骨水泥不同分布對(duì)骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的生物力學(xué)影響:三維有限元分析

蔡明，戚穎，劉肅，馬朋朋，張?chǎng)?，張春玲，宗治國，李偉，張志?/p>

1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院骨外科，河北張家口 075000；2.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院輸血科，河北張家口 075000

前言

骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折（Osteoporotic Vertebral Compression Fractures,OVCFs）在老年人中非常常見。據(jù)估計(jì)，全世界30%～50%的50 歲以上人口面臨OVCFs 的威脅［1］。近年來，經(jīng)皮椎體成形術(shù)（Percutaneous Vertebroplasty, PVP）作為一種有效的治療手段被廣大臨床醫(yī)生所應(yīng)用［2］。生物力學(xué)研究顯示，PVP 術(shù)后椎體的強(qiáng)度顯著增加［3］。而且，PVP更重要的作用是快速緩解疼痛和恢復(fù)骨折椎體高度，從而減少患者脊柱的后凸畸形及相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生［4］。

但是，眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，部分患者PVP 術(shù)后疼痛無緩解，并且部分患者在術(shù)后隨訪中觀察到手術(shù)椎體高度再次丟失［5-7］。手術(shù)椎體內(nèi)部骨水泥分布不充分和分布不對(duì)稱分別被認(rèn)為是疼痛未緩解和術(shù)后病椎再次骨折的主要危險(xiǎn)因素［5-8］。然而，到目前為止，很少有生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究骨水泥在病椎內(nèi)部分布不充分和分布不對(duì)稱會(huì)引起上述并發(fā)癥的原因。本研究的目的是探討OVCFs在PVP中骨水泥不同分布情況對(duì)術(shù)后病椎應(yīng)力的生物力學(xué)影響。因此，理解掌握這種生物力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)于提高手術(shù)成功率和優(yōu)化治療效果至關(guān)重要。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇1 例2019年7月在河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院診治的胸腰段疼痛患者。通過X 線檢查排除椎體骨折、脊柱畸形及感染等疾病。對(duì)該患者胸腰椎T12～L2 節(jié)段進(jìn)行64 排螺旋CT 檢查，排除椎間盤突出癥。本研究通過醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，志愿者對(duì)該研究知情同意。

1.2 T12～L2椎體骨質(zhì)疏松性模型建立

上述CT 檢查掃描層厚為1 mm，共獲得176 層CT 圖像，將此CT 數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Mimics 17.0 軟件，選取骨組織，分割處理及3D 建模，建立T12～L2 椎體骨性模型，將此椎體模型導(dǎo)入3-Matic 軟件，分別對(duì)T12、L1 及L2 椎體進(jìn)行Mark 分離、補(bǔ)洞抽殼及布爾運(yùn)算，獲得松質(zhì)骨及皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。再選取T12 及L1 椎體相鄰兩個(gè)面，進(jìn)行解剖重建、Scale 和布爾運(yùn)算，建立T12～L1椎間盤模型（包括上下終板、髓核及纖維環(huán)）。同理建立L1～L2 椎間盤模型。將上述所有模型依次導(dǎo)入ANSYS Workbench19.2 軟件中，再利用繩索單元建立椎體周圍韌帶模型［8］，最終組成T12～L2 骨質(zhì)疏松性椎體模型（圖1）。

圖1 T12～L2正常椎體模型Figure 1 Normal vertebral body model of T12 to L2

1.3 添加骨水泥模型，劃分網(wǎng)格并賦予材料屬性

在骨折的椎體中分別植入一個(gè)或兩個(gè)模擬的骨水泥圓柱體，以模擬雙側(cè)椎弓根入路的PVP。每個(gè)骨水泥圓柱體的體積約為2 mL。骨水泥不同分布情況及數(shù)量代表不同模型類型，即代表不同的手術(shù)效果：（1）兩個(gè)骨水泥柱狀體對(duì)稱且居中地分布在L1 椎體內(nèi)，以模擬骨水泥對(duì)稱且充分分布的類型；（2）兩個(gè)骨水泥圓柱體均位于L1 椎體偏上部或偏下部，來模擬骨水泥非對(duì)稱分布的類型。（3）在（1）的基礎(chǔ)上，保留其中一個(gè)骨水泥圓柱體，以模擬骨水泥不充分分布的類型。所用模型見圖2。

