基于CT三维重建分析探讨经皮椎体成形术后伤椎骨密度变化

摘要：目的" 采用Mimics三维重建技术分析骨质疏松性椎体压缩骨折患者经皮椎体成形术后伤椎的骨密度变化情况。方法" 回顾性选取2015年10月～2022年10月南方医科大学珠江医院收治的因骨质疏松性椎体压缩骨折行经皮椎体成形术并于术后返院复查的患者45例，根据返院复查时间分为A组（1～3月，n=16）、B组（4～12月，n=14）、C组（gt;12月，n=15）。将患者CT数据导入Mimics软件行伤椎和上下邻椎节段椎骨三维重建，分离椎弓根、肋骨、皮质骨和骨水泥得到所需椎体松质骨模型并使用软件读取平均CT值代表其骨密度（BMD），术前与术后分别记为BMD1和BMD2，计算BMD变化率。结果" A组中伤椎BMD高于术前（Plt;0.05），上下邻椎无明显差异；B组中伤椎BMD高于术前（Plt;0.05），上下邻椎BMD低于术前（Plt;0.05）；C组中伤椎BMD无明显变化，上下邻椎BMD低于术前（Plt;0.05）。伤椎BMD变化率在A、B组的差异无统计学意义（Pgt;0.05），但均明显高于C组（Plt;0.05）；上下邻椎BMD变化率B、C组的差异无统计学意义（Pgt;0.05），但均低于A组（Plt;0.05）。结论" 经皮椎体成形术后短期内伤椎骨密度增加，邻椎无明显变化，随着术后时间增加各椎体均出现骨密度降低情况。

关键词：经皮椎体成形术；骨质疏松性压缩骨折；骨密度；三维重建；Masquelet技术

Vertebral bone density changes after percutaneous vertebroplasty based on CT 3D reconstruction

HU Shengxuan， ZHANG Jingwen， ZHU Zhemin， ZENG Weibo， WANG Shuai， SHI Benchao

Department of Spine Surgery， Zhujiang Hospital， Southern Medical University， Guangzhou 510280，China

Abstract： Objective To analyze the changes in bone mineral density （BMD） of vertebral bodies after percutaneous vertebroplasty in patients with osteoporotic vertebral compression fractures using Mimics 3D reconstruction. Methods We conducted a retrospective analysis of 45 patients treated from October 2015 to October 2022 at Zhujiang Hospital of Southern Medical University. Patients were categorized into three groups based on the follow-up period post-surgery： group A （1-3 months， n=16）， group B （4-12 months， n=14）， group C （over 12 months， n=15）. CT data were used for 3D reconstruction of vertebral models in Mimics software， which involved differentiating pedicles， ribs， cortical bone， and bone cement to isolate the cancellous bone of vertebrae. Mean CT values were used to represent BMD before and after surgery （BMD1 and BMD2）， and the rate of BMD change was calculated. Results In group A， BMD of the treated vertebra was significantly higher post-surgery （Plt;0.05）， with no significant changes in adjacent vertebrae. In group B， BMD of the treated vertebra increased post-surgery （Plt;0.05）， with a decrease in BMD of adjacent vertebrae （Plt;0.05）. In group C， there was no significant change in BMD of the treated vertebra， and a decrease in BMD of adjacent vertebrae （Plt;0.05）. The rate of BMD change in the treated vertebrae between groups A and B was not statistically significant （Pgt;0.05）， but both were significantly higher than in group C （Plt;0.05）; the rate of BMD change in adjacent vertebrae in groups B and C was also not significantly different （Pgt;0.05）， but both were lower than in group A （Plt;0.05）. Conclusion BMD of the treated vertebra increased in the short term after percutaneous vertebroplasty， with no significant changes in adjacent vertebrae. Over time， BMD decreased in all evaluated vertebrae.

