骨水泥注射体积与骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的关系

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.52.001

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (52): 8365-8372.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.52.001

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骨水泥注射体积与骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的关系

包拥政¹，祝周兴²，冯云升³，吴强¹，胡孔和¹，何小龙¹，朱文刚¹，席新华¹，钟学仁¹，周龙泽¹，廖军健¹，戴相恒¹

¹汕头大学医学院附属粤北人民医院骨科四区，广东省韶关市 512026；²韶关乐昌市人民医院骨科，广东省韶关市 512200；³韶关南雄市中医院骨科，广东省韶关市 512400

收稿日期:2015-11-06 出版日期:2015-12-17 发布日期:2015-12-17
通讯作者: 包拥政，在读博士，主治医师，汕头大学医学院附属粤北人民医院骨科四区，广东省韶关市 512026
作者简介:包拥政，男，1985年生，广东省韶关市人，汉族，南方医科大学在读博士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
2013年韶关市医药卫生科研计划项目(Y13175)

Relationship of bone cement injection volume with the stress of osteoporotic compression fractured and adjacent vertebrae

Bao Yong-zheng¹, Zhu Zhou-xing², Feng Yun-sheng³, Wu Qiang¹, Hu Kong-he¹, He Xiao-long¹,

Zhu Wen-gang¹, Xi Xin-hua¹, Zhong Xue-ren¹, Zhou Long-ze¹, Liao Jun-jian¹, Dai Xiang-heng¹

¹Fourth Ward, Department of Orthopedics, Yue Bei People’s Hospital Affiliated to Shantou University Medical College, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China; ²Department of Orthopedics, Lechang City People’s Hospital, Shaoguan 512200, Guangdong Province, China; ³Department of Orthopedics, Nanxiong Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shaoguan 512400, Guangdong Province, China

Received:2015-11-06 Online:2015-12-17 Published:2015-12-17
Contact: Bao Yong-zheng, Fourth Ward , Department of Orthopedics, Yue Bei People’s Hospital Affiliated to Shantou University Medical College, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China
About author:Bao Yong-zheng, Studying for doctorate, Attending physician, Fourth Ward, Department of Orthopedics, Yue Bei People’s Hospital Affiliated to Shantou University Medical College, Shaoguan 512026, Guangdong Province, China
Supported by:
the Medical and Health Research Project of Shaoguan in 2013, No. Y13175

摘要/Abstract

摘要：

背景：椎体成形及椎体后凸成形可有效修复骨质疏松性椎体压缩性骨折，但术后可引起骨折椎体及邻近椎体应力改变易导致新发骨折。
目的：应用三维有限元法分析椎体成形不同体积骨水泥注射后骨折椎体及邻近椎体的应力变化。
方法：选取1例有代表性的健康成年男性志愿者行腰椎CT扫描，将图像处理后导出应用Mimics进行三维重建，应用Geomagic对三维模型进行光滑、打磨、去噪，Ansys Workbench下装配实体模型，赋值后建立L2-L4段骨质疏松椎体压缩性骨折模型。设定在L3椎体注入分别1 mL、2 mL、4 mL、6 mL骨水泥，骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L2上表面施加500 N预载荷，附加弯矩为50 N•m，约束L4下表面自由度。模拟L2-L4前屈、后伸、右屈及右侧轴向旋转4种运动状态，比较不同体积骨水泥注射前后骨折椎体及上下邻近椎体的应力变化。
结果与结论：骨折椎体及邻近椎体应力骨水泥注射后均较注射前明显增加，并随骨水泥注入量的增加骨折椎体及邻近椎体承受的应力也随之增大，其可能是导致邻近椎体骨折的因素之一。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 骨质疏松, 椎体压缩性骨折, 椎体成形术, 骨水泥, 邻近椎体, 生物力学, 三维有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Vertebroplasty and kyphoplasty can effectively repair osteoporotic vertebral compression fractures, but postoperative change of stress in the fractured vertebrae and adjacent vertebrae can lead to new fractures.
OBJECTIVE: To analyze the stress changes of the fractured and adjacent vertebrae with different bone cement injection volume by three-dimensional finite element method.
METHODS: One healthy adult male volunteer was selected for lumbar spine CT scan. The acquired images were
imported for three-dimensional reconstruction using Mimics. The three-dimensional model was smoothed, polished and denoised by Geomagic software, and then the solid mode was built under Workbench Ansys. The osteoporotic vertebral compression fracture model in L2-L4 segments was established after assignment. Bone cement of 1, 2, 4, 6 mL was injected into the L3 vertebrae respectively and distributed in the middle of the vertebrae as spherical shape. 500 N pre-load was applied on L2 surface with an additional moment of 50 N•m. The lower surface free degree of L4 was restrainted. The L2-L4 forward flexion, extension, right flexion and axial rotation on the right side were stimulated to compare the stress changes of fractured vertebrae and adjacent vertebrae before and after the bone cement injection with different volume.
RESULTS AND CONCLUSION: The stresses of fractured and adjacent vertebrae after the bone cement injection were significantly increased; meanwhile, the stresses of fractured and adjacent vertebrae increased with the increase of bone cement injection volume, which may be one of the factors leading to the compression fractures of adjacent vertebrae.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

