李石頭，鮮文峰

(河南省南陽市第二人民醫(yī)院骨一科，河南南陽 473000)

近年來，隨著影像設(shè)備及醫(yī)務(wù)人員技術(shù)的不斷提高，經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(percutaneous kyphoplasty,PKP)治療胸腰椎壓縮性骨折成為主流的治療方案[1-2]。本研究主要探討PKP術(shù)中骨水泥注入量與療效的相關(guān)性，同時利用有限元分析技術(shù)評價(jià)骨水泥注入量與不同運(yùn)動強(qiáng)度下的上下終板受力的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 一般資料

納入標(biāo)準(zhǔn)：① X線、CT及MRI證實(shí)T12骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折；②骨折時間小于3周；③無腫瘤病史且影像學(xué)檢查未見轉(zhuǎn)移瘤征象；④CT確認(rèn)椎體后壁完整且椎弓根完整；⑤椎體壓縮程度在2/3之內(nèi)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①脊柱具有先天性畸形，不利于形態(tài)學(xué)評估者；②椎體感染；③中途退出研究或隨訪時間不足6個月者。

共110例T12骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折患者納入研究范圍。根據(jù)術(shù)中骨水泥注入量分為A(<4 mL)、B(≥4 mL)兩組。其中A組60例，男35例，女25例；年齡52～89歲，平均(68.3±12.8)歲，骨水泥注入量(3.5±0.4)mL；B組50例，男28例，女22例；年齡53～87歲，平均(69.8±11.1)歲，骨水泥注入量(4.6±0.5)mL。兩組患者基本情況一致，有可比性。

1.2 手術(shù)方法

患者取俯臥位，C臂透視定位目標(biāo)椎體、標(biāo)記位置。行1%鹽酸利多卡因注射液局部浸潤麻醉。于傷椎椎弓根外上緣穿刺進(jìn)針，針尾保持適當(dāng)外展及頭傾。穿刺過程中確保穿刺針朝向傷椎中部，同時行患椎正側(cè)位透視，直至穿刺針安全通過椎弓根進(jìn)入椎體中柱前緣。拔出穿刺針芯，更換工作套管，將鉆頭手動旋轉(zhuǎn)至椎體前中1/3。將球囊經(jīng)工作套管放置于椎體內(nèi)，C臂透視下緩慢擴(kuò)張球囊直至椎體恢復(fù)滿意高度，退出球囊。調(diào)和骨水泥，待拉絲后注入椎體內(nèi)。

術(shù)后常規(guī)應(yīng)用抗生素2 d，正規(guī)抗骨質(zhì)疏松治療(包括口服碳酸鈣D3、骨化三醇，靜脈輸注唑來膦酸注射液)。所有患者術(shù)后第2天鼓勵佩戴胸腰椎支具下地行功能鍛煉。

1.3 觀察指標(biāo)

記錄術(shù)中骨水泥輸入量，觀察患者術(shù)前、術(shù)后72 h、術(shù)后6個月VAS評分、椎體前緣高度、椎體中間高度與Cobb角。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 有限元分析

納入健康志愿者1名，男性，29歲，體重為70 kg。排除髖關(guān)節(jié)畸形、腫瘤及骨病等異常情況。對志愿者進(jìn)行胸腰椎CT掃描，DICOM數(shù)據(jù)存于光盤待用。本研究涉及軟件包括醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics、有限元模型前體處理軟件Hypermesh、有限元處理軟件Abaqus及建模軟件Solidworks。

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

骨性輪廓及內(nèi)固定器械建模：將胸腰椎CT的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)處理軟件Mimics中，根據(jù)CT閾值對髖部的骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動識別，實(shí)驗(yàn)者使用閾值選取、區(qū)域增長、手動填充及擦除、布爾運(yùn)算等方法繪制胸腰椎骨性輪廓。同時利用建模軟件Solidworks繪制骨水泥塊，根據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)臨床經(jīng)驗(yàn)以及納入患者的分組標(biāo)準(zhǔn)(A組<4 mL、B組≥4 mL)進(jìn)行模擬，決定繪制3.5 mL及4.5 mL骨水泥塊，置于T12椎體中部，將所有模型保存?zhèn)溆谩?/p>

材料賦值、邊界約束及載荷施加[3]：將胸腰椎骨性模型及骨水泥塊模型導(dǎo)入HyperMesh軟件，在該軟件中建立materials及properties，其中前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶及橫韌帶等材料屬性見表1。脊柱模型遠(yuǎn)端設(shè)定為無移動、無旋轉(zhuǎn)，以模擬患者站立位時的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)Orthoload數(shù)據(jù)庫(https://orthoload.com)資料，該數(shù)據(jù)庫由Julius Wolff研究所研發(fā)，科研人員將力學(xué)測量裝置植入人工椎體內(nèi)部，經(jīng)過安全評估后經(jīng)過手術(shù)植入人體，測量站立位、行走及各運(yùn)動狀態(tài)下椎體受力情況，其認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)體重66 kg且站立位時椎體受力474 N。本研究中受試者體重70 kg，按照比例將載荷設(shè)定為500 N。

表1 模型的材料屬性

2.2 有限元結(jié)果分析

分析相同運(yùn)動狀態(tài)情況下，高、低骨水泥注入量條件下的T12椎體上下終板受力情況。

3 結(jié)果

3.1 高、低骨水泥注入量與療效的關(guān)系

術(shù)前、術(shù)后72 h、術(shù)后6個月時，兩組患者在椎體前緣高度、椎體中緣高度、Cobb角恢復(fù)方面，組間比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。兩組患者術(shù)后72 h、術(shù)后6個月VAS評分較術(shù)前均明顯改善(P<0.05)；術(shù)前、術(shù)后72 h，VAS評分的組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，術(shù)后6個月時，B組VAS評分明顯高于A組(P<0.05)，見表2。

