經(jīng)皮椎體成形術(shù)椎間盤骨水泥滲漏對(duì)相鄰椎體生物力學(xué)影響的有限元分析

付海軍 馮毅 武太勇 李健

0 引言

骨質(zhì)疏松椎體壓縮骨折(osteoporosis vertebral compression fracture,OVCF)是最常見(jiàn)的骨質(zhì)疏松骨折類型，其治療的手術(shù)方法首選就是椎體增強(qiáng)術(shù)，包括經(jīng)皮椎體成形術(shù)(percutaneous vertebroplasty,PVP)和經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(percutaneous kyphoplasty,PKP)，雖然手術(shù)技術(shù)經(jīng)臨床普遍發(fā)展及廣泛應(yīng)用已達(dá)成熟水平，但其并發(fā)癥仍存諸多爭(zhēng)議，如骨水泥滲漏、相鄰椎體骨折等[1]。有研究表明，發(fā)生在椎間盤的骨水泥滲漏會(huì)增加術(shù)后鄰近椎體發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。而在臨床病例觀察和分析的過(guò)程當(dāng)中，個(gè)體化的差異以及諸多無(wú)法控制的影響因素，如骨密度的不同以及每位手術(shù)患者注入骨水泥的位置及滲漏量都會(huì)存在差別，都會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度。在有限元的模型上，可以在一例患者的椎體模型上通過(guò)改變想要改變的因素，有效控制其他影響因素，從而可以從力學(xué)分析結(jié)果來(lái)佐證臨床病例分析所得出的結(jié)論。為了分析 OVCF在行PVP手術(shù)后對(duì)相鄰椎體應(yīng)力的影響，課題組運(yùn)用有限元分析 (finite element analysis,FEA) 的方法進(jìn)行研究，從而驗(yàn)證臨床病例分析的結(jié)果的準(zhǔn)確度與可信度。

1 方法

1.1 納入患者

本研究納入一名腰1椎體壓縮骨折PVP術(shù)后的患者，納入標(biāo)準(zhǔn)為術(shù)前：①急性、輕度或中度暴力造成的腰椎壓縮骨折；②腰背部疼痛VAS評(píng)分≥5分；③病椎行MRI檢查示T1加權(quán)像呈高信號(hào)，T2加權(quán)像呈低信號(hào)；④骨密度測(cè)定T≤-1.5。排除標(biāo)準(zhǔn)：其他可能的病理性骨折。該名患者年齡為64歲，術(shù)后VAS評(píng)分降至2分。

1.2 模型的建立

對(duì)患者PVP術(shù)后胸腰椎CT數(shù)據(jù)以 DICOM 格式儲(chǔ)存，然后導(dǎo)入 Mimics 21. 0 (Materiaise’s interactive medical image control system，比利時(shí)Materialise公司) 軟件，根據(jù)不同組織在CT圖像上灰度值的差異提取骨組織與骨水泥團(tuán)塊，通過(guò)閾值化及相應(yīng)多余蒙版的擦除操作，構(gòu)建得到PVP術(shù)后 T12-L1三維模型，將模型復(fù)制到3-matic(Materialise公司出品的基于數(shù)字化CAD/STL的正向工程軟件)軟件中，通過(guò)編輯構(gòu)造出3D對(duì)照模型(骨水泥量為4.1 mL，右側(cè)注入)，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(5 mm網(wǎng)格)，見(jiàn)圖1。再次將模型導(dǎo)入Mimics 21.0，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)蒙版的增加編輯，模擬出骨水泥滲漏至上(實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢)、下(實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥)和上下均滲漏(實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚦)的3種模型(圖2)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚦的骨水泥滲漏量為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥的總和。通過(guò)進(jìn)一步編輯處理模擬控制骨水泥滲出量為1 mL、1.5 mL、2 mL，相應(yīng)命名為低滲漏量組、中滲漏量組、高滲漏量組，滲出量的測(cè)算以滲入椎間盤范圍的骨水泥用Mimics測(cè)量菜單下的體積計(jì)算功能對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

圖1 PVP術(shù)后對(duì)照模型(5 mm網(wǎng)格劃分)Figure 1 PVP postoperative control model (5 mm grid division)