Keywords： percutaneous vertebroplasty; osteoporosis vertebral compressed fracture; bone mineral density; 3D reconstruction; Masquelet technique

骨质疏松性压缩骨折（OVCF）是一种常见的骨科疾病［1， 2］。OVCF不仅严重影响患者的生活质量，还增加了患者的死亡风险［3］。经皮椎体成形术（PVP）作为一种微创治疗方法已被广泛应用于治疗OVCF，通过注射聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥到受损椎体中，以缓解疼痛、恢复椎体稳定性［4， 5］。尽管PVP在短期内能够有效缓解症状，但关于手术后椎体骨密度（BMD）变化及其对邻近椎体健康影响的长期研究仍然不足［6］。手术后椎体的BMD不仅关系到手术区域的结构和功能恢复，还可能影响到邻近椎体的健康状况［7］。研究显示，由于PMMA骨水泥的高刚度，其在椎体内的存在可能会增加邻近椎体的负担，从而提高了邻近椎体发生压缩骨折的风险［8］。深入探究PVP手术对伤椎BMD的影响，对于优化手术方法、预防手术后并发症具有重要的临床意义。本研究旨在评估使用PMMA骨水泥进行PVP手术后，伤椎BMD的变化情况，通过CT三维重建技术对椎体BMD进行评估，相较于传统的BMD测量技术，有助于更准确地反映排除骨水泥后的伤椎BMD变化情况［9］；另外，探讨了PMMA骨水泥周围可能形成的纤维膜对伤椎骨质影响的机制，有望为理解PVP手术后椎体骨质重塑提供新的视角。

1" 资料与方法

1.1" 一般资料

回顾性选取2015年10月～2022年10月在我院因单节段OVCF行PVP手术，出院后因腰背痛或其他临床症状返院检查患者45例，其中男性7例，女性38例，年龄61～90（78.62±9.53）岁，术椎范围胸6～腰4，复查时间1～34月，术中所使用的填充材料均为Mendec脊柱骨水泥。根据患者术后复查间隔时间将患者分为短期组（1～3月，A组，n=16）、中期组（4～12月，B组，n=14）、长期组（gt;12月，C组，n=15）。A组男性3例，女性13例，年龄70～90（81.00±5.82）岁，复查时间1.59±0.80月；B组男性2例，女性12例，年龄67～89（78.00±9.90）岁，复查时间7.62±7.62月；C组男性2例，女性13例，年龄61～90（76.00±12.27）岁，复查时间21.60±6.74月。3组一般资料的差异无统计学意义（Pgt;0.05）。本研究已通过南方医科大学珠江医院伦理评审委员会批准（伦理号：2022-KY-107，审批号：2022SL0111）。

纳入标准：骨质疏松患者有明确外伤史，临床有明确腰背部疼痛症状，相应节段棘突叩击痛阳性；磁共振T2压脂明确为新鲜椎体压缩性骨折；术前CT检查显示椎体后壁完整，脊髓无明显受压征象；病历资料完整；单个椎体骨折且椎体丢失高度不超过1/4。排除标准：恶行肿瘤患者；溶骨性或成骨性骨代谢疾病；神经功能受损患者；术后CT发现邻椎骨折或伤椎再发骨折；陈旧性椎体骨折骨不连，CT见椎体真空裂隙征；长期卧床、行动能力较差；影像资料不完整。

1.2" 图像采集

患者术前和返院时行CT扫描。CT机型号：Phillip Brilliance 64排螺旋CT机。扫描参数：120 kV，420 mA。测量窗宽2056 Hu，窗位250 Hu。断层扫描层厚5 mm、层距5 mm。以目标椎体为中心确定扫描节段，患者取仰卧位，双臂上举，双腿伸直，扫描线平行于椎体垂直于椎管，得到横断面图像。CT数据以DICOM图片格式导出。

