趙 研,宋啟春,李 東,劉兆盈,張廣陽(yáng),張三朋，樊立宏,時(shí)志斌,黨曉謙

1.西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨一科，西安 710004; 2.西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，西安 710049; 3.西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院手術(shù)室，西安 710004

椎體壓縮性骨折(vertebral compression fractures，VCF)是老年人主要的健康問(wèn)題之一。目前經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(percutaneous kyphoplasty,PKP)已廣泛用于骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折(osteoporotic vertebral compression fractures,OVCF)患者的治療，可以在很大程度上減輕疼痛，恢復(fù)失去的椎體高度，并改善生活質(zhì)量[1-2]。然而隨著PKP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其所帶來(lái)的鄰近椎體骨折風(fēng)險(xiǎn)增高、強(qiáng)化椎體再次塌陷和經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高等問(wèn)題逐漸引起人們的關(guān)注[3-4]。因此如何更加高效地應(yīng)用PKP治療OVCF，以減輕患者痛苦、獲得更好的生存質(zhì)量并減少?lài)?guó)家醫(yī)保經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)是研究的重點(diǎn)所在。隨著科學(xué)的發(fā)展，有限元分析法成為研究脊椎力學(xué)行為的重要手段之一。有限元分析作為計(jì)算力學(xué)的重要研究手段，具有成本低、重復(fù)性好的特點(diǎn)，是一種有效、準(zhǔn)確和低成本的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析方法，目前已廣泛應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)研究中。已證實(shí)利用脊柱有限元模型可以有效地從生物力學(xué)領(lǐng)域評(píng)估脊柱損傷情況[5]。目前有限元分析已經(jīng)是研究人體生物力學(xué)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于頸椎、腰椎、關(guān)節(jié)等方向[6-7]。因此，本研究通過(guò)建立L2～L4椎體的三維有限元模型，設(shè)定L3為骨折椎體并注入理想的骨水泥形態(tài)后，模擬腰椎在壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究PKP骨水泥不同分布對(duì)損傷椎體及鄰近椎體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。旨在闡明PKP術(shù)后不同骨水泥分布對(duì)于椎體的結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特性差異，為外科醫(yī)師有效地進(jìn)行手術(shù)并盡可能多地減少并發(fā)癥提供理論依據(jù)。

材料與方法

1 一般資料

本研究為回顧性研究。2018年9月—2020年11月51例MRI診斷的符合以下標(biāo)準(zhǔn)的單節(jié)段OVCF患者被納入本研究。根據(jù)術(shù)后1d X線片，將患者分為骨水泥連接組和骨水泥未連接組。對(duì)于X線片難以確定的患者，則通過(guò)薄層CT掃描來(lái)確定(圖1)。連接組：X線正位片和側(cè)位片顯示兩側(cè)骨水泥連接。未連接組：X線正位片或側(cè)位片顯示兩側(cè)骨水泥未連接。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)單節(jié)段OVCF；(2)15%<塌陷<60%；(3)2周<癥狀持續(xù)時(shí)間<3個(gè)月；(4)視覺(jué)模擬評(píng)分(visual analogue scale,VAS)>5分；(5)骨密度(bone mineral density,BMD)T值<-2.5；(6)60歲<年齡<85歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)一般身體狀況差；(2)骨折由惡性疾病引起；(3)椎弓根或椎體后壁破裂；(4)伴椎管狹窄；(5)伴有下肢癥狀的椎體骨折。在向所有入組患者提供有關(guān)手術(shù)程序的詳細(xì)信息后，均獲得其書(shū)面知情同意。程序均根據(jù)世界醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)的《赫爾辛基宣言》進(jìn)行。 本研究獲西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(2018-121)。

圖1 骨水泥連接組與未連接組的術(shù)后影像學(xué)表現(xiàn)。a、b.連接組正側(cè)位X線片；d、e.未連接組正側(cè)位X線片；c、f.連接組和未連接組CT

2 建立L2～L4椎體的三維模型并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分

選取1位女性健康老年志愿者，64歲，身高160cm，體質(zhì)量62kg，既往身體健康，無(wú)脊柱相關(guān)性疾病及創(chuàng)傷史，腰椎X線正側(cè)位片和CT預(yù)掃描排除脊柱腰段的器質(zhì)性病變。試驗(yàn)前將相關(guān)內(nèi)容告知志愿者，并征得其同意。志愿者在仰臥位下行螺旋CT掃描(美國(guó)GE公司，Light Speed 16排螺旋CT機(jī))，共獲得316張連續(xù)橫斷面CT圖像，以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入Mimics軟件，建立L2～L4骨性結(jié)構(gòu)的三維模型。以彈簧單元模擬前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶等主要韌帶，韌帶與皮質(zhì)骨等材料屬性和力學(xué)特性見(jiàn)表1。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和終板的彈性模量比正常骨的彈性模量低，代表骨質(zhì)疏松的骨狀況，降低這些模量會(huì)導(dǎo)致整體壓縮剛度降低，從而使椎體更容易發(fā)生壓縮性骨折[8]。

