骨质疏松性椎体压缩骨折不同骨水泥分布的临床观察及生物力学的有限元分析

赵 研,宋启春,李 东,刘兆盈,张广阳,张三朋，樊立宏,时志斌,党晓谦

1.西安交通大学第二附属医院骨一科，西安 710004; 2.西安交通大学机械学院，西安 710049; 3.西安交通大学第二附属医院手术室，西安 710004

椎体压缩性骨折(vertebral compression fractures，VCF)是老年人主要的健康问题之一。目前经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty,PKP)已广泛用于骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fractures,OVCF)患者的治疗，可以在很大程度上减轻疼痛，恢复失去的椎体高度，并改善生活质量[1-2]。然而随着PKP技术的广泛应用，其所带来的邻近椎体骨折风险增高、强化椎体再次塌陷和经济成本过高等问题逐渐引起人们的关注[3-4]。因此如何更加高效地应用PKP治疗OVCF，以减轻患者痛苦、获得更好的生存质量并减少国家医保经济负担是研究的重点所在。随着科学的发展，有限元分析法成为研究脊椎力学行为的重要手段之一。有限元分析作为计算力学的重要研究手段，具有成本低、重复性好的特点，是一种有效、准确和低成本的力学结构分析方法，目前已广泛应用于脊柱生物力学研究中。已证实利用脊柱有限元模型可以有效地从生物力学领域评估脊柱损伤情况[5]。目前有限元分析已经是研究人体生物力学的重要组成部分，广泛应用于颈椎、腰椎、关节等方向[6-7]。因此，本研究通过建立L2～L4椎体的三维有限元模型，设定L3为骨折椎体并注入理想的骨水泥形态后，模拟腰椎在压缩、前屈、后伸、侧弯和旋转5种运动状态，研究PKP骨水泥不同分布对损伤椎体及邻近椎体结构产生的影响。旨在阐明PKP术后不同骨水泥分布对于椎体的结构生物力学特性差异，为外科医师有效地进行手术并尽可能多地减少并发症提供理论依据。

材料与方法

1 一般资料

本研究为回顾性研究。2018年9月—2020年11月51例MRI诊断的符合以下标准的单节段OVCF患者被纳入本研究。根据术后1d X线片，将患者分为骨水泥连接组和骨水泥未连接组。对于X线片难以确定的患者，则通过薄层CT扫描来确定(图1)。连接组：X线正位片和侧位片显示两侧骨水泥连接。未连接组：X线正位片或侧位片显示两侧骨水泥未连接。纳入标准：(1)单节段OVCF；(2)15%<塌陷<60%；(3)2周<症状持续时间<3个月；(4)视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)>5分；(5)骨密度(bone mineral density,BMD)T值<-2.5；(6)60岁<年龄<85岁。排除标准：(1)一般身体状况差；(2)骨折由恶性疾病引起；(3)椎弓根或椎体后壁破裂；(4)伴椎管狭窄；(5)伴有下肢症状的椎体骨折。在向所有入组患者提供有关手术程序的详细信息后，均获得其书面知情同意。程序均根据世界医学协会的《赫尔辛基宣言》进行。 本研究获西安交通大学第二附属医院医学伦理委员会批准(2018-121)。

图1 骨水泥连接组与未连接组的术后影像学表现。a、b.连接组正侧位X线片；d、e.未连接组正侧位X线片；c、f.连接组和未连接组CT

2 建立L2～L4椎体的三维模型并进行有限元网格划分

选取1位女性健康老年志愿者，64岁，身高160cm，体质量62kg，既往身体健康，无脊柱相关性疾病及创伤史，腰椎X线正侧位片和CT预扫描排除脊柱腰段的器质性病变。试验前将相关内容告知志愿者，并征得其同意。志愿者在仰卧位下行螺旋CT扫描(美国GE公司，Light Speed 16排螺旋CT机)，共获得316张连续横断面CT图像，以医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)标准格式导入Mimics软件，建立L2～L4骨性结构的三维模型。以弹簧单元模拟前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带等主要韧带，韧带与皮质骨等材料属性和力学特性见表1。皮质骨、松质骨和终板的弹性模量比正常骨的弹性模量低，代表骨质疏松的骨状况，降低这些模量会导致整体压缩刚度降低，从而使椎体更容易发生压缩性骨折[8]。

表1 模型建模及材料参数

导入Ansys有限元分析软件进行生物力学分析，终板、关节软骨和椎间盘划分为1mm的网格，皮质骨、松质骨和骨水泥划分为3mm的网格。同时设定终板与椎体、终板与椎间盘、关节软骨与骨骼之间的连接定义为绑定，关节软骨与关节软骨之间的连接定义为无摩擦。

3 有限元模型的测量

设定L3椎体为骨折椎体，两组均注入4mL骨水泥，其中连接组骨水泥位于椎体中央，未连接组骨水泥位于椎体两侧，同时两组骨水泥均与上下终板充分接触。自L2椎体表面施加500N的预负荷，扭矩为7.5N·m，约束L4椎体下终板的自由度，模拟日常活动，提取压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转5种运动状态椎体模型的应力云图。

