经皮椎体成形术椎间盘骨水泥渗漏对相邻椎体生物力学影响的有限元分析

付海军 冯毅 武太勇 李健

0 引言

骨质疏松椎体压缩骨折(osteoporosis vertebral compression fracture,OVCF)是最常见的骨质疏松骨折类型，其治疗的手术方法首选就是椎体增强术，包括经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty,PVP)和经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty,PKP)，虽然手术技术经临床普遍发展及广泛应用已达成熟水平，但其并发症仍存诸多争议，如骨水泥渗漏、相邻椎体骨折等[1]。有研究表明，发生在椎间盘的骨水泥渗漏会增加术后邻近椎体发生骨折的风险[2-4]。而在临床病例观察和分析的过程当中，个体化的差异以及诸多无法控制的影响因素，如骨密度的不同以及每位手术患者注入骨水泥的位置及渗漏量都会存在差别，都会影响统计结果的准确性与可信度。在有限元的模型上，可以在一例患者的椎体模型上通过改变想要改变的因素，有效控制其他影响因素，从而可以从力学分析结果来佐证临床病例分析所得出的结论。为了分析 OVCF在行PVP手术后对相邻椎体应力的影响，课题组运用有限元分析 (finite element analysis,FEA) 的方法进行研究，从而验证临床病例分析的结果的准确度与可信度。

1 方法

1.1 纳入患者

本研究纳入一名腰1椎体压缩骨折PVP术后的患者，纳入标准为术前：①急性、轻度或中度暴力造成的腰椎压缩骨折；②腰背部疼痛VAS评分≥5分；③病椎行MRI检查示T1加权像呈高信号，T2加权像呈低信号；④骨密度测定T≤-1.5。排除标准：其他可能的病理性骨折。该名患者年龄为64岁，术后VAS评分降至2分。

1.2 模型的建立

对患者PVP术后胸腰椎CT数据以 DICOM 格式储存，然后导入 Mimics 21. 0 (Materiaise’s interactive medical image control system，比利时Materialise公司) 软件，根据不同组织在CT图像上灰度值的差异提取骨组织与骨水泥团块，通过阈值化及相应多余蒙版的擦除操作，构建得到PVP术后 T12-L1三维模型，将模型复制到3-matic(Materialise公司出品的基于数字化CAD/STL的正向工程软件)软件中，通过编辑构造出3D对照模型(骨水泥量为4.1 mL，右侧注入)，并对模型进行网格划分(5 mm网格)，见图1。再次将模型导入Mimics 21.0，通过进一步对蒙版的增加编辑，模拟出骨水泥渗漏至上(实验模型a)、下(实验模型b)和上下均渗漏(实验模型c)的3种模型(图2)，实验模型c的骨水泥渗漏量为实验模型a与实验模型b的总和。通过进一步编辑处理模拟控制骨水泥渗出量为1 mL、1.5 mL、2 mL，相应命名为低渗漏量组、中渗漏量组、高渗漏量组，渗出量的测算以渗入椎间盘范围的骨水泥用Mimics测量菜单下的体积计算功能对其进行计算。

图1 PVP术后对照模型(5 mm网格划分)Figure 1 PVP postoperative control model (5 mm grid division)

1.3 有限元分析前处理

使用 ANSYS 17.0(美国ANSYS公司产品，大型通用有限元分析FEA软件)软件进行FEA分析，首先对三维模型进行 FEA 前处理。将包括 T12- L1椎体、骨水泥、椎间盘、终板和关节突关节软骨等部分的三维模型导入 ANSYS 软件，补充相关结构。参考近期关于 OVCF 研究中所使用的材料属性对之前构建的三维模型各个部分进行材料属性赋值(表1)[5-8]。

表1 有限元分析模型材料属性Table 1 Material properties of finite element analysis model

所有模型均定义为线弹性、各向同性材料，其中皮质骨、松质骨、终板、关节软骨和髓核定义为线性各向同性弹性材料的固体单元，网格、节点和单元由软件生成，终板、关节软骨、骨折线、椎间盘、皮质骨、松质骨和骨水泥划分为 5 mm 的网格。终板与椎体、终板与椎间盘、关节软骨与骨骼之间的连接关系定义为共节点约束关系，关节软骨与关节软骨之间的连接定义为无摩擦。

实验模型c的骨水泥渗漏量为实验模型a与实验模型b的总和。图2 低渗漏量组(1 mL)各模型示意图Figure 2 Schematic diagram of each model of low leakage group (1 mL)

1.4 模型加载及有限元分析

应用ANSYS 17.0模拟生理状态下的重力作用：给予轴向压缩加载实验，加载条件为500 N，沿垂直方向。载荷施加于 T12椎体上终板表面，L2椎体终板下表面约束，位移为零。Von Mises应力云图显示相邻椎体应力分布情况。

