定量骨水泥在椎体中的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响：有限元分析

陈柏龄，林 焘，谢登辉，张美超，崔昊文

椎体强化技术以经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）和经皮后凸成形术（percutaneous kyphoplasty，PKP）为代表，是当前治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折最常用的脊柱微创手术。该技术通过向压缩骨折椎体内注入一定量的骨水泥，起到迅速止痛、有效改善骨折椎体生物力学性能的作用，PKP在一定程度上还可恢复塌陷椎体高度，改善脊柱后凸畸形[1-3]。关于骨水泥注射量，普遍认为其填充量占椎体体积的10%～15%较为理想[4-8]，可有效恢复椎体的刚度。但当骨水泥定量时，其在椎体中如何分布才能使椎体获得最佳的力学性能，目前尚无定论。本实验拟建立L1椎体的骨质疏松有限元模型，并模拟椎体强化技术，探讨定量骨水泥在椎体内的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响，旨在为提高椎体强化技术的临床效果提供一定的实验参考数据。

1 资料与方法

1.1 单节椎体有限元模型的建立

选取成年女性脊柱标本1具（南方医科大学解剖学教研室提供），既往无腰椎疾病相关病史，行X线片检查以排除可见的脊椎病变及损害。采用64排螺旋CT机（Somatom Plu-64层，德国西门子公司），对腰1（L1）椎体以0.5 mm为间隔，沿轴向进行连续断层扫描。数据以DICOM格式保存，导入MIMICS 10.0中，对L1椎体进行区域划分、空洞填充、区域增长等操作，模拟建立该椎体的正常骨性结构三维模型，以STL格式储存备用。将L1椎体STL格式文件分别导入逆向工程软件Geomagic studio 11中，通过松弛、光滑等处理获得较好的三维模型，再通过STL文件导回MIMICS 10.0中，使用Remesh工具对模型的三角面片进行加工处理，获得较好的面网格模型，以LIS格式文件导入有限元分析软件ANSYS中，使用FVMESH的方法进行体网格划分，根据CT灰度值分布赋予材料属性。

1.2 骨质疏松性椎体模型的建立

由于临床上椎体压缩性骨折常见于骨质疏松症患者，故本研究的椎体材料性质参照Polikeit等[9]和Zhang等[10]的研究做如下改变：骨性结构的弹性模量均减少，其中松质骨减少至正常的66%，皮质骨、终板和后部结构减少至正常的33%，其他结构保持不变（表1）。

1.3 骨水泥填充模型

利用有限元软件模拟椎体强化手术，改变部分松质骨单元的材料性质为聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）骨水泥的材料性质（骨水泥弹性模量为3000 MPa，泊松比为0.41[9]）。根据我们的前期研究[5-6]，以椎体体积的10%为骨水泥注射量（约4.5 mL），而双侧强化时则在椎体两侧分别注射椎体体积10%的骨水泥（总体积约为9 mL）。

将一侧椎体平均划分为4等份（图1），根据骨水泥量及分布分为5组（图2）。其中A～D组骨水泥体积固定不变（约4.5 mL），骨水泥局限于椎体一侧为A组（uni-pedicular augmentation，UA），骨水泥集中于椎体中央、对称分布于椎体双侧的1/4为B组（middle augmentation 1/4，MA 1/4），骨水泥位于椎体中间、对称弥散分布于椎体双侧的1/2为C组（middle augmentation 1/2，MA 1/2），骨水泥位于椎体中间、对称弥散分布于椎体双侧的3/4为D组（middle augmentation 3/4，MA 3/4）；双侧骨水泥强化、骨水泥分别位于椎体两侧为E组（bi-pedicular augmentation，BA），总体积约为9 mL。

1.4 生物力学测试有限元分析

以对椎体上表面轴向压缩时测出的刚度值为椎体的整体刚度。L1椎体有限元分析模型轴向压缩测试分别在骨质疏松性椎体模型建立后（骨水泥强化前）和骨水泥强化后2个时相完成。加载条件为1000 N，刚度值为椎体出现破坏形变之前的力-位移曲线的斜率[11]。记录骨水泥强化前后L1椎体的整体刚度。

1.5 统计学方法

应用SPSS 13.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差（±s）表示。各组椎体刚度的比较使用单因素方差分析，如果差异有统计学意义，则采用LSD-t检验进行组间两两比较。强化前后比较采用配对t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