表1 模型建模及材料參數(shù)

導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件進(jìn)行生物力學(xué)分析，終板、關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤(pán)劃分為1mm的網(wǎng)格，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨水泥劃分為3mm的網(wǎng)格。同時(shí)設(shè)定終板與椎體、終板與椎間盤(pán)、關(guān)節(jié)軟骨與骨骼之間的連接定義為綁定，關(guān)節(jié)軟骨與關(guān)節(jié)軟骨之間的連接定義為無(wú)摩擦。

3 有限元模型的測(cè)量

設(shè)定L3椎體為骨折椎體，兩組均注入4mL骨水泥，其中連接組骨水泥位于椎體中央，未連接組骨水泥位于椎體兩側(cè)，同時(shí)兩組骨水泥均與上下終板充分接觸。自L2椎體表面施加500N的預(yù)負(fù)荷，扭矩為7.5N·m，約束L4椎體下終板的自由度，模擬日?；顒?dòng)，提取壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)椎體模型的應(yīng)力云圖。

4 主要觀察指標(biāo)

患者均獲得側(cè)臥位X線片以測(cè)量椎體后凸角改善程度。在側(cè)位X線圖像上，從傷椎上方一級(jí)椎骨的上端板到傷椎下方一級(jí)椎骨的下端板測(cè)量Cobb角。后凸角的改善計(jì)算如下：術(shù)前Cobb角-術(shù)后Cobb角。局灶性背痛的程度通過(guò)VAS進(jìn)行評(píng)估(0分=無(wú)疼痛，10分=最嚴(yán)重疼痛)。VAS改善的計(jì)算方法如下：術(shù)前VAS-術(shù)后VAS。水泥滲漏定義為通過(guò)X線觀察到的任何椎外高信號(hào)的存在。術(shù)后與傷椎相鄰椎體的新發(fā)骨折定義為鄰近椎體骨折。同時(shí)觀察兩組三維有限元模型中骨折椎體及鄰近椎體在各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下不同骨水泥分布的應(yīng)力差。

5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

1 患者一般情況

51例患者中未連接組32例，連接組19例。未連接組男性12例，女性20例；平均年齡(66.1±6.8)歲；平均骨密度T值(-3.6±0.8)。連接組男性9例，女性10例；平均年齡(68.4±8.2)歲；平均骨密度T值(-3.1±0.9)。兩組患者一般資料比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表2。

表2 兩組患者一般資料比較(n)

2 患者術(shù)后結(jié)果比較

兩組患者Cobb角及VAS改善程度差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。兩組手術(shù)時(shí)間及骨水泥注入量比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表3。出現(xiàn)相鄰椎體骨折8例(16%，8/51)，骨水泥滲漏10例(20%,10/51)，末次隨訪時(shí)椎體再壓縮骨折5例(10%，5/51)，兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05)。見(jiàn)表4。

表3 兩組患者手術(shù)結(jié)果比較

表 4 兩組患者并發(fā)癥比較[n (%)]

3 模型生成結(jié)果

組裝生成的L2～L4腰椎骨質(zhì)疏松性椎體模型及L3椎體成形術(shù)后骨水泥分布見(jiàn)圖2。

圖2 L2～L4腰椎有限元模型及骨水泥分布示意圖。a.脊柱三維模型(L2～L4)；b.椎體有限元模型；c.連接組骨水泥位于椎體中央示意圖及未連接組骨水泥位于椎體兩側(cè)示意圖，骨水泥插入L3

4 不同骨水泥分布下的骨折椎體及鄰近椎體應(yīng)力變化

比較兩組椎體模型在壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力云圖(圖3)，在相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，連接組模型的應(yīng)力分布均比未連接組的應(yīng)力分布集中，5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下連接組L3骨折椎體所受應(yīng)力均較未連接組大(P<0.05)；同時(shí)在5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下連接組L2、L4椎體所受平均應(yīng)力均較未連接組大(P<0.05)。見(jiàn)表5。同時(shí)在壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下連接組模型最大應(yīng)力分別為14.5、64.7、63.3、47.7N,未連接組模型所受最大應(yīng)力為14.5、64.6、63.3、47.6N，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；但在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下非連接組模型最大應(yīng)力為18.4N,連接組模型最大應(yīng)力為9.6N。