1.5 评价指标与统计学方法

图3 T12、L2椎体节点选取示意图Figure 3 Schematic diagram of selection of Von Mises stress nodes in T12 and L2 vertebrae

2 结果

2.1 模型有效性的验证

基于骨质疏松压缩骨折PVP术前与术后CT数据逆向重建的T12、L1、L2三椎体3D有限元模型，包括椎间盘及相应韧带。模型应力分布结果与以往研究具有相似性[9-10]，认为模型有效。

2.2 各椎体的Von Mises应力分析比较

各个模型各椎体的Von Mises应力测量计算结果见表2、表3、表4以及图4、图5，伤椎为L1椎体。在低渗漏量组中，与对照模型相比，实验模型a、b、c的应力变化均值均大于对照模型(P<0.05)；实验模型a、c的T12椎体的前皮质柱、前1/3柱、中心柱的应力变化均大于实验模型b)(P<0.05)；实验模型b、c的L1椎体的前皮质柱、前1/3柱、中心柱的应力变化均大于实验模型a(P<0.05)；且纵向比较中，实验模型a、b、c的T12、L1椎体的各应力柱情况：前1/3柱>前皮质柱>中心柱(P<0.05)。

图4 各模型各椎体的Von Mises应力云分布图(高渗漏量组)Figure 4 Von Mises stress cloud distribution map of each vertebral body of each model (high leakage group)

表2 低渗漏量组不同模型各椎体Von Mises应力测量结果与比较(n=10，单位：MPa)Table 2 The results of Von Mises stress measurement in different models of vertebrae and their comparison in low leakage group (n=10,unit:MPa)

表3 中渗漏量组不同模型各椎体Von Mises应力测量结果与比较(n=10，单位：MPa)Table 3 The results of Von Mises stress measurement in different models of vertebrae and their comparison in medium leakage group(n=10,unit:MPa)

表4 高渗漏量组不同模型各椎体Von Mises应力测量结果与比较(n=10，单位：MPa)Table 4 The results of Von Mises stress measurement in different models of vertebrae and their comparison in high leakage group(n=10,unit:MPa)

A1—T12椎体前皮质柱；A2—T12椎体前1/3柱；A3—T12椎体中心柱；B1—T12椎体前皮质柱；B2—T12椎体前1/3柱；B3—T12椎 体中心柱。图5 不同模型各椎体Von Mises应力测量结果直方图Figure 5 Histogram of Von Mises stress measurement results of vertebral bodies of different models

在中渗漏量组中，与对照模型相比，实验模型a、b、c的应力变化均值均大于对照模型(P<0.05)；实验模型a、c的T12椎体的前皮质柱、前1/3柱、中心柱的应力变化均大于实验模型b(P<0.05)；实验模型b、c的L1椎体的前皮质柱、前1/3柱、中心柱的应力变化均大于实验模型a(P<0.05)；在纵向比较中，实验模型a、b、c的T12、L1椎体的各应力柱情况：前1/3柱>前皮质柱>中心柱(P<0.05)。

在高渗漏量组中，与对照模型相比，实验模型a、b、c的应力变化均值均大于对照模型(P<0.05)；实验模型a、c的T12椎体的前皮质柱、前1/3柱、中心柱的应力变化均大于实验模型b(P<0.05)；实验模型b、c的L1椎体的前皮质柱、前1/3柱、中心柱的应力变化均大于实验模型a(P<0.05)；在纵向比较中，实验模型a、b、c的T12、L1椎体的各应力柱情况：前1/3柱>前皮质柱>中心柱(P<0.05)。但存在两组异常数据，即高渗漏量组实验模型b中T12椎体中心柱应力小于对应的中渗漏量组；高渗漏量组实验模型b中T12椎体前皮质柱的应力大于前1/3柱。

在组间比较中，对于对照模型，其T12、L1椎体的前皮质柱、前1/3柱以及中心柱应力变化情况均为：高渗漏量组>中渗漏量组>低渗漏量组；对于实验模型a，其T12椎体的前皮质柱、前1/3柱以及中心柱应力变化情况为：高渗漏量组>中渗漏量组>低渗漏量组；而L2椎体的前1/3柱、中心柱应力变化情况为：中渗漏量组>高渗漏量组>低渗漏量组，其前皮质柱应力变化情况为：高渗漏量组>中渗漏量组>低渗漏量组。对于实验模型b，其T12、L1椎体的前皮质柱应力变化情况为：高渗漏量组>中渗漏量组>低渗漏量组，而对于实验模型c，其T12、L1椎体的前皮质柱、前1/3柱以及中心柱应力变化情况均为：高渗漏量组>中渗漏量组>低渗漏量组。而其T12椎体的前皮质柱、前1/3柱以及中心柱应力变化情况为：高渗漏量组>中渗漏量组>低渗漏量组。