1.3 有限元分析前處理

使用 ANSYS 17.0(美國(guó)ANSYS公司產(chǎn)品，大型通用有限元分析FEA軟件)軟件進(jìn)行FEA分析，首先對(duì)三維模型進(jìn)行 FEA 前處理。將包括 T12- L1椎體、骨水泥、椎間盤、終板和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨等部分的三維模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件，補(bǔ)充相關(guān)結(jié)構(gòu)。參考近期關(guān)于 OVCF 研究中所使用的材料屬性對(duì)之前構(gòu)建的三維模型各個(gè)部分進(jìn)行材料屬性賦值(表1)[5-8]。

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

所有模型均定義為線彈性、各向同性材料，其中皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、關(guān)節(jié)軟骨和髓核定義為線性各向同性彈性材料的固體單元，網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)和單元由軟件生成，終板、關(guān)節(jié)軟骨、骨折線、椎間盤、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和骨水泥劃分為 5 mm 的網(wǎng)格。終板與椎體、終板與椎間盤、關(guān)節(jié)軟骨與骨骼之間的連接關(guān)系定義為共節(jié)點(diǎn)約束關(guān)系，關(guān)節(jié)軟骨與關(guān)節(jié)軟骨之間的連接定義為無(wú)摩擦。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚦的骨水泥滲漏量為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥的總和。圖2 低滲漏量組(1 mL)各模型示意圖Figure 2 Schematic diagram of each model of low leakage group (1 mL)

1.4 模型加載及有限元分析

應(yīng)用ANSYS 17.0模擬生理狀態(tài)下的重力作用：給予軸向壓縮加載實(shí)驗(yàn)，加載條件為500 N，沿垂直方向。載荷施加于 T12椎體上終板表面，L2椎體終板下表面約束，位移為零。Von Mises應(yīng)力云圖顯示相鄰椎體應(yīng)力分布情況。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

圖3 T12、L2椎體節(jié)點(diǎn)選取示意圖Figure 3 Schematic diagram of selection of Von Mises stress nodes in T12 and L2 vertebrae

2 結(jié)果

2.1 模型有效性的驗(yàn)證

基于骨質(zhì)疏松壓縮骨折PVP術(shù)前與術(shù)后CT數(shù)據(jù)逆向重建的T12、L1、L2三椎體3D有限元模型，包括椎間盤及相應(yīng)韌帶。模型應(yīng)力分布結(jié)果與以往研究具有相似性[9-10]，認(rèn)為模型有效。

2.2 各椎體的Von Mises應(yīng)力分析比較

各個(gè)模型各椎體的Von Mises應(yīng)力測(cè)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3、表4以及圖4、圖5，傷椎為L(zhǎng)1椎體。在低滲漏量組中，與對(duì)照模型相比，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、b、c的應(yīng)力變化均值均大于對(duì)照模型(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、c的T12椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱、中心柱的應(yīng)力變化均大于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥)(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥、c的L1椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱、中心柱的應(yīng)力變化均大于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢(P<0.05)；且縱向比較中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、b、c的T12、L1椎體的各應(yīng)力柱情況：前1/3柱>前皮質(zhì)柱>中心柱(P<0.05)。

圖4 各模型各椎體的Von Mises應(yīng)力云分布圖(高滲漏量組)Figure 4 Von Mises stress cloud distribution map of each vertebral body of each model (high leakage group)

表2 低滲漏量組不同模型各椎體Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與比較(n=10，單位：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 中滲漏量組不同模型各椎體Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與比較(n=10，單位：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 高滲漏量組不同模型各椎體Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與比較(n=10，單位：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椎體前皮質(zhì)柱；A2—T12椎體前1/3柱；A3—T12椎體中心柱；B1—T12椎體前皮質(zhì)柱；B2—T12椎體前1/3柱；B3—T12椎 體中心柱。圖5 不同模型各椎體Von Mises應(yīng)力測(cè)量結(jié)果直方圖Figure 5 Histogram of Von Mises stress measurement results of vertebral bodies of different models

在中滲漏量組中，與對(duì)照模型相比，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、b、c的應(yīng)力變化均值均大于對(duì)照模型(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、c的T12椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱、中心柱的應(yīng)力變化均大于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥、c的L1椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱、中心柱的應(yīng)力變化均大于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢(P<0.05)；在縱向比較中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、b、c的T12、L1椎體的各應(yīng)力柱情況：前1/3柱>前皮質(zhì)柱>中心柱(P<0.05)。