1.3" 三维模型重建及CT值测量

为了避免发生错漏，对所产生的二维蒙版（Mask）和三维模型均进行命名。打开Mimics 21.0软件，将患者CT扫描数据以DICOM图像格式导入。根据CT数据已有的定义方向，软件自动生成水平面、冠状面和矢状面的断层图像。使用ADVANCED SEGMENT菜单下的CT Bone功能对手术椎体行种子点选取，阈值范围设定为系统默认的骨组织阈值，计算得到该节段椎骨的Mask，将其命名为Vertebrae并生成三维重建图像（图1）。若有与上下椎间盘相接部分，需要使用Split Mask工具进行分离。逐层检查确保感兴趣区域全部加入Mask，使用Edit Mask工具进行Erase、Draw等编辑。使用Edit Mask工具中的Erase命令，在所有层面上将椎体与肋骨和后方椎弓根分离，留下单独的伤椎椎体，将其命名为Vertebral body并生成三维重建图像（图2）。椎体和椎弓根均自椎弓根椎上切迹和椎弓根椎下切迹进行分离。利用阈值分割工具，根据骨水泥和皮质骨与松质骨在CT值上的差异，将骨水泥和皮质骨从该椎体分离出来得到Mask命名为Cement and cortical bone［10］。对Vertebrae和Cement and cortical bone使用Boolean Operations工具中的Miuns命令，即可将椎体的骨水泥与皮质骨和松质骨分离即可得到伤椎松质骨的Mask，命名为Spongy bone并输出为高质量的三维模型（图3）。在列表中选中Spongy bone查看伤椎松质骨的平均CT值，即为患者术后伤椎BMD。采用同样方法测量患者术前伤椎和上下邻接椎体手术前后的平均CT值（精确至0.0001）。将术前患者目标椎体的BMD记为BMD1，术后复查时目标椎体的BMD记为BMD2。BMD变化率=[（BMD2-BMD1）/BMD1]×100%。

1.4" 统计学分析

采用统计学软件SPSS23.0对数据进行统计学分析。计量资料以均数±标准差表示，同组BMD的比较采用配对t检验；BMD变化率的比较采用方差分析，事后两两比较采用LSD法。以Plt;0.05为差异有统计学意义。

2" 结果

2.1" 伤椎和邻椎手术前后BMD变化

伤椎在短期组和中期组中BMD水平较术前增加（Plt;0.05），长期组中无明显变化（Pgt;0.05，表1）。短期组上下相邻椎体手术前后BMD比较差异无统计学意义（Pgt;0.05），中期和长期组术后BMD较术前显著降低（Plt;0.05，表2）。

2.2" BMD变化率对比

在术后早期和中期时伤椎BMD升高较长期更显著（Plt;0.05），且早期的增加速度略高于中期。上下相邻椎体的BMD在中长期时相较于早期减少最为明显（Plt;0.05）。下位邻椎在各时期BMD下降速度均略高于上位邻椎（表3）。

3" 讨论

经皮椎体成形术最早于1984年报道，其应用经皮椎体内注射PMMA骨水泥的方法成功地治疗了1例C2椎体血管瘤患者，开创了经皮椎体成形术的先河［4］。由于技术的进一步发展和良好的临床疗效，PVP逐渐应用于更多的OVCF的治疗。随着PVP在国内外广泛开展，越来越多手术并发症被报道，主要包括椎体继发骨折、骨水泥渗漏、感染、神经损伤等［11］，其中邻近椎体的骨折发生率较高。有研究认为邻椎再骨折与椎体BMD下降有关［12］。经PMMA骨水泥处理的伤椎再骨折发生率较低［13-15］，这可能与PMMA骨水泥能够促进伤椎骨质增强、BMD升高有关。目前关于PMMA骨水泥对伤椎骨密度影响尚无定论，运用影像技术进行的临床研究较少，多集中在动物实验。因此本研究旨在利用CT三维重建技术探讨PMMA骨水泥对伤椎BMD的影响，加深对OVCF治疗的理解，提供更全面的认识。