3 讨论

随着PVP在临床用于治疗老年骨质疏松性椎体压缩性骨折的普及，与其相关生物力学研究也越来越成为生物力学及临床领域较为关注的问题[11-14]。有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段，随着医学影像技术和数字化科学的发展，逐渐应用到脊柱生物力学领域[15-17]。

在本研究中，建立了L1椎体压缩骨折PVP术后模拟模型与骨水泥渗漏的模拟模型，相同载荷下，以相邻椎体Von Mises应力作为研究指标，通过改变渗出的骨水泥量，再计算分析相邻椎体应力的变化，从而得出其生物力学影响。结果显示：实验模型相邻椎体的应力均显著大于对照模型，笔者认为上述结果说明骨水泥渗漏至椎间盘对椎体应力的改变是显著的，因此可得出，PVP手术发生椎间盘骨水泥渗漏是术后相邻椎体发生骨折的一个重要危险因素。再者横向比较每组内的结果，3组T12椎体、L1椎体前1/3柱>前皮质柱>中心柱，可以说明在模拟PVP手术发生骨水泥渗漏至椎间盘时，各椎体的前1/3柱应力改变相对较大，这为PVP术后相邻椎体骨折的好发位置提供了支持依据。而且，从3组数据的比较中可以看出，骨水泥渗漏量对应力变化也有直接关系，且骨水泥渗出越多，应力变化幅度越大，这警示笔者在临床工作中一定要控制好骨水泥的注入量，并且谨防过多的渗出至椎间盘，增加患者术后发生相邻椎体骨折的风险。结果中有两组异常数据，即高渗漏量组实验模型b中T12椎体中心柱应力小于对应的中渗漏量组；高渗漏量组实验模型b中T12椎体前皮质柱的应力大于前1/3柱，笔者认为这与骨水泥渗漏的位置、形状相关，可以进一步研究骨水泥渗漏位置及形状对相邻椎体的生物力学影响。

在OVCF手术治疗的术后并发症中，相邻椎体发生骨折的危险因素众多，如：术中骨水泥的用量，术后Cobb角的大小，骨盆的稳定性，相邻椎体骨密度值的大小差异，术后病椎椎体高度，当然，还有本研究中涉及的术中骨水泥渗漏至椎间盘。每种因素的影响都有诸多文献的研究，对于课题组研究的这一种因素，Lin等[12]随访的14名PVP术后发生相邻椎体骨折的病例中，有10名与椎间盘骨水泥渗漏有关。而在Cheng等[14]更为科学的病例分析中，257例患者，骨水泥渗漏至椎间盘31例(12.06%)中发生邻近椎体骨折13例(41.93%)；而在总的22例(8.56%)邻近椎体骨折中，13例(59.09%)为骨水泥渗漏至椎间盘所致。结合本研究的生物力学分析，说明PVP术后骨水泥渗漏至椎间盘，会加大邻近椎体发生骨折的风险。

本研究的模型较大程度地还原了骨折的楔形变，较高水平地模仿了PVP术的骨水泥灌注与椎体高度的还原；对于利用有限元模型模拟骨骼构造进行生物力学分析，其优势在于：无法进行人体实验的研究以及利用标本无法真实还原手术的相关研究，有限元分析很好地解决了这种难题，并且，有限元分析可以控制很多在临床病例中无法排除的影响因素。对于力学分析而言，本研究只是简单地利用模型进行模拟，在以后的研究中，应考虑更多因素对生物力学的影响，建立更精确的模型，为经皮椎体成形术后椎体的生物力学研究提供一个更为广阔的平台。该模型与力学分析均有不足之处，对于模型的建立而言，其最大的局限性在于无法精确地做到与人体构造相同[18]，只能进行局部大致模拟人体组织构造，众所周知，人体构造相当精细，现代技术还无法做到精确模拟。模型中部分组织被看作是同质、各向同性及线弹性材料，较为简化。而且，影响相邻椎体应力不仅仅是骨水泥量这一点，骨水泥渗漏至椎间盘的形状、位置都会对其产生不同的力学影响[19-22]，故本研究还存在诸多尚需改进的地方。

总之，本研究从数字化模拟的角度出发验证临床问题，证明PVP术中骨水泥发生椎间盘渗漏对比未发生渗漏来说，相邻椎体应力改变相对较大，发生骨折的可能性更大，可将PVP手术发生椎间盘骨水泥渗漏视作术后相邻椎体发生骨折的一个重要危险因素。而且本研究也发现，骨水泥渗漏量也与相邻椎体的应力呈正相关。因此，在进行PVP手术过程中要时刻谨防发生骨水泥渗漏；发生椎间盘骨水泥渗漏时，要采取相应措施预防相邻椎体的骨折。