不同骨水泥注入量下PKP治疗T12椎体压缩性骨折的疗效与有限元分析

李石头，鲜文峰

(河南省南阳市第二人民医院骨一科，河南南阳 473000)

近年来，随着影像设备及医务人员技术的不断提高，经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty,PKP)治疗胸腰椎压缩性骨折成为主流的治疗方案[1-2]。本研究主要探讨PKP术中骨水泥注入量与疗效的相关性，同时利用有限元分析技术评价骨水泥注入量与不同运动强度下的上下终板受力的关系。

1 资料与方法

1.1 一般资料

纳入标准：① X线、CT及MRI证实T12骨质疏松性椎体压缩性骨折；②骨折时间小于3周；③无肿瘤病史且影像学检查未见转移瘤征象；④CT确认椎体后壁完整且椎弓根完整；⑤椎体压缩程度在2/3之内。排除标准：①脊柱具有先天性畸形，不利于形态学评估者；②椎体感染；③中途退出研究或随访时间不足6个月者。

共110例T12骨质疏松性椎体压缩性骨折患者纳入研究范围。根据术中骨水泥注入量分为A(<4 mL)、B(≥4 mL)两组。其中A组60例，男35例，女25例；年龄52～89岁，平均(68.3±12.8)岁，骨水泥注入量(3.5±0.4)mL；B组50例，男28例，女22例；年龄53～87岁，平均(69.8±11.1)岁，骨水泥注入量(4.6±0.5)mL。两组患者基本情况一致，有可比性。

1.2 手术方法

患者取俯卧位，C臂透视定位目标椎体、标记位置。行1%盐酸利多卡因注射液局部浸润麻醉。于伤椎椎弓根外上缘穿刺进针，针尾保持适当外展及头倾。穿刺过程中确保穿刺针朝向伤椎中部，同时行患椎正侧位透视，直至穿刺针安全通过椎弓根进入椎体中柱前缘。拔出穿刺针芯，更换工作套管，将钻头手动旋转至椎体前中1/3。将球囊经工作套管放置于椎体内，C臂透视下缓慢扩张球囊直至椎体恢复满意高度，退出球囊。调和骨水泥，待拉丝后注入椎体内。

术后常规应用抗生素2 d，正规抗骨质疏松治疗(包括口服碳酸钙D3、骨化三醇，静脉输注唑来膦酸注射液)。所有患者术后第2天鼓励佩戴胸腰椎支具下地行功能锻炼。

1.3 观察指标

记录术中骨水泥输入量，观察患者术前、术后72 h、术后6个月VAS评分、椎体前缘高度、椎体中间高度与Cobb角。

1.4 统计学分析

2 有限元分析

纳入健康志愿者1名，男性，29岁，体重为70 kg。排除髋关节畸形、肿瘤及骨病等异常情况。对志愿者进行胸腰椎CT扫描，DICOM数据存于光盘待用。本研究涉及软件包括医学图像处理软件Mimics、有限元模型前体处理软件Hypermesh、有限元处理软件Abaqus及建模软件Solidworks。

2.1 实验步骤

骨性轮廓及内固定器械建模：将胸腰椎CT的DICOM数据导入医学处理软件Mimics中，根据CT阈值对髋部的骨性结构进行自动识别，实验者使用阈值选取、区域增长、手动填充及擦除、布尔运算等方法绘制胸腰椎骨性轮廓。同时利用建模软件Solidworks绘制骨水泥块，根据本研究团队临床经验以及纳入患者的分组标准(A组<4 mL、B组≥4 mL)进行模拟，决定绘制3.5 mL及4.5 mL骨水泥块，置于T12椎体中部，将所有模型保存备用。

材料赋值、边界约束及载荷施加[3]：将胸腰椎骨性模型及骨水泥块模型导入HyperMesh软件，在该软件中建立materials及properties，其中前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带及横韧带等材料属性见表1。脊柱模型远端设定为无移动、无旋转，以模拟患者站立位时的稳定状态。根据Orthoload数据库(https://orthoload.com)资料，该数据库由Julius Wolff研究所研发，科研人员将力学测量装置植入人工椎体内部，经过安全评估后经过手术植入人体，测量站立位、行走及各运动状态下椎体受力情况，其认为标准体重66 kg且站立位时椎体受力474 N。本研究中受试者体重70 kg，按照比例将载荷设定为500 N。

表1 模型的材料属性

2.2 有限元结果分析

分析相同运动状态情况下，高、低骨水泥注入量条件下的T12椎体上下终板受力情况。

3 结果

3.1 高、低骨水泥注入量与疗效的关系

术前、术后72 h、术后6个月时，两组患者在椎体前缘高度、椎体中缘高度、Cobb角恢复方面，组间比较差异均无统计学意义(P>0.05)。两组患者术后72 h、术后6个月VAS评分较术前均明显改善(P<0.05)；术前、术后72 h，VAS评分的组间差异无统计学意义(P>0.05)，术后6个月时，B组VAS评分明显高于A组(P<0.05)，见表2。

