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1 ，戚穎2 ，劉肅1 ，馬朋朋1 ，張?chǎng)? ，張春玲1 ，宗治國(guó)1 ，李偉1 ，張志敏1 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
【摘要】
目的：在骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折（OVCFs）椎體成形術(shù)（PVP）中，病椎內(nèi)骨水泥分布不充分、不對(duì)稱，將影響手 術(shù)效果及遠(yuǎn)期癥狀。本文研究椎體成形術(shù)中骨水泥在椎體內(nèi)分布情況對(duì)術(shù)后病椎的應(yīng)力影響。
方法：利用志愿者椎體 CT數(shù)據(jù)，建立T12~L2椎體有限元模型。模擬L1椎體OVCFs，行PVP。向L1椎體內(nèi)注入骨水泥柱，骨水泥形成3組分布 模式（骨水泥分布不充分組、分布充分組和分布不對(duì)稱組，其中分布不對(duì)稱組包括骨水泥偏上分布和偏下分布）。研究不 同方向運(yùn)動(dòng)對(duì)術(shù)后L1椎體的生物力學(xué)影響。
結(jié)果：（1）與骨質(zhì)疏松的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)力的分布沒(méi)有變化。（2）與骨水泥分布充分組相比，不充分組L1 椎體的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的最大應(yīng)力和最大位移均顯著增加，而不對(duì)稱組中松質(zhì)骨的最大應(yīng)力顯著增加。（3）在不同方向的 載荷條件下都能得到相似的結(jié)果。
結(jié)論：（1）在OVCFs的PVP中，病椎骨水泥分布不充分會(huì)引起術(shù)后該椎體最大位移明 顯增加，導(dǎo)致術(shù)后疼痛未緩解。（2）病椎骨水泥分布不充分和分布不對(duì)稱會(huì)引起術(shù)后病椎皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨的最大應(yīng)力明顯 增加，所以容易導(dǎo)致術(shù)后病椎的再次骨折。?
【關(guān)鍵詞】椎體成形術(shù)；有限元；骨質(zhì)疏松；椎體壓縮性骨折
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(jiàn)。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(lái)，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(wú) 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(guò) 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(guò)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）。
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(lái)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(jiàn)圖2。
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(jiàn)表1。
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(lái)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(shuō)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(méi)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）。
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(jiàn)圖6。
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(jiàn)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(jiàn)圖8。
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(guò)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?椎體壓縮性骨折時(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(jiàn)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(guò)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(méi)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(lái)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(guò)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(lái)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。
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