骨质疏松性椎体压缩骨折不同骨水泥分布的临床观察及生物力学的有限元分析

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目的研究在经皮椎体后凸成形术（percutaneous kyphoplasty,PKP）中两种不同分布骨水泥对术后骨折椎体及邻近椎体的临床及生物力学结果。方法回顾性分析西安交通大学第二附属医院2018年9月—2020年11月51例单节段骨质疏松性椎体压缩骨折患者，男性21例，女性30例；年龄61～82岁，平均68.1岁；受伤椎体均为腰椎。根据术后患者影像学资料，按椎体中的双侧骨水泥是否连接分为两组，未连接组32例，连接组19例。比较两组患者的围术期资料，同时应用L2～L4的椎体三维有限元模型进行有限元分析验证。设定站立位状态下脊柱承受的轴向压缩生理载荷和边界条件，分别在5种运动状态（压缩、前屈、后伸、侧弯和旋转）中加载模型进行受力分析，并比较在不同骨水泥分布下连接组、未连接组两组模型之间骨折椎体及邻近椎体的应力差。结果 51例患者平均随访时间14.4（6～24）个月。末次随访时，两组患者后凸角（Cobb）和视觉模拟评分的术后改善程度相似，组间差异无统计学意义（P＞0.05）。相邻椎体骨折共8例（16%,8/51），其中未连接组2例（6%,2/32），连接组6例（32%,6/19）；骨水泥渗漏10例（20%,10/51），其中未连接组3例（9%,3/32），连接组7例（37%,7/19）；末次随访时椎体再压缩骨折5例（10%,5/51），其中未连接组1例（3%,1/32），连接组4例（21%,4/19）；两组差异有统计学意义（P＜0.05）。有限元分析结果显示：在压缩、前屈、后伸、侧弯4种运动状态下，两组模型所受最大应力比较差异无统计学意义（P＞0.05）；在旋转状态下，连接组模型最大应力为9.6N，未连接组模型最大应力为18.4N。同时在5种运动状态下的连接组模型椎体所受平均应力均大于未连接组模型平均应力，两者比较差异有统计学意义（P＜0.05）。结论无论是否连接双侧骨水泥，PKP均可改善患者局部Cobb角和疼痛情况，提高生活质量。如果PKP术中骨水泥分布于椎体两侧可能会使骨折椎体及邻近椎体所受应力较小，同时也可能会降低骨水泥渗漏、骨折椎体再次骨折及邻近椎体新发骨折的概率，使骨质疏松性椎体压缩骨折在PKP术后疗效更好。

关键词：椎体压缩骨折;椎体后凸成形术;骨质疏松;骨水泥;生物力学;有限元分析;

材料与方法

１一般资料

本研究为回顾性研究。２０１８年９月—２０２０年１１月５１例ＭＲＩ诊断的符合以下标准的单节段ＯＶＣＦ患者被纳入本研究。根据术后１ｄＸ线片，将患者分为骨水泥连接组和骨水泥未连接组。对于Ｘ线片难以确定的患者，则通过薄层ＣＴ扫描来确定（图１）。连接组：Ｘ线正位片和侧位片显示两侧骨水泥连接。未连接组：Ｘ线正位片或侧位片显示两侧骨水泥未连接。纳入标准：（１）单节段ＯＶＣＦ；（２）１５％＜塌陷＜６０％；（３）２周＜症状持续时间＜３个月；（４）视觉模拟评分（ｖｉｓｕａｌａｎａｌｏｇｕｅｓｃａｌｅ，ＶＡＳ）＞５分；（５）骨密度（ｂｏｎｅｍｉｎｅｒａｌｄｅｎｓｉｔｙ，ＢＭＤ）Ｔ值＜－２．５；（６）６０岁＜年龄＜８５岁。排除标准：（１）一般身体状况差；（２）骨折由恶性疾病引起；（３）椎弓根或椎体后壁破裂；（４）伴椎管狭窄；（５）伴有下肢症状的椎体骨折。

２建立Ｌ２～Ｌ４椎体的三维模型并进行有限元网格划分选取１位女性健康老年志愿者，６４岁，身高１６０ｃｍ，体质量６２ｋｇ，既往身体健康，无脊柱相关性疾病及创伤史，腰椎Ｘ线正侧位片和ＣＴ预扫描排除脊柱腰段的器质性病变。试验前将相关内容告知志愿者，并征得其同意。志愿者在仰卧位下行螺旋ＣＴ扫描（美国ＧＥ公司，ＬｉｇｈｔＳｐｅｅｄ１６排螺旋ＣＴ机），共获得３１６张连续横断面ＣＴ图像，以医学数字成像和通信（ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｍｅｄｉｃｉｎｅ，ＤＩＣＯＭ）标准格式导入Ｍｉｍｉｃｓ软件，建立Ｌ２～Ｌ４骨性结构的三维模型。以弹簧单元模拟前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带等主要韧带，韧带与皮质骨等材料属性和力学特性见表１。皮质骨、松质骨和终板的弹性模量比正常骨的弹性模量低，代表骨质疏松的骨状况，降低这些模量会导致整体压缩刚度降低，从而使椎体更容易发生压缩性骨折［８］。导入Ａｎｓｙｓ有限元分析软件进行生物力学分析，终板、关节软骨和椎间盘划分为１ｍｍ的网格，皮质骨、松质骨和骨水泥划分为３ｍｍ的网格。同时设定终板与椎体、终板与椎间盘、关节软骨与骨骼之间的连接定义为绑定，关节软骨与关节软骨之间的连接定义为无摩擦。

３有限元模型的测量

设定Ｌ３椎体为骨折椎体，两组均注入４ｍＬ骨水泥，其中连接组骨水泥位于椎体中央，未连接组骨水泥位于椎体两侧，同时两组骨水泥均与上下终板充分接触。自Ｌ２椎体表面施加５００Ｎ的预负荷，扭矩为７．５Ｎ·ｍ，约束Ｌ４椎体下终板的自由度，模拟日常活动，提取压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转５种运动状态椎体模型的应力云图。

４主要观察指标

患者均获得侧卧位Ｘ线片以测量椎体后凸角改善程度。在侧位Ｘ线图像上，从伤椎上方一级椎骨的上端板到伤椎下方一级椎骨的下端板测量Ｃｏｂｂ角。后凸角的改善计算如下：术前Ｃｏｂｂ角－术后Ｃｏｂｂ角。局灶性背痛的程度通过ＶＡＳ进行评估（０分＝无疼痛，１０分＝最严重疼痛）。ＶＡＳ改善的计算方法如下：术前ＶＡＳ－术后ＶＡＳ。水泥渗漏定义为通过Ｘ线观察到的任何椎外高信号的存在。术后与伤椎相邻椎体的新发骨折定义为邻近椎体骨折。同时观察两组三维有限元模型中骨折椎体及邻近椎体在各运动状态下不同骨水泥分布的应力差。

５统计学分析

应用ＳＰＳＳ２３．０统计软件进行分析。数字变量以ｘ±ｓ及百分比表示，对各组数据进行正态性检验，计数资料进行 χ２检验，计量资料进行ｔ检验。Ｐ＜０．０５为差异有统计学意义。