圖2 經(jīng)皮椎體成形術(shù)模型Figure 2 Percutaneous vertebroplasty models

最后，我們得到了5 種不同類型的模型，包括骨質(zhì)疏松性椎體模型和4 種PVP 手術(shù)模型。所有模型均進(jìn)行網(wǎng)格劃分。賦予模型材料屬性，參考既往研究［9-10］，見表1。

表1 骨質(zhì)疏松性椎體有限元模型各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 1 Structural material parameters of the finite element model of osteoporotic vertebral body

1.4 對(duì)有限元模型施加應(yīng)力條件

考慮到椎旁肌肉和腹內(nèi)壓力的影響，在所有模型上均先施加500 N 垂直載荷來模擬站立狀態(tài)，即固定L2椎體下面，在T12椎體上面施加500 N垂直向下的力［11-12］。在施加上述載荷的基礎(chǔ)上，固定L2 椎體下面，在T12 椎體上面施加力矩為7.5 N·m 的載荷，方向分別為前、后、左、右，用于模擬屈曲、伸展、左右側(cè)屈動(dòng)作［11-12］。最后比較5 種模型中L1 椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的Von Mises 應(yīng)力及位移情況。Von Mises應(yīng)力已被提出作為骨折破壞標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)［13］，最大位移是穩(wěn)定性的參數(shù)［14］。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

對(duì)正常椎體模型施加前屈后伸、側(cè)屈及軸向扭轉(zhuǎn)幾個(gè)不同方向的載荷，獲得T12～L2 節(jié)段椎體的活動(dòng)范圍數(shù)據(jù)，與既往文獻(xiàn)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較［13,15］，一致性良好。該結(jié)果證實(shí)了本次模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并說明筆者的模型可用于后續(xù)的模擬研究。

2.2 PVP 手術(shù)前后L1 椎體皮質(zhì)骨中Von Mises 應(yīng)力的分布及大小

L1 椎體皮質(zhì)骨在PVP 治療前后，在垂直壓縮力作用下Von Mises 應(yīng)力的分布及大小結(jié)果如圖3所示。與骨質(zhì)疏松模型的分布相比，PVP 術(shù)后的Von Mises 應(yīng)力分布沒有變化，仍然集中在后柱未骨折區(qū)。類似的結(jié)果可以在屈曲、伸展、左右側(cè)屈中看到。在垂直壓縮力作用下，骨質(zhì)疏松組、PVP 術(shù)后骨水泥分布不充分組、充分組、偏上組和偏下組之間L1椎體皮質(zhì)骨的最大Von Mises 應(yīng)力分別為15.06、12.16、6.01、9.03和8.16 MPa。因此，與骨水泥分布偏上組和偏下組對(duì)比，不充分組Von Mises應(yīng)力增加；與骨水泥分布充分組相比，不充分組Von Mises 應(yīng)力顯著增加。類似的變化也出現(xiàn)在屈曲、伸展、左右側(cè)屈的作用下（圖4）。

圖3 垂直壓縮力作用下，L1椎體皮質(zhì)骨在PVP治療前后Von Mises應(yīng)力分布Figure 3 Von Mises stress distributions of L1 vertebral cortical bone before and after PVP under vertical compression force

圖4 PVP手術(shù)前后L1椎體皮質(zhì)骨中最大Von Mises應(yīng)力Figure 4 Maximum Von Mises stress in L1 vertebral cortical bone before and after PVP

