經(jīng)皮椎體成形術(shù)骨水泥注射量相關(guān)生物力學(xué)研究現(xiàn)狀和進展

宋 戈， 吳春根， 程永德， 田慶華， 劉鶴飛

經(jīng)皮椎體成形術(shù)（PVP）是介入放射科廣泛應(yīng)用的微創(chuàng)治療技術(shù)，其原理是在高清晰度影像設(shè)備導(dǎo)引下用骨穿針經(jīng)皮通過椎弓根或椎弓根外側(cè)，實時透視下向病變椎體內(nèi)注入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，骨水泥），以達到提高脊柱穩(wěn)定性、恢復(fù)并增加椎體力學(xué)強度和剛度的目的［1］。PVP技術(shù)具有費用低、效果優(yōu)越、并發(fā)癥少的特點，被推廣應(yīng)用于治療椎體壓縮骨折、脊柱轉(zhuǎn)移瘤、骨髓瘤等疾病［2-3］。臨床經(jīng)驗認為PVP療效與骨水泥注射量密切相關(guān)，骨水泥使用量較少可造成患者疼痛緩解不夠理想，甚者易再發(fā)骨折；使用量較多則易出現(xiàn)骨水泥滲漏相關(guān)并發(fā)癥，導(dǎo)致肺栓塞、截癱等嚴重后果。有關(guān)PVP術(shù)中骨水泥注射量研究很多。本文從生物力學(xué)角度，就PVP術(shù)中骨水泥注射量研究現(xiàn)狀及進展作一綜述。

1 椎體相關(guān)生物力學(xué)因素對骨水泥注射量的影響

根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)研究，骨水泥注射壓力、骨內(nèi)壓力、骨水泥與骨小梁之間黏滯阻力等均可影響骨水泥注入量。

1.1 椎體解剖結(jié)構(gòu)

研究證實，骨水泥在壓力作用下可通過椎體回流靜脈叢、椎體裂隙、骨折裂縫或骨缺損處向椎體周圍彌散，這表明骨水泥推注達到一定劑量后相對較高的壓力，會將骨水泥按上述低壓力方向推行，引起骨水泥滲漏相關(guān)并發(fā)癥［4］。

1.2 骨密度

骨密度是反映椎體內(nèi)骨質(zhì)和量的指標。骨密度越大，骨礦物質(zhì)含量越高，單位體積內(nèi)含有的骨小梁數(shù)量越多；骨小梁越粗大，骨小梁間隙也越小，這種情況下單位體積內(nèi)可容納的骨水泥量就越小。因此，骨水泥注射量與骨密度密切相關(guān)。張亮等［5］研究發(fā)現(xiàn)，相同注射壓力下椎體骨密度與椎體內(nèi)骨水泥彌散體積密切相關(guān)，骨密度較高患者椎體骨水泥彌散體積較大，所需骨水泥注射量較小。

1.3 椎體內(nèi)壓力

孫曉威［6］經(jīng)體外實驗表明，骨水泥分布與椎體內(nèi)壓力相關(guān)。PVP術(shù)時適度控制椎體內(nèi)壓力，有利于引導(dǎo)骨水泥在椎體內(nèi)分布，只要達到理想分布便可減少補充注射量。

2 骨水泥注射量對椎體強度和剛度變化的影響

PVP術(shù)中骨水泥可沿骨小梁間隙擴散至整個椎體并固化填充病灶，故可改變椎體生物力學(xué)特性。椎體壓縮骨折后生物力學(xué)評價指標包括椎體高度、Cobb角、能量吸收、強度、剛度等，其中強度、剛度是最常用指標［7］。強度指椎體在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，即椎體載荷能力，剛度指椎體在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。一般認為恢復(fù)強度可阻止壓縮椎體在外力下進一步塌陷，恢復(fù)剛度則可使椎體內(nèi)穩(wěn)定，防止椎體內(nèi)骨小梁微動，為骨折愈合提供穩(wěn)定環(huán)境。實施PVP術(shù)的目的為最大程度恢復(fù)壓縮椎體的抗壓強度和剛度［8］。

2.1 骨水泥適量填充對椎體強度和剛度的影響

很多實驗研究驗證了PVP強化椎體后可提高椎體強度和剛度。Tohmeh等［9］研究證實PVP術(shù)后椎體強度明顯高于術(shù)前，椎體剛度也得到恢復(fù)。Bai等［10］采用骨水泥強化骨質(zhì)疏松性椎體后椎體抗壓強度明顯提高，剛度也得到增強。趙必增等［11］通過對脊柱功能節(jié)段進行加載負荷力學(xué)分析證實，椎體強化后強度通常為原強度的2～3倍，剛度恢復(fù)至原水平。這些研究均表明，強化后的椎體要使其骨折需要更大的應(yīng)力。

