌散時，應力更趨向于椎體前半部集中，產(chǎn)生了更為不利的影響。

綜上所述，鄰近椎體繼發(fā)性骨折的發(fā)生原因是多方面的[23]。單一椎體壓縮骨折發(fā)生后，鄰近椎體垂直方向上的生物力學平衡已經(jīng)發(fā)生了改變，力學固定方面主要依靠恢復傷椎高度，以及恢復原有受力角度及方向。而患者接受微創(chuàng)椎體成形術后，骨水泥的注入量及彌散范圍都應處于一個恰當?shù)姆秶委煼秶鷥?nèi)的骨水泥都將會對相鄰椎體的應力平衡產(chǎn)生影響，這可能是椎體成形術后無法完全規(guī)避的一項不良反應。