通过对使用PMMA骨水泥行PVP的患者在不同时期手术前后的术椎进行CT值测量，发现在骨水泥注入椎体后的早期伤椎BMD增加最为显著（Plt;0.05），中期稍有下降。这与既往研究结果不同。既往研究表明PMMA骨水泥治疗后的伤椎BMD与治疗前比较无明显差异［16，17］，两者都使用了双能X线吸收法（DXA）进行BMD测量。DXA是世界卫生组织推荐的诊断骨质疏松症的金标准，具有测量相对准确、患者受照射量低等优点；但DXA采用的是平面投影技术，测量的是面积BMD。对于本研究，需要排除骨水泥的干扰测得伤椎的BMD，DXA显然不适合作为研究指标，可能会导致研究结果存在差异。PMMA骨水泥本身不具备骨传导性，因其生物惰性不能与骨组织形成化学键结合，因此被认为不能促进成骨［18］。人类第1份PVP术后组织学研究指出骨水泥上没有直接的骨结合；相反，一层薄的纤维膜将骨组织与PMMA隔开，纤维膜内含有异物巨细胞和单核巨细胞等炎性细胞［19］。PMMA骨水泥在创伤骨科中常被用于治疗较大尺寸骨缺损。治疗过程中骨水泥会引起异物免疫反应在自身表面形成一层功能性生物膜，一般称其为诱导膜（IM），IM具有强大的成骨作用促进骨质生成［20］。这种重建复杂骨缺损的方法被称为Masquelet技术或骨诱导膜技术［21］。椎体内PMMA周围纤维膜的生成过程与IM相似。与既往文献［22］相比，本研究结果显示伤椎BMD在手术后早期显著增加，这可能与PMMA骨水泥周围形成的纤维膜有关，此膜促进了骨质生成，类似于Masquelet技术中观察到的IM的成骨作用［20， 23］。本研究中伤椎BMD变化情况与IM的动态变化基本一致，IM内与骨折修复或骨合成代谢相关的因素在4～6周达到高峰，在8周后逐渐消退［ 20］。因此可以推测椎体成形术后初期伤椎BMD的升高极有可能与椎体内骨水泥周围纤维膜有关。椎体骨折后骨折本身修复的过程中会进行骨重塑，有新骨的形成并逐渐演变为编织骨，这也可以引起伤椎BMD的升高。有学者在人类椎体标本中观察到PMMA附近存在大量弥漫性的骨形成，且大部分是在PMMA附近发现的，与骨小梁骨折没有明显关系［24］。由此可以推测本研究中发现的伤椎BMD的升高与PMMA存在直接关系，而非骨折重塑引起。有研究在进行经皮椎体后凸成形术的人类标本中观察到骨水泥周围松质BMD较高，并认为这与手术中使用球囊撑开挤压周围松质骨导致松质骨移位压缩有关［19］。为此，本研究选择了接受PVP手术并使用Mendec低粘度脊柱骨水泥的患者，避免了高粘度骨水泥在灌注时因过大的压力引起骨小梁破坏压缩。有研究对骨质疏松模型家兔腰椎行椎体成形术模拟人类PVP，发现在短期内骨水泥周围骨水泥边缘有大量成骨细胞生成，新骨组织明显增多同时与骨水泥紧密结合并且发现了纤维膜样结构的存在，后期在松质骨中发现了许多代表骨质疏松状态的间隙［25］。这可能解释了本研究中发现在长期时伤椎BMD增加速度显著下降的原因。