2.3 PVP 手術(shù)前后L1 椎體松質(zhì)骨中Von Mises 應(yīng)力的分布和大小

在垂直壓縮力的作用下，L1 椎體松質(zhì)骨在PVP治療前后Von Mises 應(yīng)力的分布及大小如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，骨質(zhì)疏松組中最大應(yīng)力集中于中柱未骨折區(qū)域，但在PVP 術(shù)后，最大應(yīng)力集中于骨水泥周圍的松質(zhì)骨。類似的結(jié)果可以在屈曲、伸展、左右側(cè)屈中看到。在垂直壓縮力作用下，骨質(zhì)疏松組、骨水泥分布不充分組、充分組、偏上組和偏下組中L1椎體松質(zhì)骨的最大Von Mises 應(yīng)力分別為0.53、1.31、0.70、1.81 和1.54 MPa。因此，與骨水泥分布充分組相比，分布不充分組、偏上組和偏下組松質(zhì)骨的最大應(yīng)力均明顯增加。類似的變化也出現(xiàn)在屈曲、伸展、左右側(cè)屈的作用下，見圖6。

圖5 垂直壓縮力作用下，L1椎體松質(zhì)骨在PVP治療前后Von Mises應(yīng)力的分布及大小Figure 5 Von Mises stress distributions and magnitudes of L1 vertebral cancellous bone before and after PVP under vertical compression force

圖6 PVP手術(shù)前后L1椎體松質(zhì)骨中最大Von Mises應(yīng)力Figure 6 Maximum Von Mises stress in L1 vertebral cancellous bone before and after PVP

2.4 PVP手術(shù)前后L1椎體的最大位移

在垂直壓縮力作用下，骨質(zhì)疏松組、骨水泥分布不充分組、充分組、偏上組和偏下組中L1椎體的最大位移分別為0.22、0.16、0.08、0.11 和0.10 mm，見圖7。因此，與骨水泥分布偏上組、偏下組和充分組相比，不充分組的骨水泥分布增加了L1 椎體的最大位移。類似的變化也出現(xiàn)在屈曲、伸展、左右側(cè)屈的作用下，見圖8。

圖7 垂直壓縮力作用下，PVP手術(shù)前后L1椎體最大位移Figure 7 Maximum displacements of L1 vertebral body before and after PVP under vertical compression force

圖8 PVP手術(shù)前后L1椎體的最大位移Figure 8 Maximum displacements of L1 vertebral body before and after PVP

3 討論

目前，關(guān)于PVP 的手術(shù)效果仍然存在爭(zhēng)議。Marcia等［16］通過總結(jié)PVP治療OVCFs的安全性和有效性的最新證據(jù)，明確指出PVP 是一種安全的手術(shù)方法，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率明顯降低，并不增加再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)。De Leacy 等［17］也認(rèn)為，PVP 可以明顯改善疼痛，并不會(huì)增加手術(shù)椎體及鄰近椎體再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)。但是，在PVP治療OVCFs后，手術(shù)椎體再骨折的現(xiàn)象引起了專家學(xué)者們廣泛關(guān)注。Yu等［18］研究表明，在PVP治療OVCFs后，手術(shù)椎體再次骨折的發(fā)生率依然很高。而且，Li 等［5-7］研究發(fā)現(xiàn)，在PVP 術(shù)中，骨水泥的分布情況會(huì)極大地影響手術(shù)效果，如緩解疼痛及病椎再次骨折情況。

本文根據(jù)門診志愿者胸腰椎節(jié)段的CT 掃描數(shù)據(jù)建立有限元模型，賦予材料屬性反映椎體骨質(zhì)疏松癥的特征。本研究并非建立單個(gè)椎體模型（L1），而是建立了3 個(gè)節(jié)段的脊椎模型（T12～L2），因?yàn)樵谧刁w壓縮性骨折時(shí)，椎間盤和小關(guān)節(jié)之間的作用可以模擬胸腰椎節(jié)段的力學(xué)傳導(dǎo)和運(yùn)動(dòng)情況；而且也可以避免將載荷條件直接作用到病椎（L1）上，建立3個(gè)節(jié)段的脊椎模型使得L1椎體的生物力學(xué)研究更趨近于真實(shí)［13,19］。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明，所建立的三維有限元模型可以準(zhǔn)確地模擬胸腰椎節(jié)段的生理活動(dòng)，因此，可以作為今后臨床研究重要的工具。

