骨水泥不同分布对骨质疏松性椎体压缩性骨折的生物力学影响:三维有限元分析

蔡明，戚颖，刘肃，马朋朋，张鑫，张春玲，宗治国，李伟，张志敏

1.河北北方学院附属第一医院骨外科，河北张家口 075000；2.河北北方学院附属第一医院输血科，河北张家口 075000

前言

骨质疏松性椎体压缩性骨折（Osteoporotic Vertebral Compression Fractures,OVCFs）在老年人中非常常见。据估计，全世界30%～50%的50 岁以上人口面临OVCFs 的威胁［1］。近年来，经皮椎体成形术（Percutaneous Vertebroplasty, PVP）作为一种有效的治疗手段被广大临床医生所应用［2］。生物力学研究显示，PVP 术后椎体的强度显著增加［3］。而且，PVP更重要的作用是快速缓解疼痛和恢复骨折椎体高度，从而减少患者脊柱的后凸畸形及相关并发症的发生［4］。

但是，众多学者发现，部分患者PVP 术后疼痛无缓解，并且部分患者在术后随访中观察到手术椎体高度再次丢失［5-7］。手术椎体内部骨水泥分布不充分和分布不对称分别被认为是疼痛未缓解和术后病椎再次骨折的主要危险因素［5-8］。然而，到目前为止，很少有生物力学实验研究骨水泥在病椎内部分布不充分和分布不对称会引起上述并发症的原因。本研究的目的是探讨OVCFs在PVP中骨水泥不同分布情况对术后病椎应力的生物力学影响。因此，理解掌握这种生物力学特点，对于提高手术成功率和优化治疗效果至关重要。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择1 例2019年7月在河北北方学院附属第一医院诊治的胸腰段疼痛患者。通过X 线检查排除椎体骨折、脊柱畸形及感染等疾病。对该患者胸腰椎T12～L2 节段进行64 排螺旋CT 检查，排除椎间盘突出症。本研究通过医院伦理委员会批准，志愿者对该研究知情同意。

1.2 T12～L2椎体骨质疏松性模型建立

上述CT 检查扫描层厚为1 mm，共获得176 层CT 图像，将此CT 数据，导入Mimics 17.0 软件，选取骨组织，分割处理及3D 建模，建立T12～L2 椎体骨性模型，将此椎体模型导入3-Matic 软件，分别对T12、L1 及L2 椎体进行Mark 分离、补洞抽壳及布尔运算，获得松质骨及皮质骨结构。再选取T12 及L1 椎体相邻两个面，进行解剖重建、Scale 和布尔运算，建立T12～L1椎间盘模型（包括上下终板、髓核及纤维环）。同理建立L1～L2 椎间盘模型。将上述所有模型依次导入ANSYS Workbench19.2 软件中，再利用绳索单元建立椎体周围韧带模型［8］，最终组成T12～L2 骨质疏松性椎体模型（图1）。

图1 T12～L2正常椎体模型Figure 1 Normal vertebral body model of T12 to L2

1.3 添加骨水泥模型，划分网格并赋予材料属性

在骨折的椎体中分别植入一个或两个模拟的骨水泥圆柱体，以模拟双侧椎弓根入路的PVP。每个骨水泥圆柱体的体积约为2 mL。骨水泥不同分布情况及数量代表不同模型类型，即代表不同的手术效果：（1）两个骨水泥柱状体对称且居中地分布在L1 椎体内，以模拟骨水泥对称且充分分布的类型；（2）两个骨水泥圆柱体均位于L1 椎体偏上部或偏下部，来模拟骨水泥非对称分布的类型。（3）在（1）的基础上，保留其中一个骨水泥圆柱体，以模拟骨水泥不充分分布的类型。所用模型见图2。

图2 经皮椎体成形术模型Figure 2 Percutaneous vertebroplasty models

最后，我们得到了5 种不同类型的模型，包括骨质疏松性椎体模型和4 种PVP 手术模型。所有模型均进行网格划分。赋予模型材料属性，参考既往研究［9-10］，见表1。

表1 骨质疏松性椎体有限元模型各结构材料参数Table 1 Structural material parameters of the finite element model of osteoporotic vertebral body

