椎體成形術的生物力學研究進展

武 強(綜述)，張 明(審校)

(1.寧波大學醫(yī)學院，浙江寧波315211;2.寧波市醫(yī)療中心李惠利醫(yī)院脊柱外科，浙江寧波315041)

經皮椎體成形術(vertebroplasty，VP)及由其衍生的球囊擴張椎體成形術(balloon kyphoplasty，BKP)是近年來治療骨質疏松性椎體壓縮性骨折療效確切的微創(chuàng)手術。兩種術式均為骨水泥增強骨折椎體，可以迅速緩解病椎誘發(fā)的疼痛，并能部分恢復椎體的高度［1，2］。因其止痛機制及并發(fā)癥皆與生物力學相關，現(xiàn)就上述兩種椎體成形術的生物力學最新研究進行綜述。

1 充填材料的使用量與注入方法

最早在尸體標本上進行的骨水泥體外生物力學實驗的Belkoff等［2］證實了骨水泥注入量和強度或是剛度值的正相關關系，即骨水泥能夠增強椎體的強度和剛度，一般在胸腰段用量為 4 mL。Liebschner等［3］認為，骨水泥占椎體容量比骨水泥的絕對量更有決定價值，15%的骨水泥充填率，椎體剛度可恢復至骨折前水平。Molloy等［4］發(fā)現(xiàn)，填充平均 16.2% 和29.8%的容積即能恢復椎體的強度與剛度，認為骨水泥的填充率并非與椎體生物力學性能呈高度相關。

骨水泥注入的方式一般分為單雙側。Polikeit等［5］以有限元法模擬了單雙側聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)經椎弓根注入方式。認為與雙側經椎弓根增強比較，單側的增強對整體應力應變的分布影響較小。Tohmeh等［6］的研究發(fā)現(xiàn)，單雙側注入骨水泥均能恢復骨折椎體的力學特性，尤其是椎體的剛度，單側注入病椎強度的恢復較雙側注射稍弱，但仍較正常水平提高。Steinmann等［7］用30個新鮮椎體標本隨機分組制造壓縮性骨折，然后比較單雙側BKP，椎體強度、剛度及高度恢復均無顯著性差異，同時并沒有出現(xiàn)椎體側方楔形骨折。而手術時間、手術風險和費用則具有明顯差異。

2 骨礦物質密度

Graham等［8］進行體外生物力學實驗對椎體成形術與骨礦物質密度(bone mineral density，BMD)的關聯(lián)性進行分析。發(fā)現(xiàn)椎體強度與剛度均與一定范圍的骨密度呈正相關，在此范圍內椎體充填骨水泥的比例越高，則強度和剛度恢復越多。而高度骨質疏松的患者即使注射相同比例的骨水泥也只能輕度改善患椎的生物力學性能。因此，骨水泥在臨床上使用時可以參考患者BMD的狀況。Korovessis等［9］對27例成年骨質疏松錐體壓縮骨折施行BKP的患者進行前瞻性對照隊列研究。研究中BKP被應用在從T12～L5的總共48個椎體上，有13例患者接受了1節(jié)椎體的BKP，14例患者接受了2～3節(jié)椎體的BKP。術后隨訪2年，測量記錄脊柱矢狀平衡和椎體高度，Gardner后凸角等參數(shù)數(shù)據(jù)。結果發(fā)現(xiàn)，術后脊柱矢狀序列平衡沒有顯著性差異，而Gardner后凸角和椎體高度術后改善明顯;增強椎體的下終板BMD增加顯著。在1節(jié)椎體增強的病例中，相鄰上下椎體沒有BMD改變。相反，在多節(jié)段椎體增強的病例中，相鄰增強椎體的上方椎體的上終板BMD有顯著下降。因此認為BKP術后脊柱矢狀序列獲得平衡，相應椎體終板的BMD在2年中發(fā)生改變而引起骨折。