在高滲漏量組中，與對(duì)照模型相比，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、b、c的應(yīng)力變化均值均大于對(duì)照模型(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、c的T12椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱、中心柱的應(yīng)力變化均大于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥、c的L1椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱、中心柱的應(yīng)力變化均大于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢(P<0.05)；在縱向比較中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢、b、c的T12、L1椎體的各應(yīng)力柱情況：前1/3柱>前皮質(zhì)柱>中心柱(P<0.05)。但存在兩組異常數(shù)據(jù)，即高滲漏量組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥中T12椎體中心柱應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)的中滲漏量組；高滲漏量組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥中T12椎體前皮質(zhì)柱的應(yīng)力大于前1/3柱。

在組間比較中，對(duì)于對(duì)照模型，其T12、L1椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱以及中心柱應(yīng)力變化情況均為：高滲漏量組>中滲漏量組>低滲漏量組；對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚢，其T12椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱以及中心柱應(yīng)力變化情況為：高滲漏量組>中滲漏量組>低滲漏量組；而L2椎體的前1/3柱、中心柱應(yīng)力變化情況為：中滲漏量組>高滲漏量組>低滲漏量組，其前皮質(zhì)柱應(yīng)力變化情況為：高滲漏量組>中滲漏量組>低滲漏量組。對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥，其T12、L1椎體的前皮質(zhì)柱應(yīng)力變化情況為：高滲漏量組>中滲漏量組>低滲漏量組，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚦，其T12、L1椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱以及中心柱應(yīng)力變化情況均為：高滲漏量組>中滲漏量組>低滲漏量組。而其T12椎體的前皮質(zhì)柱、前1/3柱以及中心柱應(yīng)力變化情況為：高滲漏量組>中滲漏量組>低滲漏量組。

3 討論

隨著PVP在臨床用于治療老年骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的普及，與其相關(guān)生物力學(xué)研究也越來(lái)越成為生物力學(xué)及臨床領(lǐng)域較為關(guān)注的問(wèn)題[11-14]。有限元分析作為一種較新的生物力學(xué)研究手段，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和數(shù)字化科學(xué)的發(fā)展，逐漸應(yīng)用到脊柱生物力學(xué)領(lǐng)域[15-17]。

在本研究中，建立了L1椎體壓縮骨折PVP術(shù)后模擬模型與骨水泥滲漏的模擬模型，相同載荷下，以相鄰椎體Von Mises應(yīng)力作為研究指標(biāo)，通過(guò)改變滲出的骨水泥量，再計(jì)算分析相鄰椎體應(yīng)力的變化，從而得出其生物力學(xué)影響。結(jié)果顯示：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖噜徸刁w的應(yīng)力均顯著大于對(duì)照模型，筆者認(rèn)為上述結(jié)果說(shuō)明骨水泥滲漏至椎間盤對(duì)椎體應(yīng)力的改變是顯著的，因此可得出，PVP手術(shù)發(fā)生椎間盤骨水泥滲漏是術(shù)后相鄰椎體發(fā)生骨折的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素。再者橫向比較每組內(nèi)的結(jié)果，3組T12椎體、L1椎體前1/3柱>前皮質(zhì)柱>中心柱，可以說(shuō)明在模擬PVP手術(shù)發(fā)生骨水泥滲漏至椎間盤時(shí)，各椎體的前1/3柱應(yīng)力改變相對(duì)較大，這為PVP術(shù)后相鄰椎體骨折的好發(fā)位置提供了支持依據(jù)。而且，從3組數(shù)據(jù)的比較中可以看出，骨水泥滲漏量對(duì)應(yīng)力變化也有直接關(guān)系，且骨水泥滲出越多，應(yīng)力變化幅度越大，這警示筆者在臨床工作中一定要控制好骨水泥的注入量，并且謹(jǐn)防過(guò)多的滲出至椎間盤，增加患者術(shù)后發(fā)生相鄰椎體骨折的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果中有兩組異常數(shù)據(jù)，即高滲漏量組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥中T12椎體中心柱應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)的中滲漏量組；高滲漏量組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚥中T12椎體前皮質(zhì)柱的應(yīng)力大于前1/3柱，筆者認(rèn)為這與骨水泥滲漏的位置、形狀相關(guān)，可以進(jìn)一步研究骨水泥滲漏位置及形狀對(duì)相鄰椎體的生物力學(xué)影響。