表2 高、低骨水泥注入患者療效對標(biāo)情況

3.2 高、低骨水泥注入量條件下上下終板受力情況

相同軸向載荷作用下，高骨水泥注入量模型A的應(yīng)力云圖顯示，上下終板均有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)測定上、下終板最大米塞斯應(yīng)力值分別為309 MPa和263 MPa。相比較，低骨水泥注入量模型B在相同條件下應(yīng)力分布相對均勻、并無異常應(yīng)力集中現(xiàn)象。上、下終板最大米塞斯應(yīng)力值分別為99 MPa和67 MPa。

4 討論

4.1 骨水泥注入量與療效的相關(guān)性

骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折是困擾老年人的常見疾病，保守治療需長期臥床，容易引起墜積性肺炎、壓瘡等并發(fā)癥。傳統(tǒng)開放性手術(shù)恢復(fù)慢、創(chuàng)傷大[4]。PKP手術(shù)切口小、允許早期下地功能鍛煉、止痛效果佳，已成為公認(rèn)的首選治療方案[5]。

目前PKP術(shù)中最優(yōu)骨水泥注入量尚未形成共識。Lu等[6]提出骨水泥注入量與PKP術(shù)后患者的疼痛緩解程度并無明顯關(guān)聯(lián)。有學(xué)者指出，疼痛多由于骨折椎體形態(tài)變化刺激疼痛感受器及肌肉受力異常所致，術(shù)中骨水泥釋放的熱量可對椎體內(nèi)部疼痛感受器予以破壞，他們推測骨水泥注入量與疼痛緩解程度并無直接關(guān)聯(lián)[7]。本研究顯示，術(shù)后6個月的隨訪過程中，高骨水泥注入量患者VAS評分明顯高于低注入量組，與上述學(xué)者的研究結(jié)果差別較大。深究其原因，主要為胸腰椎為脊柱形態(tài)與力學(xué)交界處，尤其是骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的椎體多為楔形變，當(dāng)患者進(jìn)行功能鍛煉時，脊柱后凸畸形可引起椎體后方韌帶及椎旁肌肉痙攣、緊張，從而引起疼痛。PKP術(shù)中經(jīng)球囊擴(kuò)張，可有效恢復(fù)椎體前、中緣椎體高度，糾正Cobb角畸形，從而緩解軟組織緊張，據(jù)此可有效解釋術(shù)后72 h和術(shù)后6個月疼痛評分較術(shù)前均有明顯緩解。但是骨水泥高注入量患者術(shù)后椎體強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中增加，遠(yuǎn)期甚至可造成鄰近椎體退變加速，因此骨水泥高注入量患者VAS評分高于低注入量組。

4.2 骨水泥注入量與椎體強(qiáng)度的關(guān)系

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為PKP能夠恢復(fù)椎體的力學(xué)性能，但是對骨水泥的注入量仍有爭議，適量的骨水泥能夠避免椎體再骨折，但是過量注入會使得椎體強(qiáng)度過高，加速鄰近椎體病變，因此骨水泥注入量對病變椎體生物力學(xué)性能的作用始終是研究熱點(diǎn)[7]。Wang等[8]通過脊柱標(biāo)本力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，PKP術(shù)后鄰近椎體的極限強(qiáng)度下降約20%，外力作用下，鄰近椎體再次發(fā)生壓縮性骨折的概率明顯增加。Li等[9]指出，PKP術(shù)中不應(yīng)過分強(qiáng)調(diào)骨水泥的充分彌散，只需達(dá)到病變椎體體積的14%即可達(dá)到止痛及恢復(fù)椎體力學(xué)性能的要求。

本研究通過有限元分析證實(shí)，隨著骨水泥注入量的增加，病變椎體上下終板的異常應(yīng)力集中點(diǎn)明顯增加，經(jīng)測定上、下終板最大米塞斯應(yīng)力值分別為309 MPa和263 MPa。與低注入量患者相比，最大米塞斯應(yīng)力超出300%。同時，低注入量椎體上下終板的應(yīng)力分布相對均勻，可以推測低注入量的生物力學(xué)性能更佳。唐勇濤等[10]同樣利用有限元技術(shù)發(fā)現(xiàn)，PKP術(shù)中只需少量的骨水泥即可影響椎體的抵抗軸向壓縮的能力，如果過高的骨水泥注入量會導(dǎo)致椎體彈性勢能下降，過量的載荷沿脊柱縱軸完全傳遞，使得鄰近椎體的載荷分布改變，嚴(yán)重者會引起二次骨折，與本研究的結(jié)果基本吻合。

本研究同樣具備幾點(diǎn)不足：①研究中力學(xué)加載工況設(shè)定為靜態(tài)加載，與真實(shí)生活中日常動作往往具有動態(tài)屬性的情況存在一定差距。②研究中力學(xué)模擬僅進(jìn)行單次加載，尚未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，無法對脊柱-骨水泥裝配體的遠(yuǎn)期力學(xué)情況進(jìn)行預(yù)測。③本研究為單中心研究，納入患者僅為同地區(qū)骨質(zhì)疏松性胸腰椎壓縮性骨折患者，普遍性較差。今后將納入多中心數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘并分析PKP的臨床療效。

綜上所述，PKP治療胸腰椎壓縮性骨折可有效緩解疼痛、恢復(fù)脊柱形態(tài)，但是骨水泥注入量與療效無明顯相關(guān)性。增加骨水泥注入量會導(dǎo)致椎體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而加速椎體退變。