4 主要观察指标

患者均获得侧卧位X线片以测量椎体后凸角改善程度。在侧位X线图像上，从伤椎上方一级椎骨的上端板到伤椎下方一级椎骨的下端板测量Cobb角。后凸角的改善计算如下：术前Cobb角-术后Cobb角。局灶性背痛的程度通过VAS进行评估(0分=无疼痛，10分=最严重疼痛)。VAS改善的计算方法如下：术前VAS-术后VAS。水泥渗漏定义为通过X线观察到的任何椎外高信号的存在。术后与伤椎相邻椎体的新发骨折定义为邻近椎体骨折。同时观察两组三维有限元模型中骨折椎体及邻近椎体在各运动状态下不同骨水泥分布的应力差。

5 统计学分析

结 果

1 患者一般情况

51例患者中未连接组32例，连接组19例。未连接组男性12例，女性20例；平均年龄(66.1±6.8)岁；平均骨密度T值(-3.6±0.8)。连接组男性9例，女性10例；平均年龄(68.4±8.2)岁；平均骨密度T值(-3.1±0.9)。两组患者一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 两组患者一般资料比较(n)

2 患者术后结果比较

两组患者Cobb角及VAS改善程度差异均无统计学意义(P>0.05)。两组手术时间及骨水泥注入量比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表3。出现相邻椎体骨折8例(16%，8/51)，骨水泥渗漏10例(20%,10/51)，末次随访时椎体再压缩骨折5例(10%，5/51)，两组比较差异均有统计学意义(P< 0.05)。见表4。

表3 两组患者手术结果比较

表 4 两组患者并发症比较[n (%)]

3 模型生成结果

组装生成的L2～L4腰椎骨质疏松性椎体模型及L3椎体成形术后骨水泥分布见图2。

图2 L2～L4腰椎有限元模型及骨水泥分布示意图。a.脊柱三维模型(L2～L4)；b.椎体有限元模型；c.连接组骨水泥位于椎体中央示意图及未连接组骨水泥位于椎体两侧示意图，骨水泥插入L3

4 不同骨水泥分布下的骨折椎体及邻近椎体应力变化

比较两组椎体模型在压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转运动状态时的应力云图(图3)，在相同的运动状态下，连接组模型的应力分布均比未连接组的应力分布集中，5种运动状态下连接组L3骨折椎体所受应力均较未连接组大(P<0.05)；同时在5种运动状态下连接组L2、L4椎体所受平均应力均较未连接组大(P<0.05)。见表5。同时在压缩、前屈、后伸、侧弯4种运动状态下连接组模型最大应力分别为14.5、64.7、63.3、47.7N,未连接组模型所受最大应力为14.5、64.6、63.3、47.6N，差异无统计学意义(P>0.05)；但在旋转状态下非连接组模型最大应力为18.4N,连接组模型最大应力为9.6N。

图3 L2、L3、 L4应力分布云图。a.骨水泥位于椎体中央的情况下模拟5种运动状态时L2、L3、 L4的应力云图；b.骨水泥位于椎体两侧的情况下模拟5种运动状态时L2、L3、 L4的应力云图

表5 不同运动状态下两组骨折椎体与相邻椎体的平均应力比较

讨 论

椎体压缩性骨折好发于脊柱的胸腰段，是骨质疏松常见的并发症之一，老年人多发，特别是绝经后的妇女人群[9]。患者不但骨折部位持续性疼痛，且同时伴有椎体高度丢失、脊柱不稳和脊柱后凸畸形等，严重影响生活质量[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的细胞毒性和发热作用一方面通过破坏骨末梢神经缓解疼痛，其次可以通过增强椎体的稳定性来减少微运动[11]。但是PMMA具有不可降解性和较高的生物力学应力，这可能导致再塌陷[12]。因此如何减少PKP术后所带来的相邻椎体骨折风险增高、强化椎体再次塌陷等并发症是临床难点所在。有研究表明过量注入水泥可能会引起一些生物力学变化，少量的水泥和适当的水泥分布即可达到良好的手术效果[13-14]。Liebschner等[15]也认为大的填充体积可能不是生物力学上最佳的配置，通过使用对称放置的较小水泥体积即可以实现改善。同时，最近有几项研究表明PMMA与上下终板的接触减少为骨折椎体再次骨折的危险因素，因此在手术过程中控制骨水泥与上下终板充分接触，可以更好地恢复椎体强度，保持椎体高度，降低椎体再骨折和长期疼痛风险[16-17]。

弹性模量是指在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变之比。骨水泥的弹性模量远高于皮质骨及松质骨，注入骨水泥后椎体的刚度及强度明显增加，这可能会导致相邻椎体的新发骨折。Kim等[18]认为如果骨水泥接触两个终板，那么通过非骨水泥区域传递的压力将会降低。虽然会产生应力遮挡效应(即当不同弹性模量的成分并联承担载荷时，较高弹性模量的成分承担较多的载荷，对低弹性模量的成分起到应力遮挡作用),但由于压力过高引起的非骨水泥区塌陷会减少。这些发现支持了负荷分担的基本思想。