3 相鄰椎體骨折的發(fā)生

實驗性生物力學研究顯示，被治療的椎體的剛度和強度有顯著提高。然而，對鄰近未治療的節(jié)段的影響則知之甚少。Baroud等［10］認為椎體成形術后，骨水泥具有載荷在椎體內傳導的“梁柱”的作用，結果顯示椎間盤壓力增加了大約20%，導致了相鄰椎體終板發(fā)生偏移，最后發(fā)生骨折。Polikeit等［5］運用有限元分析研究骨質疏松性腰椎功能脊柱單元來評估骨水泥增強對載荷傳導、應力和應變的影響。他們建立了L2～3三維有限元模型和運用適合的材料屬性來模擬骨質疏松癥，模擬在壓縮、前屈和側彎三種運動情況下對增強節(jié)段的影響。結果表明，骨水泥增強增加了椎間盤的壓力和鄰近終板的偏曲。鄰近椎體的應力和應變增加，隨著載荷的增大，相鄰椎體應力和應變隨之升高，影響面積也增大。認為骨水泥增強恢復了被治療椎體的強度，但是導致終板向外膨出增加，改變了鄰近椎體的載荷傳導。這個結果支持骨水泥的剛性固定可以導致隨后鄰近椎體塌陷的假說。Villarraga等［11］建立一個雙節(jié)段功能脊柱單元T12～L2的有限元模型(模擬在L1行BKP增強)來預測骨水泥內部、病椎以及相鄰未干預椎體的應力和應變。通過此多節(jié)段有限元研究和最新的回顧性臨床研究發(fā)現(xiàn)，BKP術后鄰近節(jié)段的應力應變的變化是微小的。而且，病椎的應力應變水平小于正常皮質骨和松質骨的損傷負荷閾值。所以，較BKP術的干預影響，相鄰椎體的骨折與骨質疏松癥本身的病理反應(骨質的強度下降)更有相關性。Trout等［12］術后隨訪的 432例患者中的 86例(占19.9%)出現(xiàn)了 186例椎體骨折，其中 77例(41.4%)發(fā)生在經骨水泥增強椎體的鄰近節(jié)段。Nouda等［13］使用了 12對尸體脊柱胸腰段標本(T10～L2)，T12椎體分別予以PMMA和磷酸鈣骨水泥灌注強化，然后在軸向壓縮載荷下直至達到脊柱標本的載荷位移曲線的疲勞點，即出現(xiàn)脊柱標本節(jié)段的骨折。結果發(fā)現(xiàn)，PMMA組中，T11發(fā)生8次骨折;磷酸鈣組中，T12(模擬病椎)出現(xiàn)8次骨折，而兩組的壓縮疲勞載荷分別是PMMA組(1774.8±672.3)N和(1501.2±556.5)N，無統(tǒng)計學差異。由此可以得出，充填物的彈性模量也是導致相鄰椎體發(fā)生骨折的重要因素。

4 預防性骨水泥增強椎體

預防性骨水泥增強椎體的基本原理是提高骨量，減少脊柱畸形，從而穩(wěn)定骨質疏松性椎體。Rotter等［14］對腰椎進行了循環(huán)正弦載荷加載的體外實驗，模擬椎體注入骨水泥后生物力學性能的短中期變化。結果表明，使用兩種磷酸鈣與PMMA比較在行預防性BKP上無明顯生物力學差異，均能提高椎體的最高疲勞載荷。Oakland等［15］選擇了9例T12～L2雙節(jié)段脊柱樣本，在T12模擬壓縮性骨折并予以椎體成形術，而在相鄰的完整的L1予以注入不同彈性模量的骨水泥預防性椎體成形術，然后在模擬生理和中度、重度活動的循環(huán)載荷觀察和記錄下標本的強度、剛度及幾何三維形態(tài)的變化。結果發(fā)現(xiàn)，在輕中度載荷下標本未出現(xiàn)骨折;當在載荷加載到中度活動水平才出現(xiàn)6例樣本11個椎體骨折，分別發(fā)生在T12(2例)、T1(5例)、L2(4例)。而骨折的發(fā)生率與發(fā)生部位與預防性注入骨水泥的彈性模量并無顯著的相關性。Chiang等［16］將14具5節(jié)椎體的新鮮人類尸體胸椎運動節(jié)段分為標準組和預防組。標本的兩端椎體固定，中間的三節(jié)椎體不固定。三節(jié)自由椎體的最下椎都予以制造骨折然后行骨水泥增強。標準組的中心椎保持原樣也未予以增強，而預防組的中心椎也保持原樣但是予以骨水泥增強。所有標本都運用2 h、5 Hz、630 N(平均)的壓縮疲勞載荷。結果顯示，預防組鄰近兩節(jié)增強的完整椎的高度丟失與標準組鄰近一節(jié)增強的完整椎相比明顯減小。認為預防性增強加強了骨質疏松椎體，降低了前柱的載荷傳導，從而在前屈載荷下保護了鄰椎。

