李安明，史國號(hào)，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(xué)第二附屬醫(yī)院骨科，陜西咸陽 712000；3.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨病科，陜西咸陽 712000)

伴隨著我國進(jìn)入老齡化社會(huì)，骨質(zhì)疏松的發(fā)病率逐漸升高，成為困擾老年人的一個(gè)健康問題，該病系多方面因素導(dǎo)致單位體積內(nèi)骨密度和骨量降低，而低骨量和微結(jié)構(gòu)的破壞造成骨脆性增加，最終導(dǎo)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(yán)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(shù)(percutaneous vertebroplasty，PVP)是治療OVCF的主要手段之一，可以穩(wěn)固骨折，恢復(fù)椎體力學(xué)特性，阻止椎體壓縮骨折發(fā)展和緩解疼痛，使患者短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。但隨著PVP在臨床的廣泛應(yīng)用，椎體成形術(shù)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(xué)者的關(guān)注及深入研究[8-10]。本研究以CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(shí))對(duì)相鄰椎體應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)：(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(cè)穿刺行PVP治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)腰背部合并其他病理性骨折或有感染可能者；(2)伴嚴(yán)重內(nèi)科疾病不能完成手術(shù)者；(3)椎體骨折伴脊髓損傷或神經(jīng)癥狀者；(4)對(duì)骨水泥過敏者。所有患者均完善各項(xiàng)術(shù)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(píng)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(guān)內(nèi)容并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1手術(shù)方法

患者取俯臥位，雙上肢置于頭部兩側(cè)，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(biāo)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(shí)停止注射。待骨水泥干燥后拔除所有導(dǎo)管并按壓切口，觀察10 min若無異常狀況，敷料包扎切口。術(shù)后復(fù)查并記錄手術(shù)前后癥狀指標(biāo)、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(fù)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(guān)聯(lián)，精準(zhǔn)定位患者真實(shí)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(jié)構(gòu)，運(yùn)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(shí)體模型；B：三維有限元模型。

1.2.3試驗(yàn)分組

在脊柱腰段OVCF有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行椎體成形術(shù)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(fù)椎體高度，模型生成跨越椎體冠狀位中線兩側(cè)的彌散分布狀態(tài)，即椎體成形術(shù)后的實(shí)體模型，以此模型為A組(即常規(guī)劑量組，雙側(cè)分布，n=10)；另設(shè)2個(gè)對(duì)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(cè)(即常規(guī)劑量組，單側(cè)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(cè)分布)。對(duì)各組術(shù)后骨水泥量和骨水泥分布范圍做對(duì)比研究，以確定單一因素對(duì)應(yīng)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(yīng)力的改變情況，即“面-面”接觸)。研究顯示，人體脊柱承擔(dān)約2/3的體重，去除脊柱周圍組織對(duì)重力分擔(dān)的影響，認(rèn)為人體在無負(fù)重豎直站立時(shí)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(jié)合以往研究，本次研究選擇對(duì)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(yīng)力的改變及分布情況。

1.2.4觀察指標(biāo)

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

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 各組有限元模型的設(shè)計(jì)

建立A、B、C組的有限元模型，且都滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，見圖3。

A：A組；B：B組；C：C組。

2.2 不同骨水泥劑量時(shí)相鄰椎體終板最大應(yīng)力比較

以A組、C組患者為觀察對(duì)象(雙側(cè)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(yīng)力分布情況。術(shù)前腰1椎體下終板應(yīng)力為(4.08±0.55)Mpa，A組形成雙側(cè)彌散骨水泥后，應(yīng)力減小為(2.58±0.44)Mpa，C組減小為(2.93±0.56)Mpa，均較術(shù)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(shù)前腰3椎體上終板應(yīng)力為(4.99±0.70)Mpa，A組形成雙側(cè)彌散骨水泥后，應(yīng)力增加為(5.23±0.98)Mpa，C組則增加至(5.45±1.00)Mpa，均較術(shù)前明顯增加(P<0.05)，見表1。