本研究的目的是评估在双侧PKP手术中双侧骨水泥不同分布形态和手术结局及术后并发症的关系，共有51例患者最终纳入研究。两组患者手术前后Cobb角及VAS改善程度差异无统计学意义(P>0.05)。但两组患者骨水泥渗漏、伤椎再骨折及相邻椎体骨折的风险差异有统计学意义(P<0.05)。因此本研究通过构建L2～L4椎体的三维模型，并在骨水泥理想分布形态下分别模拟两组PKP术后三维有限元椎体模型的压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转5种运动状况。笔者发现在相同运动状态下，连接组模型骨折椎体及相邻椎体的应力分布均比未连接组模型集中，且连接组骨折椎体及相邻椎体平均应力均大于未连接组，且差异有统计学意义(P<0.05)。但是在测定最大应力时，笔者发现在压缩、前屈、后伸、侧弯4种运动状态下两组模型的最大应力较为接近，差异无统计学意义(P>0.05)；但旋转状态下未连接组模型最大应力18.4N远大于连接组模型的9.6N,推测可能是由于未连接组骨水泥位于两侧，使椎体两侧的刚度及强度明显增加，产生应力遮挡作用，弹性模量的高成分承担了较多的载荷，这可能会使椎体所受最大应力较骨水泥位于椎体中央时的最大压力增高，但整体而言会使骨折椎体及相邻椎体所受平均应力减小。以上结果均提示在实施双侧PKP时，连接双侧骨水泥会导致原骨折椎体和相邻椎体的应力增加，从而提高复发性椎体骨折的风险。因此在临床手术中，如想尽可能避免原骨折椎体再次骨折及邻近椎体新发骨折，应尽可能使双侧骨水泥分别位于椎体两侧，不产生连接，那么通过非骨水泥区域传递的压力将会降底，从而会产生应力遮挡效应，进一步降低椎体再骨折的风险，以达到更好的手术效果。

在骨生物力学研究中，有限元方法也可对人体骨骼、肌肉和韧带等组织进行仿真分析，特别是在载荷作用下骨骼内部结构的应力应变分析方面，有效弥补了传统生物力学手段的不足，进一步加深了人们对脊柱生物力学行为的认识,具有不可比拟的优势[19-20]。一项生物力学研究显示，随着椎体载荷的不断增加，椎体塌陷的最大点总是位于椎体中心，并且通常在上终板的中心最强[21]。本研究中，笔者通过模拟骨水泥与终板充分接触，发现双侧骨水泥分别对称分布于椎体的两侧，骨折椎体及相邻椎体所受的平均应力较小，因此笔者推测骨水泥分布于椎体两侧可能会导致椎体所承受的压力通过两侧骨水泥向下腰椎传导，从而减少中心区域的压力，保护终板中心薄弱区，从而可能减少伤椎再次骨折的风险。

但是作为一种计算机模拟生物力学实验，它有其固有的缺点，如排除了软组织解剖的差异以及脊柱的复杂运动等，且本研究简化了韧带的非线性特征，并且排除了皮肤和脂肪的影响。同时本研究仍有以下不足之处：(1)本研究为一项小样本的回顾性研究，临床结果并没有涵盖广泛的终末结果，需要进一步扩大样本量进行单中心或多中心的前瞻性研究，为临床实践提供更有力的证据；(2)腰椎三维有限元模型未能完全模拟真实的骨水泥形态多变分布情况，本研究仅在骨水泥与终板充分接触的标准分布状态下分析应力变化；(3)骨质疏松多发生于老年患者，因此无法避免老年患者骨质增生、退行性疾病对建模及分析的影响，具有一定的局限性；(4)本研究没有测量非邻近节段应力变化，没有进行真实人体标本测量验证，可在下一步研究中予以完善；(5)人体在日常生活中的各个运动状态下的椎体及受力情况无法精准模拟，仅在理想状况下进行特定运动状态的受力分析，这一点具有一定局限性。

本研究通过对两种不同分布骨水泥对术后骨折椎体及相邻椎体的临床及生物力学结果进行分析，发现无论是否连接双侧骨水泥，PKP均可改善患者局部Cobb角和疼痛情况，提高生活质量。如果PKP术中骨水泥分布于椎体两侧，可使骨折椎体及相邻椎体所受应力较小，这可能会降低骨水泥渗漏率、骨折椎体再次骨折及相邻椎体新发骨折的概率，从而获得更好的临床效果。

作者贡献声明：赵研：数据分析、撰写初稿；宋启春、李东、张三朋：收集数据并制作图表；刘兆盈、张广阳：力学工作；樊立宏、时志斌、党晓谦：设计方案、修改草案