PVP術(shù)中如果使用骨水泥量過大，易引起滲漏，導(dǎo)致并發(fā)癥發(fā)生［12］。目前國內(nèi)外部分學(xué)者認為，應(yīng)使用最少量骨水泥達到理想的椎體強度和剛度。然而由于所治療椎體及患者病情各異，具體注射多少劑量骨水泥才算合適，尚無定論。Barr等［13］認為，胸腰段平均注射3～5ml骨水泥即可取得較好的椎體穩(wěn)定和止痛效果。Belkoff等［14］通過離體實驗證實無論使用何種骨水泥，椎體各節(jié)段僅需注入2 ml即可恢復(fù)強度；要恢復(fù)剛度，則在使用Orthocomp骨水泥時胸段及胸腰段椎體需注入4 ml，腰段椎體需6 ml，使用Simplex 20骨水泥時胸段及腰段椎體需注入 4ml，胸腰段椎體需 8 ml。Liebschner等［15］研究認為，椎體剛度恢復(fù)僅需少量骨水泥（約15%體積分數(shù)）。 Amar等［16］對 97例患者 258個椎體行 PVP，術(shù)后經(jīng)3年隨訪發(fā)現(xiàn)胸腰段平均注入骨水泥2～6 ml能獲得較好療效。Deramond等［17］報道認為常規(guī)椎體骨水泥注入量分別為頸椎2～3ml，胸椎4～6ml，腰椎 7～10ml。 Papanastassious 等［18］報道認為骨水泥注射量在頸椎為平均2.5 ml，胸椎為平均5.5 ml，腰椎為平均7.0ml。國內(nèi)學(xué)者也報道僅需注入2 ml骨水泥即可恢復(fù)椎體強度，若完全恢復(fù)剛度則需8ml［19］。通常認為，骨水泥適量填充不僅能恢復(fù)理想的椎體強度及剛度，也可減少相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生；過量填充既不安全，也無必要。

2.2 骨水泥過量填充對椎體強度和剛度的影響

與上述報道不同，Graham等［20］研究提出只有注射高劑量骨水泥才能影響椎體強度和剛度，例如注入平均7 ml約24%椎體填充量骨水泥填充與未經(jīng)處理的椎體對比，強度超過完整椎體，剛度雖有提高，但不能恢復(fù)至骨折前水平，說明實驗和臨床上椎體強化后剛度往往小于（至少不遠大于）原椎體剛度，因此不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，即與強化上下椎體發(fā)生應(yīng)力性骨折無關(guān)（詳見后述）；同時指出，椎體剛度和強度提高很大程度上取決于其骨密度，臨床治療中骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者受益最少，如果注射低劑量骨水泥，再經(jīng)受同樣載荷，仍可在原椎體處造成骨折。

2.3 骨水泥分布對椎體強度和剛度的影響

有學(xué)者研究認為，達到骨水泥滿意分布狀態(tài)是提高PVP術(shù)療效的關(guān)鍵，與具體注射劑量無關(guān)［21］。王延濤等［22］報道認為骨水泥過量充填并不能獲得最佳生物力學(xué)效果，該效果取決于椎體內(nèi)小量充填骨水泥及其對稱分布。目前國內(nèi)較多學(xué)者認為，至少在椎體前柱需填充足量甚至過量骨水泥，達到“頂天立地”效果，這樣才能使椎體穩(wěn)定。

3 骨水泥注射量對相鄰椎體的影響

隨著近年P(guān)VP術(shù)廣泛開展，術(shù)后隨訪中發(fā)現(xiàn)很多患者發(fā)生相鄰椎體骨折，由此展開相關(guān)研究。Kawanishi等［23］在PVP術(shù)后隨訪中發(fā)現(xiàn)患者椎體相鄰節(jié)段再發(fā)骨折概率為10%～20%，而其它節(jié)段再骨折率僅為6.7%。Voormolen等［24］對66例患者PVP術(shù)后隨訪發(fā)現(xiàn)，約25%患者在1年內(nèi)發(fā)生新骨折，其中大多發(fā)生于3個月內(nèi)，且半數(shù)骨折發(fā)生于椎體相鄰節(jié)段。有學(xué)者構(gòu)建腰2～3節(jié)段骨質(zhì)疏松性三維有限元模型（正常解剖形態(tài)），模擬PVP過程對椎體進行完全強化（骨水泥完全充填松質(zhì)骨區(qū)），結(jié)果顯示若腰2節(jié)段完全強化，則腰3節(jié)段終板應(yīng)力增加 13%，支持了上述觀點［13］。

