经皮弯角椎体成形术后骨水泥分布特征的三维定量研究

任亦龙，曾至立，谢宁，麻彬，朱睿，程黎明，

1.同济大学附属同济医院脊柱外科，上海200065

2.同济大学脊柱脊髓损伤再生修复教育部重点实验室，上海200065

经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）目前已广泛应用于保守治疗无效的骨质疏松性椎体压缩性骨折患者的治疗［1］。与双侧椎弓根穿刺的PVP手术相比，单侧椎弓根穿刺PVP手术减小了手术创伤，减少了术中透视次数，缩短了手术时间［2］。但是，单侧椎弓根穿刺PVP手术往往骨水泥不能越过中线［3-5］，而不均衡的骨水泥分布可能导致术后椎体生物力学性能欠佳，易出现术后疼痛无法缓解、手术节段再塌陷等问题［6-7］。如采用椎弓根外穿刺路径加大内倾，则穿破椎弓根内壁，损伤神经的风险增大［8］。

近年来，同济大学附属同济医院开展了采用弯角椎体成形装置的经皮椎体成形术（percutaneous curved vertebroplasty，PCVP）。该装置不仅具有单侧穿刺椎体成形术的优势：缩短手术时间，减小手术创伤［2］，且其聚醚醚酮的骨水泥输送导管和记忆合金内芯相结合，仅行单侧椎弓根穿刺，就能够在椎体的穿刺侧、椎体中央及对侧进行多点骨水泥注射，改善骨水泥分布，实现双侧穿刺的手术效果［5，9］。但骨水泥实际分布情况并无相关定量观测研究。本文通过二维面积测量及三维建模量化分析的方法观测PCVP术后椎体中骨水泥的分布特点。并可为生物力学建模提供临床数据。

1 材料和方法

1.1 一般资料

2019年4月—2019年10月在同济大学附属同济医院行PCVP手术的患者共计21例22椎。其中男性3例，女性18例，年龄51～86岁，平均（68.6±9.6）岁，所有患者均符合如下纳入标准。（1）年龄＞50岁；（2）有明确的腰背痛，查体可及活动受限，局部压痛及叩痛；（3）骨密度检查明确存在骨质疏松（T值≤-2.5）；（4）X线片检查明确存在椎体压缩改变，CT明确椎体后缘无游离骨折块，无椎弓根及椎板损伤，MRI明确为新鲜单节段骨折，即T1像低信号，T2像及T2脂抑像高信号，不伴有后方韧带复合体损伤。排除标准：（1）严重的心肺功能异常；（2）凝血功能障碍；（3）椎体后缘骨折块侵入椎管；（4）椎弓根骨折、后结构损伤；（5）陈旧性骨折、骨不连；（6）脊髓、神经根损伤。根据《骨质疏松性椎体压缩性骨折的诊疗指南》［10］，楔形骨折12例13椎，双凹状骨折3例3椎，压缩性骨折6例6椎。

1.2 手术方法

术前准备时根据标准正位平片和CT片判断椎弓根大小及有无发育异常，以较大的椎弓根为穿刺侧。如椎弓根大小一致则在术中选择C臂机的对侧作为穿刺侧以避免机器对操作的影响。患者均采用静脉麻醉复合局麻。麻醉成功后，患者取俯卧位，适度按压复位。定位责任节段椎弓根后，以椎弓根的10点或2点作为进针点，采用经椎弓根入路行单侧椎弓根穿刺（图1a）。缓慢进针，当正位透视下穿刺针尖达到椎弓根中心时，侧位透视确认穿刺针尖达到椎弓根前后径的中点（图1b，c）。当正位透视下穿刺针尖达到椎弓根内侧壁时，侧位透视确认穿刺针尖达到椎体后缘（图1d，e）。当侧位透视下穿刺针针尖达到椎体中后1/3时（图1f），取出穿刺针内芯，置入骨水泥输送导管。正位透视下确认输送导管尖端达到穿刺对侧椎弓根影处，侧位透下确认输送导管尖端达到椎体中前1/3处（图1g，h），抽出输送导管内芯，准备骨水泥（OSTEOPAL®V，Heraeus Medical GmbH，Wehrheim，Germany），待骨水泥至拉丝期开始注射。首先在椎体对侧进行骨水泥注射，随后向外抽出输送导管至第一条刻度线（椎体中央）再次注射，最后向外抽出输送导管至第二条刻度线（穿刺侧）注射（图1i，j）。注射过程中骨水泥填充满意，接近椎体后缘时终止手术。如出现向椎管的渗漏则即刻停止手术。