中图分类号:

R318

包拥政，祝周兴，冯云升，吴强，胡孔和，何小龙，朱文刚，席新华，钟学仁，周龙泽，廖军健，戴相恒. 骨水泥注射体积与骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的关系[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(52): 8365-8372.

Bao Yong-zheng, Zhu Zhou-xing, Feng Yun-sheng, Wu Qiang, Hu Kong-he, He Xiao-long. Relationship of bone cement injection volume with the stress of osteoporotic compression fractured and adjacent vertebrae[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(52): 8365-8372.

图/表（结果） 4

2.1 模型生成结果组装生成的L2-L4腰椎骨质疏松椎体压缩性骨折模型见图1，骨折前及不同骨水泥注射体积模型单元数及节点数见表2，注射不同体积骨水泥椎体成形后示意图见图2(骨水泥体积分别为1 mL、2 mL、4 mL、 6 mL)。

2.2 不同体积骨水泥注射前后骨折椎体及邻近椎体应力变化见表3。
不同体积骨水泥注射前后L2应力：见图3。

注射前：最大前屈应力为0.747 MPa，最大后伸应力为0.714 MPa，最大右屈应力为0.817 MPa，最大右旋应力为0.600 MPa。
注射骨水泥6 mL组：最大前屈应力为4.959 MPa，最大后伸应力为5.195 MPa，最大右屈应力为2.751 MPa，最大右旋应力为4.565 MPa。
注射骨水泥4 mL组：最大前屈应力为3.443 MPa，最大后伸应力为3.633 MPa，最大右屈应力为2.329 MPa，最大右旋应力为3.834 MPa。
注射骨水泥2 mL组：最大前屈应力为2.762 MPa，最大后伸应力为2.574 MPa，最大右屈应力为1.933 MPa，最大右旋应力为2.930 MPa。
注射骨水泥1 mL组：最大前屈应力为2.337 MPa，最大后伸应力为2.179 MPa，最大右屈应力为1.757 MPa，最大右旋应力为2.013 MPa。
不同体积骨水泥注射前后L3应力：见图4。

