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1 ，戚颖2 ，刘肃1 ，马朋朋1 ，张鑫1 ，张春玲1 ，宗治国1 ，李伟1 ，张志敏1 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
【摘要】
目的：在骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCFs）椎体成形术（PVP）中，病椎内骨水泥分布不充分、不对称，将影响手 术效果及远期症状。本文研究椎体成形术中骨水泥在椎体内分布情况对术后病椎的应力影响。
方法：利用志愿者椎体 CT数据，建立T12~L2椎体有限元模型。模拟L1椎体OVCFs，行PVP。向L1椎体内注入骨水泥柱，骨水泥形成3组分布 模式（骨水泥分布不充分组、分布充分组和分布不对称组，其中分布不对称组包括骨水泥偏上分布和偏下分布）。研究不 同方向运动对术后L1椎体的生物力学影响。
结果：（1）与骨质疏松的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没有变化。（2）与骨水泥分布充分组相比，不充分组L1 椎体的松质骨和皮质骨的最大应力和最大位移均显著增加，而不对称组中松质骨的最大应力显著增加。（3）在不同方向的 载荷条件下都能得到相似的结果。
结论：（1）在OVCFs的PVP中，病椎骨水泥分布不充分会引起术后该椎体最大位移明 显增加，导致术后疼痛未缓解。（2）病椎骨水泥分布不充分和分布不对称会引起术后病椎皮质骨及松质骨的最大应力明显 增加，所以容易导致术后病椎的再次骨折。
【关键词】椎体成形术；有限元；骨质疏松；椎体压缩性骨折
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）。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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