在OVCF手術(shù)治療的術(shù)后并發(fā)癥中，相鄰椎體發(fā)生骨折的危險(xiǎn)因素眾多，如：術(shù)中骨水泥的用量，術(shù)后Cobb角的大小，骨盆的穩(wěn)定性，相鄰椎體骨密度值的大小差異，術(shù)后病椎椎體高度，當(dāng)然，還有本研究中涉及的術(shù)中骨水泥滲漏至椎間盤。每種因素的影響都有諸多文獻(xiàn)的研究，對(duì)于課題組研究的這一種因素，Lin等[12]隨訪的14名PVP術(shù)后發(fā)生相鄰椎體骨折的病例中，有10名與椎間盤骨水泥滲漏有關(guān)。而在Cheng等[14]更為科學(xué)的病例分析中，257例患者，骨水泥滲漏至椎間盤31例(12.06%)中發(fā)生鄰近椎體骨折13例(41.93%)；而在總的22例(8.56%)鄰近椎體骨折中，13例(59.09%)為骨水泥滲漏至椎間盤所致。結(jié)合本研究的生物力學(xué)分析，說(shuō)明PVP術(shù)后骨水泥滲漏至椎間盤，會(huì)加大鄰近椎體發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究的模型較大程度地還原了骨折的楔形變，較高水平地模仿了PVP術(shù)的骨水泥灌注與椎體高度的還原；對(duì)于利用有限元模型模擬骨骼構(gòu)造進(jìn)行生物力學(xué)分析，其優(yōu)勢(shì)在于：無(wú)法進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)的研究以及利用標(biāo)本無(wú)法真實(shí)還原手術(shù)的相關(guān)研究，有限元分析很好地解決了這種難題，并且，有限元分析可以控制很多在臨床病例中無(wú)法排除的影響因素。對(duì)于力學(xué)分析而言，本研究只是簡(jiǎn)單地利用模型進(jìn)行模擬，在以后的研究中，應(yīng)考慮更多因素對(duì)生物力學(xué)的影響，建立更精確的模型，為經(jīng)皮椎體成形術(shù)后椎體的生物力學(xué)研究提供一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。該模型與力學(xué)分析均有不足之處，對(duì)于模型的建立而言，其最大的局限性在于無(wú)法精確地做到與人體構(gòu)造相同[18]，只能進(jìn)行局部大致模擬人體組織構(gòu)造，眾所周知，人體構(gòu)造相當(dāng)精細(xì)，現(xiàn)代技術(shù)還無(wú)法做到精確模擬。模型中部分組織被看作是同質(zhì)、各向同性及線彈性材料，較為簡(jiǎn)化。而且，影響相鄰椎體應(yīng)力不僅僅是骨水泥量這一點(diǎn)，骨水泥滲漏至椎間盤的形狀、位置都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不同的力學(xué)影響[19-22]，故本研究還存在諸多尚需改進(jìn)的地方。

總之，本研究從數(shù)字化模擬的角度出發(fā)驗(yàn)證臨床問(wèn)題，證明PVP術(shù)中骨水泥發(fā)生椎間盤滲漏對(duì)比未發(fā)生滲漏來(lái)說(shuō)，相鄰椎體應(yīng)力改變相對(duì)較大，發(fā)生骨折的可能性更大，可將PVP手術(shù)發(fā)生椎間盤骨水泥滲漏視作術(shù)后相鄰椎體發(fā)生骨折的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素。而且本研究也發(fā)現(xiàn)，骨水泥滲漏量也與相鄰椎體的應(yīng)力呈正相關(guān)。因此，在進(jìn)行PVP手術(shù)過(guò)程中要時(shí)刻謹(jǐn)防發(fā)生骨水泥滲漏；發(fā)生椎間盤骨水泥滲漏時(shí)，要采取相應(yīng)措施預(yù)防相鄰椎體的骨折。