1.4 对有限元模型施加应力条件

考虑到椎旁肌肉和腹内压力的影响，在所有模型上均先施加500 N 垂直载荷来模拟站立状态，即固定L2椎体下面，在T12椎体上面施加500 N垂直向下的力［11-12］。在施加上述载荷的基础上，固定L2 椎体下面，在T12 椎体上面施加力矩为7.5 N·m 的载荷，方向分别为前、后、左、右，用于模拟屈曲、伸展、左右侧屈动作［11-12］。最后比较5 种模型中L1 椎体皮质骨和松质骨的Von Mises 应力及位移情况。Von Mises应力已被提出作为骨折破坏标准参数［13］，最大位移是稳定性的参数［14］。

2 结果

2.1 有限元模型准确性的验证

对正常椎体模型施加前屈后伸、侧屈及轴向扭转几个不同方向的载荷，获得T12～L2 节段椎体的活动范围数据，与既往文献的生物力学实验数据进行比较［13,15］，一致性良好。该结果证实了本次模型的准确性和可靠性，并说明笔者的模型可用于后续的模拟研究。

2.2 PVP 手术前后L1 椎体皮质骨中Von Mises 应力的分布及大小

L1 椎体皮质骨在PVP 治疗前后，在垂直压缩力作用下Von Mises 应力的分布及大小结果如图3所示。与骨质疏松模型的分布相比，PVP 术后的Von Mises 应力分布没有变化，仍然集中在后柱未骨折区。类似的结果可以在屈曲、伸展、左右侧屈中看到。在垂直压缩力作用下，骨质疏松组、PVP 术后骨水泥分布不充分组、充分组、偏上组和偏下组之间L1椎体皮质骨的最大Von Mises 应力分别为15.06、12.16、6.01、9.03和8.16 MPa。因此，与骨水泥分布偏上组和偏下组对比，不充分组Von Mises应力增加；与骨水泥分布充分组相比，不充分组Von Mises 应力显著增加。类似的变化也出现在屈曲、伸展、左右侧屈的作用下（图4）。

图3 垂直压缩力作用下，L1椎体皮质骨在PVP治疗前后Von Mises应力分布Figure 3 Von Mises stress distributions of L1 vertebral cortical bone before and after PVP under vertical compression force

图4 PVP手术前后L1椎体皮质骨中最大Von Mises应力Figure 4 Maximum Von Mises stress in L1 vertebral cortical bone before and after PVP

2.3 PVP 手术前后L1 椎体松质骨中Von Mises 应力的分布和大小

在垂直压缩力的作用下，L1 椎体松质骨在PVP治疗前后Von Mises 应力的分布及大小如图5所示。实验结果表明，骨质疏松组中最大应力集中于中柱未骨折区域，但在PVP 术后，最大应力集中于骨水泥周围的松质骨。类似的结果可以在屈曲、伸展、左右侧屈中看到。在垂直压缩力作用下，骨质疏松组、骨水泥分布不充分组、充分组、偏上组和偏下组中L1椎体松质骨的最大Von Mises 应力分别为0.53、1.31、0.70、1.81 和1.54 MPa。因此，与骨水泥分布充分组相比，分布不充分组、偏上组和偏下组松质骨的最大应力均明显增加。类似的变化也出现在屈曲、伸展、左右侧屈的作用下，见图6。

图5 垂直压缩力作用下，L1椎体松质骨在PVP治疗前后Von Mises应力的分布及大小Figure 5 Von Mises stress distributions and magnitudes of L1 vertebral cancellous bone before and after PVP under vertical compression force

图6 PVP手术前后L1椎体松质骨中最大Von Mises应力Figure 6 Maximum Von Mises stress in L1 vertebral cancellous bone before and after PVP

2.4 PVP手术前后L1椎体的最大位移

在垂直压缩力作用下，骨质疏松组、骨水泥分布不充分组、充分组、偏上组和偏下组中L1椎体的最大位移分别为0.22、0.16、0.08、0.11 和0.10 mm，见图7。因此，与骨水泥分布偏上组、偏下组和充分组相比，不充分组的骨水泥分布增加了L1 椎体的最大位移。类似的变化也出现在屈曲、伸展、左右侧屈的作用下，见图8。

图7 垂直压缩力作用下，PVP手术前后L1椎体最大位移Figure 7 Maximum displacements of L1 vertebral body before and after PVP under vertical compression force

图8 PVP手术前后L1椎体的最大位移Figure 8 Maximum displacements of L1 vertebral body before and after PVP