5 幾種常用填充材料的生物力學性能比較

目前常用及最新報道的填充材料有PMMA、磷酸鈣、硫酸鈣以及改良的PMMA等。Grafe等［17］報道采用PMMA和磷酸鈣作為填充材料對各20例患者行 BKP治療，進行36個月的隨訪，結果顯示，PMMA和磷酸鈣組在疼痛視覺模擬評分(VAS)評分、歐洲脊柱骨質疏松癥研究評分(EVOS)評分以及在任何時間點上的高度恢復均無顯著性差異，而且在隨訪期間的新發(fā)骨折率上也無顯著性差異。因此認為，磷酸鈣可以在較年輕患者疼痛性椎體壓縮性骨折上替代PMMA使用。而Blattert等［18］的一項前瞻性隨機臨床實驗顯示，目前磷酸鈣還不應在BKP中常規(guī)使用，因為在磷酸鈣抵抗屈曲、拉伸、剪切應力上相較PMMA較弱，在骨質疏松性爆裂性骨折的使用上，還有著較大的骨水泥疲勞及隨后矯正高度的丟失。Perry等［19］將33個新鮮骨質疏松的新鮮尸體標本椎體分成三組，分別對PMMA、硫酸鈣及對照組的椎體填充骨水泥前后的強度及剛度測定比較。結果發(fā)現(xiàn)，填充硫酸鈣和PMMA均能恢復壓縮椎體的強度，填充硫酸鈣的剛度恢復則較PMMA組稍弱，但并無統(tǒng)計學上的差異，而且均較對照組明顯增高。Wilke等［20］使用循環(huán)動態(tài)載荷模擬了接近人體內真實的椎體生物力學環(huán)境來比較PMMA及磷酸鈣在長期循環(huán)載荷下的變化。結果表明，磷酸鈣和PMMA在模擬老年人大約3個月的活動量的載荷下均能保持椎體的強度，但在術后的冰凍切片中，可以觀察到填充PMMA組無任何疲勞征象，而磷酸鈣組則出現(xiàn)了小的裂隙。Khanna等［21］運用了10具胸腰段椎作為樣本進行磷酸鈣和PMMA的對比研究。他們將標本分為椎體壓縮性骨折，骨折后以及BKP術后三組，在1000 N的壓縮載荷下椎體的矢狀面積，最小矢狀面高度，以及楔狀角度。結果顯示，BKP后上述三種參數(shù)在生理條件的1000 N壓縮載荷下有了顯著改善。磷酸鈣和PMMA兩種骨水泥比較沒有統(tǒng)計學意義。認為磷酸鈣增強組的椎體結構屬性與PMMA增強組類似，使用PMMA或是磷酸鈣的BKP術后均能夠承受相應的生理性載荷。

6 展望

對于骨質疏松性壓縮性骨折，大量文獻報道椎體成形術的止痛療效確切。但 Buchbinder等［22］和Kallmes等［23］進行了疼痛性骨質疏松椎體壓縮性骨折行椎體成形術的隨機雙盲對照試驗，試驗結果表明，行椎體成形術治療組和只是單純注射麻醉藥的對照組均有良好的止痛效果，兩組之間比較差異無統(tǒng)計學意義。這一結果提示，廣大術者和研究人員對椎體成形術的生物力學機制和臨床效果的科學評估還需進行更加深入的研究。

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