部分學(xué)者認為，PVP術(shù)中骨水泥注入量過多是發(fā)生椎體相鄰節(jié)段骨折的主要原因。Chen等［25］認為，PVP術(shù)中骨水泥注入量過多會導(dǎo)致其滲入相鄰椎間盤，從而增加相鄰椎體應(yīng)力，產(chǎn)生新骨折。Nieuwenhuijse等［26］研究顯示，骨水泥體積分數(shù)達24%或更高時雖能有效緩解疼痛，但會發(fā)生骨水泥滲漏，進而導(dǎo)致新發(fā)骨折。這一理論被Lin等［27］研究所證實，對38例伴椎體壓縮骨折患者PVP術(shù)后隨訪發(fā)現(xiàn)，14例新發(fā)骨折中10例有骨水泥滲入椎間盤，4例與骨水泥滲出無關(guān)。另有部分研究提示，PVP雖能恢復(fù)經(jīng)治椎體的強度和剛度，但過量骨水泥也增加相鄰錐體應(yīng)力和應(yīng)變，從而改變相鄰椎體應(yīng)力分布，易發(fā)生骨折。Berlemann等［28］報道對經(jīng)骨水泥增強的脊柱功能單位進行力學(xué)測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與未得到增強的相鄰椎體相比，PVP術(shù)后增強的相鄰椎體最大承載負荷較低，且骨折大多發(fā)生在未增強椎體處；因此認為，PVP術(shù)后經(jīng)治椎體剛度得到增加，使得力學(xué)負荷轉(zhuǎn)移至相鄰椎體，故增加了椎體相鄰骨折發(fā)生率。Polikeit等［29］研究證實椎體增強導(dǎo)致相鄰椎體終板應(yīng)力和應(yīng)力分布發(fā)生變化，有力支持了過量骨水泥增強椎體易發(fā)生相鄰椎體骨折的假說。

然而也有部分學(xué)者認為，PVP術(shù)后患者鄰近節(jié)段骨折的發(fā)生是疾病自然病程結(jié)果，與骨水泥具體用量無關(guān)。如前所述，Graham等［20］認為經(jīng)高劑量骨水泥填充的椎體強度超過完整椎體，而剛度雖有提高，但不能恢復(fù)至骨折前水平。從中可看出實驗和臨床上椎體強化后其剛度往往小于原椎體剛度，因此不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，即與強化椎體上下節(jié)段發(fā)生應(yīng)力性骨折無關(guān)。征華勇等［30］報道顯示PVP術(shù)使鄰近節(jié)段椎體剛度降低、應(yīng)力強度有輕微提高趨勢，但與術(shù)前差異無統(tǒng)計學(xué)意義，因此考慮PVP術(shù)對鄰近椎體影響較小。Jensen等［31］報道分析109例骨質(zhì)疏松患者107處椎體骨折，結(jié)果顯示PVP術(shù)后經(jīng)治椎體相鄰節(jié)段骨折發(fā)生率與未治療對照組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，進一步說明椎體剛度和強度提高很大程度上取決于骨密度。這與上述Graham等的觀點一致。史麗娜等［32］選取120例明確診斷為骨質(zhì)疏松性椎體骨折患者分別采用保守治療和PVP治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVP術(shù)與保守治療相比并不增加新發(fā)骨折風(fēng)險，任何椎體節(jié)段均可發(fā)生骨折；無論骨水泥注射量多少，經(jīng)治椎體的相鄰節(jié)段骨折發(fā)生危險并不高于其它節(jié)段。

綜上所述，PVP術(shù)能有效增加椎體強度和剛度，從而緩解患者局部疼痛，提高生存質(zhì)量。目前國內(nèi)外研究明確，椎體相關(guān)生物力學(xué)因素會對骨水泥注射量產(chǎn)生影響，不同注射量骨水泥也對椎體生物力學(xué)產(chǎn)生影響。關(guān)于不同劑量骨水泥對椎體強度和剛度的影響、是否增加椎體鄰近節(jié)段骨折及其它并發(fā)癥發(fā)生等仍存在較大爭議，需要進一步研究探索。

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