注射前：最大前屈应力为0.364 MPa，最大后伸应力为0.262 MPa，最大右屈应力为0.636 MPa，最大右旋应力为0.918 MPa。
注射骨水泥6 mL组：最大前屈应力为3.246 MPa，最大后伸应力为3.793 MPa，最大右屈应力为3.734 MPa，最大右旋应力为7.974 MPa。
注射骨水泥4 mL组：最大前屈应力为2.163 MPa，最大后伸应力为2.628 MPa，最大右屈应力为2.974 MPa，最大右旋应力为5.942 MPa。
注射骨水泥2 mL组：最大前屈应力为1.379 MPa，最大后伸应力为1.637 MPa，最大右屈应力为2.212 MPa，最大右旋应力为4.130 MPa。
注射骨水泥1 mL组：最大前屈应力为0.790 MPa，最大后伸应力为0.998 MPa，最大右屈应力为1.614 MPa，最大右旋应力为2.575 MPa。
不同体积骨水泥注射前后L4应力：见图5。注射前：最大前屈应力为0.326 MPa，最大后伸应力为0.344 MPa，最大右屈应力为0.416 MPa，最大右旋应力为0.909 MPa。
注射骨水泥6 mL组：最大前屈应力为6.830 MPa，最大后伸应力为7.800 MPa，最大右屈应力为4.096 MPa，最大右旋应力为4.801 MPa。
注射骨水泥4 mL组：最大前屈应力为4.861 MPa，最大后伸应力为5.722 MPa，最大右屈应力为3.512 MPa，最大右旋应力为3.443 MPa。
注射骨水泥2 mL组：最大前屈应力为3.893 MPa，最大后伸应力为4.570 MPa，最大右屈应力为2.828 MPa，最大右旋应力为2.837 MPa。
注射骨水泥1 mL组：最大前屈应力为2.842 MPa，最大后伸应力为3.626 MPa，最大右屈应力为2.471 MPa，最大右旋应力为2.076 MPa。

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计计算机模拟试验。
1.2 时间及地点于2015年5至10月在粤北人民医院骨科完成。
1.3 材料 General Electrics 64层螺旋CT机。
计算机工作站：Intel Core i7 2600四核3.4 GHz，16 G DDR3内存，1 G GDDR5 显存，1 T硬盘，操作系统Windows 7 Home Premium(64bit)。
医学图像处理软件：Mimics 10.01(医学三维重建软件，比利时Materialise公司)，Geomagic 12(逆向工程软件，美国Geomagic公司)，Ansys Workbench 14.0(通用有限元计算软件，美国Ansys公司)。
1.4 对象选取1名志愿者，男，33岁，对试验方案知情并签署同意书。
纳入标准：①无先天性、后天性脊柱畸形。②无脊柱肿瘤、结核、腰椎间盘突出、骨质增生等疾病。③无腰椎手术史。④知情同意。
排除标准：骨质疏松者。
1.5 方法
螺旋CT扫描：采用General 64层螺旋CT对已经选定的对象进行腰椎螺旋扫描及断层图像处理，扫描参数：层厚0.625 mm，球管电流200 mA、电压120 kV。扫描时志愿者采取仰卧位静止不动，保持扫描断面与身体长轴垂直。
CT图像处理及保存：在CT工作站中调整图灰度、增加对比度，对图像观察细节进行处理，得到清晰的骨窗断层图像，保存为Dicom格式刻录光盘保保存。
CT图像处理及腰段三维图像的重建：将Dicom格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。在Mimics中逐层分割提取已选取的CT图像，去除骨骼周围软组织图像，把腰椎L2-L4段从背景中分割。得到处理后每一个断层的CT图像，然后重建出腰段的三维图像，对其进行Mask蒙皮处理之后，以STL格式文件导出。
腰段椎体三维实体模型的建立和光滑处理：将前面得到的STL文件读入Geomagic软件，对三维模型进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理，生成三维图形IGES文件格式。
Workbench前处理：得到的IGES格式文件导入到Workbench中进行布尔运算操作，得到皮质骨、松质骨、后部结构、纤维环、髓核等组织结构。
网格划分：将装配好的实体模型，赋好材料参数(表1)，设置好接触，然后进行合适的单元设定及划分网格，单元尺寸2.0-3.0 mm，韧带单元采用杆单元(Link10)，设定其为只受拉不受压，其余部件均采用Solid 187实体单元。

接触设置：由于各部件之间不会发生分离，故接触均设置为绑定。
模拟运算：设定在L3为骨折椎体，分别注入1 mL、2 mL、4 mL、6 mL骨水泥，骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L¬上表面施加500 N预载荷，附加弯矩为50 N•m，约束L4下表面自由度。
模拟前屈、后伸、右屈及右轴向旋转(因左右对称，为减少运算量，本研究仅模拟右屈、右旋状态)4个方向L2-L4椎体应力变化情况。
1.6 主要观察指标观察三维有限元模型中骨折椎体及邻近椎体在椎体成形注射不同体积骨水泥前后各运动状态下的应力变化。
1.7 统计学分析采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，对各组数据行正态性检测，然后对治疗前与不同骨水泥注射体积后相同运动状态数据行配对t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