表1 不同骨水泥劑量時(shí)相鄰椎體終板最大應(yīng)力比較

2.3 骨水泥單側(cè)、雙側(cè)分布時(shí)相鄰椎體終板最大應(yīng)力比較

以A組、B組患者為觀察對(duì)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(shí)腰1椎體下終板及腰3椎體上終板的最大應(yīng)力分布情況。術(shù)前腰1椎體下終板應(yīng)力為(4.08±0.55)Mpa，術(shù)后A組腰1椎體下終板應(yīng)力為(2.58±0.44)Mpa，B組則為(3.03±0.49)Mpa，均較術(shù)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(shù)前腰3椎體上終板應(yīng)力為(4.99±0.70)Mpa，術(shù)后A組腰3椎體上終板應(yīng)力為(5.23±0.98)Mpa，B組則為(5.25±0.67)Mpa，均較術(shù)前明顯增加(P<0.05)，見表2。

表2 骨水泥單側(cè)、雙側(cè)分布時(shí)相鄰椎體終板最大應(yīng)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(shù)式，其短期止痛效果及固定功能得到醫(yī)學(xué)界的廣泛認(rèn)可，患者術(shù)后腰背部疼痛、生活質(zhì)量和活動(dòng)能力可在短期內(nèi)得到明顯改善[14-15]。椎體成形術(shù)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(qiáng)化，使垂直方向上部分壓力由骨水泥承載，應(yīng)力在傷椎中被重新分布，傷椎的骨松質(zhì)承受力也就相對(duì)減少，疏松椎體整體可以承受更大的壓力，這是力學(xué)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(dǎo)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(qiáng)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(bǔ)和強(qiáng)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(jì)算。該方法用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過對(duì)有限個(gè)單元作分片函數(shù)，求解各種力學(xué)、物理問題[18]，在生物力學(xué)研究中具有優(yōu)勢，可對(duì)不同狀態(tài)下脊柱進(jìn)行應(yīng)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(duì)相鄰椎體生物力學(xué)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(yīng)力的分布與集中部位已有所不同，應(yīng)力趨向于椎體前緣及椎弓根處，最終計(jì)算后的最大應(yīng)力值也顯示，大劑量(C組)骨水泥造成的最大應(yīng)力大于常規(guī)劑量(A組)，產(chǎn)生了更為不利的影響。另外對(duì)于PVP，骨水泥滲漏是一個(gè)很重要的危險(xiǎn)信號(hào)，而這是大劑量注入骨水泥時(shí)發(fā)生率很高的并發(fā)癥，可能導(dǎo)致鄰近椎體繼發(fā)性骨折，且已被研究者報(bào)道[19]。另有研究對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩組對(duì)疼痛的緩解程度無明顯差異，即小劑量骨水泥即可達(dá)到治療效果[20]。另外，椎體成形術(shù)中骨水泥的擴(kuò)散范圍在達(dá)到椎體冠狀位中心位置時(shí)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(fù)傷椎強(qiáng)度，4～6 mL骨水泥可恢復(fù)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(gè)體化制訂，但在保證臨床療效的前提下應(yīng)首選小劑量注射，對(duì)減少術(shù)中及潛在的遠(yuǎn)期并發(fā)癥都有良好意義。

就骨水泥彌散范圍而言，雙側(cè)彌散的骨水泥對(duì)應(yīng)力平衡所產(chǎn)生的影響略優(yōu)于單側(cè)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(yīng)力均明顯減少，可能與椎體高度的恢復(fù)和傷椎剛度、強(qiáng)度的增強(qiáng)有關(guān)。但對(duì)于下位椎體而言，無論劑量與彌散范圍的異常，都會(huì)對(duì)下位椎體終板產(chǎn)生增大應(yīng)力的效果，這可能是導(dǎo)致鄰近椎體發(fā)生繼發(fā)性骨折的力學(xué)因素之一。在相同劑量骨水泥下的單、雙側(cè)不同的彌散范圍時(shí)(A、B組)，經(jīng)有限元分析后可以看出應(yīng)力的分布與集中部位已經(jīng)改變，高應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大，最終計(jì)算后的最大應(yīng)力也顯示，單側(cè)彌散時(shí)造成的變化程度及應(yīng)力最大值均大于雙側(cè)彌散時(shí)，應(yīng)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(xué)平衡已經(jīng)發(fā)生了改變，力學(xué)固定方面主要依靠恢復(fù)傷椎高度，以及恢復(fù)原有受力角度及方向。而患者接受微創(chuàng)椎體成形術(shù)后，骨水泥的注入量及彌散范圍都應(yīng)處于一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶?，治療范圍?nèi)的骨水泥都將會(huì)對(duì)相鄰椎體的應(yīng)力平衡產(chǎn)生影響，這可能是椎體成形術(shù)后無法完全規(guī)避的一項(xiàng)不良反應(yīng)。