1.3 骨水泥分布面积及体积数据测量

图1 PCVP手术过程a：entry point of cannula tip；b-e：procedure of cannula puncture of PCVP；f：cannula tip at 1/3 of posterior vertebral body；g，h：anteroposterior and lateral fluoroscopy image showing the tip of cement injector at contralateral pedicle，and 1/3 of anterior vertebral body；i，j：cement injection at different sites.Fig.1 Surgical procedure of percutaneous curved vertebroplasty

术后对手术节段进行常规X线片复查。在PACS系统内分别测量标准正位平片上椎体内穿刺侧和对侧的骨水泥分布面积。对手术节段行64排CT薄层扫描（层厚＜1.5 mm），数据以DICOM格式经PACS系统导出后，导入E-3D软件（中南大学，湖南长沙）。经阈值分割及手工逐层修正等图像操作建立椎体及骨水泥三维模型。以顶视图手工分割椎体及椎弓根。以前视图内椎体正中矢状面分割骨水泥模型，分别测量穿刺侧及对侧骨水泥体积，计算两侧骨水泥体积占骨水泥总体积及占椎体总体积的百分比（图2a，b）。以侧视图内椎体正中轴面分割骨水泥模型，分别测量上下方骨水泥体积，计算上下方骨水泥体积占骨水泥总体积及椎体总体积的百分比（图2c，d）。

1.4 统计学分析

所有数据均采用R 3.6统计学软件进行分析处理。连续变量用均数±标准差表示，统计学分析采用配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

图2 3D模型分割示意图a，b 3D model of vertebral body and bone cement segmented by sagittal plane；c，d 3D model of vertebral body and bone cement segmented by axial plane.Fig.2 Schematic diagram of segmentation of 3D model

所有手术均顺利完成，术中未更改手术方案。术后未见水泥不良反应、椎管内骨水泥渗漏、椎管内血肿、神经损伤。术后三维椎体及骨水泥模型确定PCVP术可实现骨水泥在椎体双侧及中央连续分布。骨水泥注入量4.5～7.0 mL，平均（5.8±0.6）mL。穿刺侧骨水泥面积2.19～6.08 cm2，平均（3.87±1.00）cm2；对侧骨水泥面积1.71～6.21 cm2，平均（3.18±1.18）cm2，两侧差异有统计学意义（t=3.44，P＜0.05）。穿刺侧骨水泥体积3 127.1～7 122.5 mm3，平均（4 821.7±1 151.8）mm3；对侧骨水泥体积698.3～6 671.3 mm3，平均（2 982.5±1 207.9）mm3，两侧差异有统计学意义。穿刺侧骨水泥体积占骨水泥总体积百分比47.5%～90.6%，平 均（62.2±10.4）%，对 侧9.3%～52.5%，平均（37.8±10.4）%，两侧差异有统计学意义。穿刺侧骨水泥体积占椎体总体积百分比11.3%～22.1%，平均（16.9±3.1）%；对侧1.2%～20.1%，平均（10.8±4.2）%，两侧差异有统计学意义，见表1。

表1术后椎体正中矢状面分割后穿刺侧与对侧骨水泥体积及占比的比较Tab.1 Comparison of bone cement volume and volume ratio between ipsilateral part and contralateral part segmented by sagittal plane after surgery

上半椎体骨水泥体积1 724.1～6 280.5 mm3，平均（4 242.9±1 165.8）mm3；下半椎体骨水泥体积1 084.4～6 611.2 mm3，平均（3 574.3±1 539.7）mm3，差异无统计学意义。上半椎体骨水泥体积占骨水泥总 体 积百 分比30.8%～83.0%，平 均（55.2±15.1）%；下 半 椎 体17.0%～69.2%，平 均（44.8±15.1）%，差异无统计学意义。上半椎体骨水泥体积占椎体总体积百分比7.6%～22.3%，平均（14.9±3.5）%；下半椎体2.4%～21.1%，平均（12.9±5.6）%，差异无统计学意义，见表2。