A～E组椎体骨水泥强化术后的骨水泥分布见图2，各组椎体骨水泥强化前后的整体刚度值见表2。各组椎体骨水泥强化前整体刚度值比较，差异均无统计学意义（P＞0.05，图3A）。各组椎体骨水泥强化后的整体刚度均显著高于骨水泥强化前（P＜0.05）。骨水泥强化后，各组椎体整体刚度的差异有统计学意义（P＜0.05，图3B）。其中，E组（双侧骨水泥强化）椎体整体刚度显著高于A、C和D组（P＜0.05），B组与E组的整体刚度差异无统计学意义（P＞0.05）。B组椎体整体刚度值分别比A、C和D组高出33.9%，27.2%和34.1%（P＜0.05），而A、C和D组之间整体刚度值的差异无统计学意义（P＞0.05，图3B）。

表1 L1骨质疏松性模型的材料特性

图1 椎体划分示意图

图2 L1骨质疏松性椎体骨水泥强化示意图

3 讨论

3.1 骨水泥填充量对改善椎体生物力学的影响

本实验中我们选择以椎体刚度值作为评价椎体的生物力学指标，原因是刚度能反映轴向载荷下的抵抗变形能力，是椎体生物力学性能的重要指标[12-13]。

关于骨水泥的注射量，有学者认为，过大剂量的骨水泥填充易造成椎体刚度和弹性模量过大，使得邻近椎体骨折发生率升高[4]；同时，灌注量过多亦增加了骨水泥渗漏的发生风险，严重者将引发灾难性并发症。但如果骨水泥填充量不足，也无法达到改善椎体力学性能的目的，因此适量的骨水泥填充是最佳选择。

表2 各组椎体骨水泥强化前后的整体刚度值比较（N/mm，±s）

表2 各组椎体骨水泥强化前后的整体刚度值比较（N/mm，±s）

组别A组B组C组D组E组F值P值骨水泥强化前534±55523±41529±47532±55537±430.0410.990骨水泥强化后709±22949±57746±34707±23950±5926.9380.001 t值－5.081－10.530－6.491－5.054－9.827 P值0.0070.0010.0030.0070.001

图3 骨水泥强化前后各组间椎体整体刚度比较

Liebschner等[4]建立了椎体有限元模型，指出骨水泥填充量＜椎体体积的15%即可将椎体刚度恢复至伤前水平；我们的前期研究结果亦表明，骨水泥填充量在椎体体积的10%～20%范围内，患者椎体刚度均可显著恢复[6]；Molly等[11]通过力学研究发现，要恢复伤椎的刚度，胸椎仅需要2 mL，胸腰椎、腰椎则分别需要4、8 mL骨水泥。综合国内外诸多研究，颇为统一的观点是骨水泥填充量占椎体体积的10%～15%时椎体刚度恢复较为理想[4-7]。

3.2 骨水泥分布对改善椎体生物力学的影响

近10余年来，随着椎体强化技术的广泛开展，骨水泥分布对椎体生物力学影响的相关研究受到学者们的关注。Liebschner等[4]的体外力学实验显示，椎体内双侧对称的骨水泥分布较局限在单侧的骨水泥分布能获得更好的刚度恢复；Chevalier等[14]应用有限元分析研究PVP术后骨水泥分布对椎体力学的影响，结果提示，若骨水泥均匀分布于整个椎体上下终板之间，其刚度和强度可分别增加8倍和11倍，若骨水泥的分布只靠近椎体的一侧终板，其刚度仅增加1～2倍，强度则几乎不增加；Steens等[15]的研究亦证实骨水泥填充于上下终板之间更有利于椎体刚度的恢复。而至于单侧和双侧填充，Tohmeh等[16]的体外力学实验结果表明，单侧骨水泥填充在重建伤椎刚度和强度方面与双侧填充并无显著的差异。笔者的前期研究结果显示，当单侧PKP骨水泥填充越过中线时，椎体力学性能将得到平衡强化，可降低术后椎体力学偏转和非穿刺侧再发楔形骨折的风险[5-7]。可见，骨水泥在椎体中的不同位置和分布对椎体生物力学性能产生重要影响。

3.3 定量骨水泥在椎体中的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响

如前所述，椎体生物力学性能受骨水泥填充量及其在椎体中的分布的影响，但当骨水泥的注射量固定时，其在椎体中的不同分布与骨质疏松椎体整体刚度的改善程度有何关系，目前尚未清楚，也未见相关的文献报道。本研究通过探讨定量骨水泥在椎体内的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响，试图寻求骨水泥注射量一定时骨水泥注射和分布的最佳位置，以提高椎体强化术的治疗效果。

本实验结果显示：B组（骨水泥集中于椎体中央）增加的整体刚度值与E组（双侧椎体骨水泥填充，骨水泥量为其他组的2倍）无明显差异，显著高于A组（骨水泥局限于一侧）、C组（骨水泥位于椎体中间、对称弥散分布于椎体双侧的1/2）和D组（骨水泥位于椎体中间、对称弥散分布于椎体双侧的3/4）。也就是说，当骨水泥的注射量固定时，其集中分布于椎体中央更有利于提高骨质疏松椎体的整体刚度，推测原因可能与脊柱的重力线通过椎体的中央相关[14]。