Xu 等［20］研究發(fā)現(xiàn)，在雙柱骨水泥的椎體成形術(shù)中，將兩個(gè)骨水泥柱植入整個(gè)松質(zhì)骨的骨折區(qū)域內(nèi)，骨水泥不僅分布在骨折區(qū)域，而且還交錯(cuò)地進(jìn)入周圍松質(zhì)骨內(nèi)。Liang等［7］和Kim 等［21］采用有限元的方法均得出一致的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，這種骨水泥形狀（圓柱體）與患者術(shù)后影像學(xué)上所見的骨水泥形狀相似，目前的骨水泥模擬圓柱體的形狀可能是PVP 手術(shù)的合理方案，術(shù)后可以將骨折的椎骨恢復(fù)到其原始的高度［7，21］。筆者發(fā)現(xiàn)使用圓柱體骨水泥模型模擬PVP 手術(shù)，雖然不同的載荷可以使用骨水泥模擬PVP 產(chǎn)生不同的應(yīng)力和位移情況，但是得出結(jié)論均一致。

筆者研究PVP 手術(shù)前后的骨折模型中，L1 椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨應(yīng)力以及位移的大小和分布情況。Liang等［7］通過有限元分析表明，在PVP術(shù)后，松質(zhì)骨的最大應(yīng)力較術(shù)前增加，并且分布在骨水泥周圍，皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力較術(shù)前減少。這與筆者的研究結(jié)果相一致，與骨質(zhì)疏松L1 椎體應(yīng)力相比，術(shù)后L1 椎體松質(zhì)骨中最大應(yīng)力的分布主要集中于骨水泥周圍的松質(zhì)骨，而皮質(zhì)骨中最大應(yīng)力的分布情況沒有變化。在所有不同方向的載荷條件下都能得到相似的結(jié)果。因此，在某種程度上可以驗(yàn)證筆者使用這些模型來模擬椎體骨折PVP 手術(shù)中骨水泥分布情況的研究結(jié)果是合理的。Li 等［5］通過分析手術(shù)椎體再次骨折的危險(xiǎn)因素后發(fā)現(xiàn)，行PVP 手術(shù)中骨水泥注射量低的患者，手術(shù)椎體再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)較高。這與筆者的研究結(jié)果相一致。筆者同樣發(fā)現(xiàn)，與骨水泥分布充分組相比，不充分組的L1 椎體（手術(shù)椎體）皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨中最大應(yīng)力和最大位移均顯著增加。最大壓力和最大位移的增加表明，由于骨折椎體內(nèi)部骨水泥分布不充分，不能很好地恢復(fù)脊柱的穩(wěn)定性，因此容易引發(fā)手術(shù)椎體的再次骨折及術(shù)后疼痛。

在之前臨床研究和三維有限元分析均得出一致的結(jié)論：盡管PVP術(shù)后疼痛消失，但是骨水泥分布不充分的手術(shù)椎體相比于分布充分者，更容易再次發(fā)生骨折［7,22］。其研究結(jié)論與筆者的結(jié)論相吻合。筆者從有限元分析的角度來看，在骨水泥分布不充分和不對(duì)稱的情況下，手術(shù)椎體術(shù)后的松質(zhì)骨最大應(yīng)力較骨水泥充分分布組增加，因此更容易再次發(fā)生骨折。

4 結(jié)論

骨折椎體內(nèi)骨水泥分布不充分可明顯增加術(shù)后手術(shù)椎體的位移，導(dǎo)致患者在PVP 術(shù)后疼痛未緩解。骨折椎體內(nèi)骨水泥不充分和不對(duì)稱分布更容易引起手術(shù)椎體的再骨折，這是因?yàn)槭中g(shù)椎體松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力顯著增大。因此，為了保證PVP 術(shù)后疼痛的緩解，降低術(shù)后遠(yuǎn)期病椎再骨折的發(fā)生率，應(yīng)將骨折椎體內(nèi)骨水泥充分分布納入PVP 的手術(shù)方案，而且骨折椎體內(nèi)骨水泥的對(duì)稱分布可能是我們今后在手術(shù)操作中追求的最佳模式。