表2 高、低骨水泥注入患者疗效对标情况

3.2 高、低骨水泥注入量条件下上下终板受力情况

相同轴向载荷作用下，高骨水泥注入量模型A的应力云图显示，上下终板均有明显应力集中现象，经测定上、下终板最大米塞斯应力值分别为309 MPa和263 MPa。相比较，低骨水泥注入量模型B在相同条件下应力分布相对均匀、并无异常应力集中现象。上、下终板最大米塞斯应力值分别为99 MPa和67 MPa。

4 讨论

4.1 骨水泥注入量与疗效的相关性

骨质疏松性椎体压缩骨折是困扰老年人的常见疾病，保守治疗需长期卧床，容易引起坠积性肺炎、压疮等并发症。传统开放性手术恢复慢、创伤大[4]。PKP手术切口小、允许早期下地功能锻炼、止痛效果佳，已成为公认的首选治疗方案[5]。

目前PKP术中最优骨水泥注入量尚未形成共识。Lu等[6]提出骨水泥注入量与PKP术后患者的疼痛缓解程度并无明显关联。有学者指出，疼痛多由于骨折椎体形态变化刺激疼痛感受器及肌肉受力异常所致，术中骨水泥释放的热量可对椎体内部疼痛感受器予以破坏，他们推测骨水泥注入量与疼痛缓解程度并无直接关联[7]。本研究显示，术后6个月的随访过程中，高骨水泥注入量患者VAS评分明显高于低注入量组，与上述学者的研究结果差别较大。深究其原因，主要为胸腰椎为脊柱形态与力学交界处，尤其是骨质疏松性椎体压缩性骨折的椎体多为楔形变，当患者进行功能锻炼时，脊柱后凸畸形可引起椎体后方韧带及椎旁肌肉痉挛、紧张，从而引起疼痛。PKP术中经球囊扩张，可有效恢复椎体前、中缘椎体高度，纠正Cobb角畸形，从而缓解软组织紧张，据此可有效解释术后72 h和术后6个月疼痛评分较术前均有明显缓解。但是骨水泥高注入量患者术后椎体强度明显增强，导致局部应力集中增加，远期甚至可造成邻近椎体退变加速，因此骨水泥高注入量患者VAS评分高于低注入量组。

4.2 骨水泥注入量与椎体强度的关系

多数学者认为PKP能够恢复椎体的力学性能，但是对骨水泥的注入量仍有争议，适量的骨水泥能够避免椎体再骨折，但是过量注入会使得椎体强度过高，加速邻近椎体病变，因此骨水泥注入量对病变椎体生物力学性能的作用始终是研究热点[7]。Wang等[8]通过脊柱标本力学实验证实，PKP术后邻近椎体的极限强度下降约20%，外力作用下，邻近椎体再次发生压缩性骨折的概率明显增加。Li等[9]指出，PKP术中不应过分强调骨水泥的充分弥散，只需达到病变椎体体积的14%即可达到止痛及恢复椎体力学性能的要求。

本研究通过有限元分析证实，随着骨水泥注入量的增加，病变椎体上下终板的异常应力集中点明显增加，经测定上、下终板最大米塞斯应力值分别为309 MPa和263 MPa。与低注入量患者相比，最大米塞斯应力超出300%。同时，低注入量椎体上下终板的应力分布相对均匀，可以推测低注入量的生物力学性能更佳。唐勇涛等[10]同样利用有限元技术发现，PKP术中只需少量的骨水泥即可影响椎体的抵抗轴向压缩的能力，如果过高的骨水泥注入量会导致椎体弹性势能下降，过量的载荷沿脊柱纵轴完全传递，使得邻近椎体的载荷分布改变，严重者会引起二次骨折，与本研究的结果基本吻合。

本研究同样具备几点不足：①研究中力学加载工况设定为静态加载，与真实生活中日常动作往往具有动态属性的情况存在一定差距。②研究中力学模拟仅进行单次加载，尚未进行疲劳试验，无法对脊柱-骨水泥装配体的远期力学情况进行预测。③本研究为单中心研究，纳入患者仅为同地区骨质疏松性胸腰椎压缩性骨折患者，普遍性较差。今后将纳入多中心数据，进一步挖掘并分析PKP的临床疗效。

综上所述，PKP治疗胸腰椎压缩性骨折可有效缓解疼痛、恢复脊柱形态，但是骨水泥注入量与疗效无明显相关性。增加骨水泥注入量会导致椎体出现应力集中现象，从而加速椎体退变。