圖3 L2、L3、 L4應(yīng)力分布云圖。a.骨水泥位于椎體中央的情況下模擬5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)L2、L3、 L4的應(yīng)力云圖；b.骨水泥位于椎體兩側(cè)的情況下模擬5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)L2、L3、 L4的應(yīng)力云圖

表5 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下兩組骨折椎體與相鄰椎體的平均應(yīng)力比較

討 論

椎體壓縮性骨折好發(fā)于脊柱的胸腰段，是骨質(zhì)疏松常見(jiàn)的并發(fā)癥之一，老年人多發(fā)，特別是絕經(jīng)后的婦女人群[9]?；颊卟坏钦鄄课怀掷m(xù)性疼痛，且同時(shí)伴有椎體高度丟失、脊柱不穩(wěn)和脊柱后凸畸形等，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量[10]。PKP中使用的骨水泥由粘性聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethecrylate,PMMA)制成，PMMA的細(xì)胞毒性和發(fā)熱作用一方面通過(guò)破壞骨末梢神經(jīng)緩解疼痛，其次可以通過(guò)增強(qiáng)椎體的穩(wěn)定性來(lái)減少微運(yùn)動(dòng)[11]。但是PMMA具有不可降解性和較高的生物力學(xué)應(yīng)力，這可能導(dǎo)致再塌陷[12]。因此如何減少PKP術(shù)后所帶來(lái)的相鄰椎體骨折風(fēng)險(xiǎn)增高、強(qiáng)化椎體再次塌陷等并發(fā)癥是臨床難點(diǎn)所在。有研究表明過(guò)量注入水泥可能會(huì)引起一些生物力學(xué)變化，少量的水泥和適當(dāng)?shù)乃喾植技纯蛇_(dá)到良好的手術(shù)效果[13-14]。Liebschner等[15]也認(rèn)為大的填充體積可能不是生物力學(xué)上最佳的配置，通過(guò)使用對(duì)稱(chēng)放置的較小水泥體積即可以實(shí)現(xiàn)改善。同時(shí)，最近有幾項(xiàng)研究表明PMMA與上下終板的接觸減少為骨折椎體再次骨折的危險(xiǎn)因素，因此在手術(shù)過(guò)程中控制骨水泥與上下終板充分接觸，可以更好地恢復(fù)椎體強(qiáng)度，保持椎體高度，降低椎體再骨折和長(zhǎng)期疼痛風(fēng)險(xiǎn)[16-17]。

彈性模量是指在彈性變形階段內(nèi)，正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變之比。骨水泥的彈性模量遠(yuǎn)高于皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨，注入骨水泥后椎體的剛度及強(qiáng)度明顯增加，這可能會(huì)導(dǎo)致相鄰椎體的新發(fā)骨折。Kim等[18]認(rèn)為如果骨水泥接觸兩個(gè)終板，那么通過(guò)非骨水泥區(qū)域傳遞的壓力將會(huì)降低。雖然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)(即當(dāng)不同彈性模量的成分并聯(lián)承擔(dān)載荷時(shí)，較高彈性模量的成分承擔(dān)較多的載荷，對(duì)低彈性模量的成分起到應(yīng)力遮擋作用),但由于壓力過(guò)高引起的非骨水泥區(qū)塌陷會(huì)減少。這些發(fā)現(xiàn)支持了負(fù)荷分擔(dān)的基本思想。

本研究的目的是評(píng)估在雙側(cè)PKP手術(shù)中雙側(cè)骨水泥不同分布形態(tài)和手術(shù)結(jié)局及術(shù)后并發(fā)癥的關(guān)系，共有51例患者最終納入研究。兩組患者手術(shù)前后Cobb角及VAS改善程度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。但兩組患者骨水泥滲漏、傷椎再骨折及相鄰椎體骨折的風(fēng)險(xiǎn)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。因此本研究通過(guò)構(gòu)建L2～L4椎體的三維模型，并在骨水泥理想分布形態(tài)下分別模擬兩組PKP術(shù)后三維有限元椎體模型的壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)5種運(yùn)動(dòng)狀況。筆者發(fā)現(xiàn)在相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，連接組模型骨折椎體及相鄰椎體的應(yīng)力分布均比未連接組模型集中，且連接組骨折椎體及相鄰椎體平均應(yīng)力均大于未連接組，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。但是在測(cè)定最大應(yīng)力時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)在壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下兩組模型的最大應(yīng)力較為接近，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；但旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下未連接組模型最大應(yīng)力18.4N遠(yuǎn)大于連接組模型的9.6N,推測(cè)可能是由于未連接組骨水泥位于兩側(cè)，使椎體兩側(cè)的剛度及強(qiáng)度明顯增加，產(chǎn)生應(yīng)力遮擋作用，彈性模量的高成分承擔(dān)了較多的載荷，這可能會(huì)使椎體所受最大應(yīng)力較骨水泥位于椎體中央時(shí)的最大壓力增高，但整體而言會(huì)使骨折椎體及相鄰椎體所受平均應(yīng)力減小。以上結(jié)果均提示在實(shí)施雙側(cè)PKP時(shí)，連接雙側(cè)骨水泥會(huì)導(dǎo)致原骨折椎體和相鄰椎體的應(yīng)力增加，從而提高復(fù)發(fā)性椎體骨折的風(fēng)險(xiǎn)。因此在臨床手術(shù)中，如想盡可能避免原骨折椎體再次骨折及鄰近椎體新發(fā)骨折，應(yīng)盡可能使雙側(cè)骨水泥分別位于椎體兩側(cè)，不產(chǎn)生連接，那么通過(guò)非骨水泥區(qū)域傳遞的壓力將會(huì)降底，從而會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，進(jìn)一步降低椎體再骨折的風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到更好的手術(shù)效果。