有限元法又称有限元素法，是一种有效的离散化数值计算方法，利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，把一个复杂的弹性物体可以看成是由无限个质点组成的集合体，用这种离散化的有限单元模型代替原有物体，用较简单的问题代替复杂问题后再求解，目前已广泛应用于医学领域。
1974年Belytschko等^[2]首先将有限元法应用于脊柱力学研究。20世纪90年代后期建立成熟的脊柱运动节段三维有限元模型完成了多项经皮椎体成形术模拟实验的研究^[3]。随着有限元技术的发展和椎体成形术在世界各地的广泛应用，越来越多有关骨质疏松及椎体成形三维有限元分析的文章发表^[4-14]。
近年来，经皮椎体成形广泛应用于骨折、畸形不严重，无明显脊髓、神经受压症状的骨质疏松椎体压缩性骨折治疗。与卧床保守治疗及椎弓根螺钉内固定相比，经皮椎体成形术具有见效快、创伤小、并发症少等优点。但Tanigawa等^[15]对194例患者共500个骨质疏松椎体压缩性骨折进行平均33个月的随访，发现椎体成形术后大约有1/3患者会发生再骨折，其中约2/3发生在邻近椎体，明显高于非邻近椎体。Trout等^[16]通过随访也发现邻近节段的再骨折约占再发骨折的41.4%，平均再发骨折时间为55 d，而非邻近节段再发骨折平均时间为127 d (P < 0.000 1)。Rohlmann等^[17]发现椎体发生楔形压缩骨折后，上半身重力所导致的弯曲力量增加，弯曲力随着楔形角度的增加而增大，需要更大的背部肌肉力量来保持平衡，背部肌力的增大将增加脊柱负荷与椎间盘的压力进而影响整个脊柱。也有学者通过生物力学测试证实这种增强的刚度能减少邻近椎体的极限载荷8%-30%，使力学负荷转移至相邻椎体，因此增加了相邻椎体继发性骨折的概率^[18-20]，不同骨水泥分布及量的变化均会导致邻近椎体及终板的应力变化^[21]。
本研究发现，椎体成形术后骨折椎体及邻近椎体应力均较术前明显增加(P < 0.05)，并随骨水泥注射体积的增加骨折椎体及邻近椎体承受的应力也随之增加，各组间 (1 mL、2 mL、4 mL、6 mL组)差异存在显著性意义(P < 0.05)。Yan等^[22]通过三维有限元分析发现椎体成形术后可骨水泥会导致上下终板的应力变化。Fei等^[23]也通过三维有限元分析发现如骨水泥渗漏到椎间盘可导致其应力增加从而引起胸腰椎邻近节段发生骨质疏松椎体压缩性骨折。Liebschner等^[24-25]采用三维有限元模型表明强化椎体刚度的恢复与注入的量密切相关，注入1 mL骨水泥(填充率4%)恢复损伤椎体的初始刚度小于15%，注入3.5 mL骨水泥(填充率14%)即可恢复损伤椎体的初始刚度，注入7 mL骨水泥(填充率14%)能增加刚度50%。椎体成形术后骨折椎体刚度恢复甚至超过骨折前水平(临床上骨水沙泥注入量平均约3.0 mL)，明显高于未手术的椎体刚度。椎体刚度改变后邻近的椎体承受的应力经非邻近椎体较高，是术后相邻椎体继发性骨折的概率原因之一。以上研究均提示随着骨水泥注射量的增加，使原骨折椎体刚度和强度高于骨折前，并且增加了骨水泥渗漏到椎间盘的概率，导致邻近椎体的应力增加而增高了邻近椎体再骨折的风险。而椎体成形临床疗效与骨水泥剂量无相关性，Kallmes等^[26]统计高剂量组(> 3 mL)及低剂量组(< 3 mL)发现两组间临床效果无明显差异；李勇等^[27]对46例骨质疏松性椎体压缩骨折患者行小剂量骨水泥经皮椎体后凸成形治疗，治疗后平均随访1年发现临床效果良好；程才等^[28]对低剂量组(2.4-3.6 mL，平均3.0 mL)及高剂量组(4.5-6.0 mL，平均5.4 mL)进行比较发现两组疼痛缓解程度差异无显著性意义，但低剂量组骨水泥渗漏率明显低于高剂量组(P < 0.05)，其他的研究得出相似的结论^[29-35]。因此在临床中不应追求注入高剂量的骨水泥，小剂量的骨水泥也可获得良好的临床疗效，并可减少骨水泥渗漏及继发骨折的风险。
本研究通过CT扫描建立腰段骨质疏松椎体压缩性骨折椎体模型，首次模拟椎体成形术注射不同体积骨水泥后各运动状态下骨折椎体及邻近椎体的应力改变，提示椎体成形治疗后骨折椎体及邻近椎体应力均较治疗前明显增加并随骨水泥注射体积的增加而增大。但既往研究骨水泥在椎体内弥散受注射量、骨折后至手术时间、椎体压缩程度影响，分布多呈蜂窝状、团块状或扁平板状^[36-37]。
目前三维有限元无法模拟真实的骨水泥形态多变分布情况；本研究选用正常腰椎进行建模，避免了老年患者骨质增生、退行性疾病对建模的影响及分析的影响，但老年骨质疏松患者又普遍存在上述疾病且又各不相同，因此不能完全真实模拟椎体成形术后邻近椎体的应力情况，具有一定的局限性。本研究没有测量非邻近节段应力变化，没有进行实体标本测量验证，可在下一步研究中予以完善。
本研究通过CT扫描建立腰段骨质疏松椎体压缩性骨折椎体成形后三维有限元模型，发现骨折椎体及邻近椎体应力修复后均较修复前明显增加，并随骨水泥注入量的增加骨折椎体及邻近椎体承受的应力也随之增大，可能是导致邻近椎体骨折的因素之一。建议在椎体成形术中注入较小剂量的骨水泥，即也可获得良好的临床疗效，同时也减少了骨水泥渗漏及继发骨折的风险。