3 讨论

目前，关于PVP 的手术效果仍然存在争议。Marcia等［16］通过总结PVP治疗OVCFs的安全性和有效性的最新证据，明确指出PVP 是一种安全的手术方法，术后并发症发生率明显降低，并不增加再次骨折的风险。De Leacy 等［17］也认为，PVP 可以明显改善疼痛，并不会增加手术椎体及邻近椎体再次骨折的风险。但是，在PVP治疗OVCFs后，手术椎体再骨折的现象引起了专家学者们广泛关注。Yu等［18］研究表明，在PVP治疗OVCFs后，手术椎体再次骨折的发生率依然很高。而且，Li 等［5-7］研究发现，在PVP 术中，骨水泥的分布情况会极大地影响手术效果，如缓解疼痛及病椎再次骨折情况。

本文根据门诊志愿者胸腰椎节段的CT 扫描数据建立有限元模型，赋予材料属性反映椎体骨质疏松症的特征。本研究并非建立单个椎体模型（L1），而是建立了3 个节段的脊椎模型（T12～L2），因为在椎体压缩性骨折时，椎间盘和小关节之间的作用可以模拟胸腰椎节段的力学传导和运动情况；而且也可以避免将载荷条件直接作用到病椎（L1）上，建立3个节段的脊椎模型使得L1椎体的生物力学研究更趋近于真实［13,19］。验证实验证明，所建立的三维有限元模型可以准确地模拟胸腰椎节段的生理活动，因此，可以作为今后临床研究重要的工具。

Xu 等［20］研究发现，在双柱骨水泥的椎体成形术中，将两个骨水泥柱植入整个松质骨的骨折区域内，骨水泥不仅分布在骨折区域，而且还交错地进入周围松质骨内。Liang等［7］和Kim 等［21］采用有限元的方法均得出一致的观点。他们认为，这种骨水泥形状（圆柱体）与患者术后影像学上所见的骨水泥形状相似，目前的骨水泥模拟圆柱体的形状可能是PVP 手术的合理方案，术后可以将骨折的椎骨恢复到其原始的高度［7，21］。笔者发现使用圆柱体骨水泥模型模拟PVP 手术，虽然不同的载荷可以使用骨水泥模拟PVP 产生不同的应力和位移情况，但是得出结论均一致。

笔者研究PVP 手术前后的骨折模型中，L1 椎体皮质骨和松质骨应力以及位移的大小和分布情况。Liang等［7］通过有限元分析表明，在PVP术后，松质骨的最大应力较术前增加，并且分布在骨水泥周围，皮质骨的最大应力较术前减少。这与笔者的研究结果相一致，与骨质疏松L1 椎体应力相比，术后L1 椎体松质骨中最大应力的分布主要集中于骨水泥周围的松质骨，而皮质骨中最大应力的分布情况没有变化。在所有不同方向的载荷条件下都能得到相似的结果。因此，在某种程度上可以验证笔者使用这些模型来模拟椎体骨折PVP 手术中骨水泥分布情况的研究结果是合理的。Li 等［5］通过分析手术椎体再次骨折的危险因素后发现，行PVP 手术中骨水泥注射量低的患者，手术椎体再次骨折的风险较高。这与笔者的研究结果相一致。笔者同样发现，与骨水泥分布充分组相比，不充分组的L1 椎体（手术椎体）皮质骨和松质骨中最大应力和最大位移均显著增加。最大压力和最大位移的增加表明，由于骨折椎体内部骨水泥分布不充分，不能很好地恢复脊柱的稳定性，因此容易引发手术椎体的再次骨折及术后疼痛。

在之前临床研究和三维有限元分析均得出一致的结论：尽管PVP术后疼痛消失，但是骨水泥分布不充分的手术椎体相比于分布充分者，更容易再次发生骨折［7,22］。其研究结论与笔者的结论相吻合。笔者从有限元分析的角度来看，在骨水泥分布不充分和不对称的情况下，手术椎体术后的松质骨最大应力较骨水泥充分分布组增加，因此更容易再次发生骨折。

4 结论

骨折椎体内骨水泥分布不充分可明显增加术后手术椎体的位移，导致患者在PVP 术后疼痛未缓解。骨折椎体内骨水泥不充分和不对称分布更容易引起手术椎体的再骨折，这是因为手术椎体松质骨和皮质骨的最大应力显著增大。因此，为了保证PVP 术后疼痛的缓解，降低术后远期病椎再骨折的发生率，应将骨折椎体内骨水泥充分分布纳入PVP 的手术方案，而且骨折椎体内骨水泥的对称分布可能是我们今后在手术操作中追求的最佳模式。