在骨生物力學(xué)研究中，有限元方法也可對(duì)人體骨骼、肌肉和韌帶等組織進(jìn)行仿真分析，特別是在載荷作用下骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析方面，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生物力學(xué)手段的不足，進(jìn)一步加深了人們對(duì)脊柱生物力學(xué)行為的認(rèn)識(shí),具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[19-20]。一項(xiàng)生物力學(xué)研究顯示，隨著椎體載荷的不斷增加，椎體塌陷的最大點(diǎn)總是位于椎體中心，并且通常在上終板的中心最強(qiáng)[21]。本研究中，筆者通過(guò)模擬骨水泥與終板充分接觸，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)骨水泥分別對(duì)稱(chēng)分布于椎體的兩側(cè)，骨折椎體及相鄰椎體所受的平均應(yīng)力較小，因此筆者推測(cè)骨水泥分布于椎體兩側(cè)可能會(huì)導(dǎo)致椎體所承受的壓力通過(guò)兩側(cè)骨水泥向下腰椎傳導(dǎo)，從而減少中心區(qū)域的壓力，保護(hù)終板中心薄弱區(qū)，從而可能減少傷椎再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

但是作為一種計(jì)算機(jī)模擬生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，它有其固有的缺點(diǎn)，如排除了軟組織解剖的差異以及脊柱的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等，且本研究簡(jiǎn)化了韌帶的非線性特征，并且排除了皮膚和脂肪的影響。同時(shí)本研究仍有以下不足之處：(1)本研究為一項(xiàng)小樣本的回顧性研究，臨床結(jié)果并沒(méi)有涵蓋廣泛的終末結(jié)果，需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量進(jìn)行單中心或多中心的前瞻性研究，為臨床實(shí)踐提供更有力的證據(jù)；(2)腰椎三維有限元模型未能完全模擬真實(shí)的骨水泥形態(tài)多變分布情況，本研究?jī)H在骨水泥與終板充分接觸的標(biāo)準(zhǔn)分布狀態(tài)下分析應(yīng)力變化；(3)骨質(zhì)疏松多發(fā)生于老年患者，因此無(wú)法避免老年患者骨質(zhì)增生、退行性疾病對(duì)建模及分析的影響，具有一定的局限性；(4)本研究沒(méi)有測(cè)量非鄰近節(jié)段應(yīng)力變化，沒(méi)有進(jìn)行真實(shí)人體標(biāo)本測(cè)量驗(yàn)證，可在下一步研究中予以完善；(5)人體在日常生活中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的椎體及受力情況無(wú)法精準(zhǔn)模擬，僅在理想狀況下進(jìn)行特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的受力分析，這一點(diǎn)具有一定局限性。

本研究通過(guò)對(duì)兩種不同分布骨水泥對(duì)術(shù)后骨折椎體及相鄰椎體的臨床及生物力學(xué)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是否連接雙側(cè)骨水泥，PKP均可改善患者局部Cobb角和疼痛情況，提高生活質(zhì)量。如果PKP術(shù)中骨水泥分布于椎體兩側(cè)，可使骨折椎體及相鄰椎體所受應(yīng)力較小，這可能會(huì)降低骨水泥滲漏率、骨折椎體再次骨折及相鄰椎體新發(fā)骨折的概率，從而獲得更好的臨床效果。

作者貢獻(xiàn)聲明：趙研：數(shù)據(jù)分析、撰寫(xiě)初稿；宋啟春、李東、張三朋：收集數(shù)據(jù)并制作圖表；劉兆盈、張廣陽(yáng)：力學(xué)工作；樊立宏、時(shí)志斌、黨曉謙：設(shè)計(jì)方案、修改草案