表2术后椎体正中轴面分割后上下方骨水泥体积及占比的比较Tab.2 Comparison of bone cement volume and volume ratio between upward part and downward part segmented by axial plane after surgery

3 讨论

骨质疏松性椎体压缩性骨折在老年骨质疏松症患者中较为常见。发病后出现的疼痛及功能障碍，严重影响患者的生活质量［3］。对于保守治疗效果不佳的患者，经皮椎体成形术目前仍是被广泛接受 的 治 疗 方 式［1］。经 皮 椎 体 后 凸 成 形 术（percutaneous kyphoplasty，PKP）相对于PVP术，在恢复压缩椎体高度和后凸角方面具有优势［11］，但在缓解疼痛和改善功能方面的效果大致相仿，骨水泥渗漏和术后再骨折的发生率无明显差异，且手术费用显著高于PVP，故有学者更倾向于采用PVP手术治疗骨质疏松性椎体骨折［12］。

PVP手术可采取单侧或双侧穿刺。与双侧穿刺PVP术相比，单侧穿刺可缩短手术时间，较少透视次数［2］。但是，单侧椎弓根穿刺椎体成形术骨水泥往往难以越过中线［3-5］，其生物力学性能可能较双侧穿刺差［6-7］。如采用如采用椎弓根外穿刺路径加大内倾以改善骨水泥分布，则手术难度相对单侧椎弓根穿刺大，增加了穿刺针侵入椎管，损伤神经的可能性［8］。Chen等［3］测量了单侧穿刺PVP术后伤椎不同CT扫描层面及同一层面不同区域的骨水泥分布面积，发现单侧椎弓根穿刺PVP骨水泥主要分布在穿刺侧，在对侧仅有少量骨水泥分布。Liebschner等［6］通过有限元分析的方法发现，骨水泥的不均衡分布导致单侧载荷的偏移，从而引起压力载荷下的不稳。Liang等［7］则在三维有限元研究中指出，在骨水泥分布不均衡时，松质骨及皮质骨受到的最大等效应力上升，最大位移显著增大，从而更易导致再骨折及术后疼痛无法缓解。也有学者报道，如果单侧椎弓根穿刺PVP术骨水泥分布未能越过中线，则需在对侧再行PVP［13］。对于PCVP这种改良的新术式，缺乏术后骨水泥分布情况的定量分析数据，也无准确的体积数据供进一步的有限元分析或生物力学实验。本研究的结果定量描述了PCVP术后骨水泥的分布特征，并可为生物力学建模提供可参考的临床数据。

PCVP术是近年来新改进的单侧穿刺术式，仅行单侧椎弓根穿刺，就能够在椎体的穿刺侧、椎体中央及对侧进行骨水泥注射，与传统的单侧穿刺PVP术相比，可缩短手术时间，减小手术创伤［5，9］。周权发等［14］对术后CT图像中骨水泥分布面积最大的层面进行平面分区，比较了单侧、双侧穿刺PVP及PCVP的骨水泥分布情况，发现PCVP术后实现骨水泥理想分布的例数及比例与双侧穿刺PVP术无统计学差异，但与单侧穿刺PVP术相比，差异有统计学差异，认为该术式能够优化骨水泥在椎体中的分布，但是缺乏相关的量化研究。因此，在本研究中我们对PCVP术后患者的骨水泥分布采用了二维面积测量及三维建模的方法量化分析，定量观测并描述了PCVP术后骨水泥的分布特征。在本实验中，多数患者进针侧骨水泥体积大于对侧，这可能与骨水泥黏度等因素有关。此外，不同的骨折类型也可能与骨水泥的分布相关。我们将在进一步的工作中进一步细化这部分的研究，如在某一特定的骨折类型下观察骨水泥的分布情况，以及不同骨水泥黏度等因素对骨水泥分布的影响，以期提供更为可靠的临床数据。