与Chevalier等[14]和Steens等[15]的研究相比，本实验的优点在于我们关注了骨水泥的定量情况，需知在临床椎体强化手术中预设一定的骨水泥注射量是普遍现象，因此本研究具有临床实际意义。

但本研究为有限元分析，其中对骨水泥在椎体内形状及分布的研究存在一定的主观因素；实际临床中骨水泥在椎体中的位置分布与本实验的模拟模型也存在一定差异。因此，研究定量骨水泥在椎体中的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响，尚需未来在更高质量的体外实验或临床试验中作进一步的深入探索。

综上所述，当骨水泥定量时，集中于椎体中央的骨水泥分布，比局限于单侧椎体或均衡弥散于两侧的骨水泥分布对骨质疏松椎体整体刚度的改善程度更强。此研究结果可为临床中行椎体强化技术时提供一定的参考。

[1]Boonen S,Van Meirhaeghe J,Bastian L,et al.Balloon kyphoplasty for the treatment of acute vertebral compression fractures:2-year results from a randomized trial[J].J Bone Miner Res,2011,26(7):1627-1637.

[2]Klazen CA,Lohle PN,de Vries J,et al.Vertebroplasty versus conservative treatment in acute osteoporotic vertebral compression fractures(Vertos II):an open-label randomised trial[J].Lancet,2010,376(9746):1085-1092.

[3]Wardlaw D,Cummings SR,Van Meirhaeghe J,et al.Efficacy and safety of balloon kyphoplasty compared with non-surgical care for vertebral compression fracture(FREE):a randomised controlled trial[J].Lancet,2009,373(9668):1016-1024.

[4]Liebschner MA,Rosenberg WS,Keaveny TM.Effects of bone cement volume and distribution on vertebral stiffness after vertebroplasty[J].Spine,2001,26(14):1547-1554.

[5]陈柏龄,谢登辉,黎艺强,等.单侧PKP骨水泥注射过中线分布对压缩性骨折椎体两侧刚度的影响[J].中国脊柱脊髓杂志,2011,21(2):118-121.

[6]陈柏龄,黎艺强,谢登辉,等.单侧与双侧椎体后凸成形术对椎体刚度和力学平衡影响的对比研究[J].中华创伤骨科杂志,2011,13(3):251-255.

[7]Chen B,Li Y,Xie D,et al.Comparison of unipedicular and bipedicular kyphoplasty on the stiffness and biomechanical balance of compression fractured vertebrae[J].Eur Spine J,2011,20(8):1272-1280.

[8]Jin YJ,Yoon SH,Park KW,et al.The volumetric analysis of cement in vertebroplasty:relationship with clinical outcome and complications[J].Spine,2011,36(12):E761-E772.

[9]Polikeit A,Nolte LP,Ferguson SJ.The effect of cement augmentation on the load transfer in an osteoporotic functional spinal unit:finite-element analysis[J].Spine,2003,28(10):991-996.

[10]Zhang L,Yang G,Wu L,et al.The biomechanical effects of osteoporosis vertebral augmentation with cancellous bone granules or bone cement on treated and adjacent non-treated vertebralbodies:a finite elementevaluation [J].Clin Biomech,2010,25(2):166-172.

[11]Molloy S,Mathis JM,Belkoff SM.The effect of vertebral body percentage fill on mechanical behavior during percutaneous vertebroplasty [J]. Spine, 2003, 28(14):1549-1554.

[12]Fyhrie DP,Vashishth D.Bone stiffness predicts strength similarly for human vertebral cancellous bone in compression and for cortical bone in tension[J].Bone,2000,26(2):169-173.

[13]Kim MJ,Lindsey DP,Hannibal M,et al.Vertebroplasty versus kyphoplasty:biomechanical behavior under repetitive loading conditions[J].Spine,2006,31(18):2079-2084.

[14]Chevalier Y,Pahr D,Charlebois M,et al.Cement distribution,volume,and compliance in vertebroplasty:some answers from an anatomy-based nonlinear finite element study[J].Spine,2008,33(16):1722-1730.

[15]Steens J,Verdonschot N,Aalsma AM,et al.The influence of endplate-to-endplate cement augmentation on vertebral strength and stiffness in vertebroplasty[J].Spine,2007,32(15):E419-E422.

[16]Tohmeh AG,Mathis JM,Fenton DC,et al.Biomechanical efficacy of unipedicular versus bipedicular vertebroplasty for the management of osteoporotic compression fractures[J].Spine,1999,24(17):1772-1776.