本研究发现，上下邻椎的BMD在各时间段与术前相比均有下降，且在中长期时降低速度更为显著，这可能与进行性的骨质疏松症有关。有研究认为相邻椎体BMD减少是椎体再骨折的主要危险因素［26］。既往研究在对PVP术后患者长期随访中发现邻椎骨折多集中发生在术后1年内［27］。这与本次研究中发现在术后4～12月上下邻椎骨量减少速度最明显的现象相吻合，同时说明了术后1年内骨折高发的原因是可能是由于BMD的降低。在此阶段应尽量避免受伤，降低骨折发生的风险。分析研究结果发现下位邻椎BMD减少速度在各时期均较上位邻椎略快，其可能原因是手术椎体灌注骨水泥后整体强度和刚度增加。由于PMMA骨水泥弹性模量远高于人体骨骼，高弹性模量的材料在不同弹性模量的材料组成的系统中将承受更多应力。所以术椎承受更多的自上而下的应力将引起下邻椎负荷减少。根据wolff定律，当下位邻椎处于相对较小的负荷下骨组织密度和强度就会适应性减少。PVP术后患者是否进行系统的抗骨质疏松治疗与其再骨折的关系，骨科医生较少关注。研究认为PVP术中骨水泥剂量和渗流是术后邻近椎体再骨折的危险因素［28］，其他的危险因素还包括患者的年龄、女性、BMD、低BMI等［29］。 近年有研究表明PVP术后新发OVCF并非手术的手术并发症［30］，而是老年性骨质疏松的自然进程［31］。有研究表明抗骨质疏松治疗可以有效提高BMD，防止OVCF的发生［32］。本研究结果显示PVP术后邻椎骨量呈持续下降趋势，尽管伤椎BMD在初期增加，但长期结果显示全身骨质疏松的进展导致了BMD的整体下降，这强调了PVP术后实施系统性抗骨质疏松治疗的重要性。早期介入可以帮助维持BMD并预防未来的骨折［32］，从而改善患者的整体健康状况。治疗骨质疏松症是一项长期的任务，要想达到最佳治疗效果，需要患者保持高达80%以上的药物依从性，并持续进行至少3年以上的长期治疗［33］。尽管存在行之有效的药物治疗方法，服药依从性差是目前骨质疏松症药物治疗中广泛存在的临床问题［34］。

目前临床一般采用DXA或定量CT对BMD进行测量，但DXA难以对不规则的骨水泥区域进行有效屏蔽，而使用Mimics软件则可以准确测量椎体松质骨整体CT值，从而反映出椎体的BMD变化［35］。定量CT可以测量骨矿密度，并在一定程度上预判骨强度但实用性及质量控制尚欠佳，但临床上尚无广泛应用。大量研究表明CT值与BMD和骨强度存在显著的正相关性［36， 37］，脊柱手术的患者在出院后因腰背疼痛等原因再次就诊时大多数会进行脊柱CT扫描，所以CT值的测量可以在获得BMD信息同时不需要额外的经济成本和放射暴露。由于松质骨更能敏感的反映BMD情况［38］，所以本研究使用Mimics软件将椎体松质骨从骨水泥和皮质骨中分离出来，得到的平均CT值能更准确评估椎体的骨量变化。本研究首次提出将PVP术后PMMA骨水泥在椎体内形成的纤维膜与Masquelet技术中IM联系起来，这种纤维膜可能具有与IM相似的促进骨质生成的作用。这提供了一个新的视角，即通过研究PMMA骨水泥周围纤维膜的形成及其功能，可能揭示PVP手术后伤椎骨质重塑的新机制。

本研究存在一定不足：首先，这是一项回顾性研究，未能包括对照组进行比较；其次，样本量相对较小，且数据来源于单一中心。未来可考虑进行前瞻性设计，增加样本量，并可能涉及多个中心，以进一步验证本研究的发现并深化对PVP手术后BMD变化机制的理解。

综上所述，PMMA骨水泥可能会对椎体BMD产生影响，PVP术后短期内伤椎BMD明显升高，但随着时间推移骨质疏松症进一步加重，与上下相邻椎体一样会出现骨量丢失BMD下降的情况。在临床工作中，对于OVCF患者手术不是治疗的终点，更应该关注导致疾病的主要原因。长期抗骨质疏松治疗和适当生活方式干预才能维持BMD、预防再骨折改善患者整体健康状况。

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（编辑：熊一凡）

作者简介：胡生轩，在读硕士研究生，E-mail： 821319173@qq.com

通信作者：史本超，博士，副主任医师，E-mail： benchaoys@163.com