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骨水泥注射体积与骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的关系

Relationship of bone cement injection volume with the stress of osteoporotic compression fractured and adjacent vertebrae

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[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[3]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[4]	唐辉, 姚志浩, 罗道文, 彭双麟, 杨双林, 王浪, 肖金刚. 高脂高糖饮食结合链脲佐菌素建立2型糖尿病性骨质疏松症大鼠模型[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1207-1211.
[5]	李中峰, 陈明海, 凡一诺, 魏秋实, 何伟, 陈镇秋. 右归饮治疗激素性股骨头坏死作用机制的网络药理学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1256-1263.
[6]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[7]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[8]	袁俊, 杨家福. 局部氨甲环酸浸润在非骨水泥全膝关节置换过程中止血效果的评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 873-877.
[9]	侯广原, 张继学, 张志军, 孟祥晖, 段文, 高维陆. 骨水泥强化椎弓根螺钉内固定治疗伴骨质疏松腰椎退行性疾病的1年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 878-883.
[10]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[11]	李时斌, 赖渝, 周毅, 廖建钊, 章晓云, 张璇. 激素性股骨头坏死发病机制及相关信号通路的靶点效应[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 935-941.
[12]	谢崇新, 张磊. 保留与不保留残端重建前交叉韧带术后膝关节退变的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 735-740.
[13]	肖方骏, 陈树东, 栾继耀, 侯宇, 何坤, 林定坤. 丹参干预骨质疏松症：网络药理学解释的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 772-778.
[14]	刘波, 陈祥和, 杨康, 余慧琳, 陆鹏程. DNA甲基化在运动干预骨质疏松中的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 791-797.
[15]	李黎, 马力. 磁性壳聚糖微球固定化乳糖酶及其酶学性质[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 576-581.