椎體成形術中骨水泥分布與椎體剛度關系的研究進展

劉富文，呂 明

（濱州醫(yī)學院， 山東 濱州 256603）

經皮穿刺椎體成形術（percutaneous vertebroplasty，PVP）目前已廣泛應用于骨質疏松性椎體壓縮性骨折（osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF）的治療，這種通過微創(chuàng)手術設備構建穿刺通道，向發(fā)生壓縮性骨折的椎體內部注射骨水泥的方式，可以有效緩解疼痛，恢復椎體高度與機械強度[1]。為了完善PVP 手術流程，獲得更好的治療效果，骨科醫(yī)師對于手術過程中骨水泥的用量、用法以及骨水泥的材料、調配方法均提出了各種不同的觀點。本文主要是分析不同骨水泥分布形態(tài)下椎體剛度的差異，探討不同PVP 手術方式對椎體機械強度的修復效果。

1 PVP 術中骨水泥的力學作用

采 用PVP 手 術 治 療OVCF 時， 通 過 向 發(fā) 生了壓縮骨折的椎體內部注射以聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）為主要成分的骨水泥，可以有效止痛，恢復椎體高度，提高椎體機械強度[2]。有研究指出，骨水泥可以填充骨折，恢復椎體高度，限制、延緩椎體的壓縮，也可以限制終板的形變，良好的骨水泥分布可以改善椎體內部的負荷分布[3]。很多研究表明：少量的骨水泥（約占椎體體積的15%）就可以較好地提升骨折椎體的剛度，而過多的骨水泥可能會使椎體剛度超過正常水平，使術后椎體的機械強度明顯高于鄰近節(jié)段，并使椎體內部壓力升高，這些因素會提高鄰近椎體骨折及發(fā)生術后骨水泥滲漏的風險[4]。而PVP 術后椎體的機械強度與剛度與術中骨水泥的注入量呈弱相關，在手術中應保證足夠的骨水泥注射量[5]。充分的骨水泥注射雖然可能會提高椎體的強度，但是也會提高骨水泥滲漏與鄰近椎體骨折的風險，骨水泥劑量對于骨折椎體的強化效果不是決定性因素，更加關鍵的可能是骨水泥的分布形態(tài)與分布區(qū)域[6]。對于PVP 術中的骨水泥注射劑量，存在一個合理的區(qū)間，過少會導致骨折術后強度欠佳，過多的骨水泥會增加并發(fā)癥的發(fā)生風險。

2 椎體剛度對于PVP 術后效果的影響

剛度（stiffness）是物體抵抗外界壓力的能力，在承受相同壓力負荷下，形變越小，物體的剛度就越大，抵抗壓力的能力就越強，其是評價物體機械強度的重要指標[2]。椎體的剛度是人體椎體骨松質與骨皮質抵抗軸向壓力能力的主要預測因素，測量及分析標本剛度可以很好地評估椎體的機械強度，進而研究PVP 術后椎體再骨折的預防效果，評估手術療效[7]。雖然國內外許多研究對椎體的各種生物力學進行了細致的測量、分析，但考慮到這些相對復雜的實驗流程依賴于不同的設備與操作者的實驗操作技能，其測量結果難以歸納并統(tǒng)一比較。而剛度的測量是一種簡單、直接的椎體生物力學評價方法，通過給予椎體軸向機械壓力，測量椎體形變程度，就可以獲得椎體的軸向剛度數(shù)值。這種簡便的機械強度測量可用于評價不同實驗結果的一致性，通過對不同實驗的結果進行歸納分析，可得到一些可信的實驗結論。

3 PVP 中不同骨水泥的分布

對于PVP 術后不同的骨水泥分布，研究者們根據(jù)自己的手術結果，對術后椎體骨水泥的形態(tài)進行了不同的分類。脊柱可被分為前中后三柱，這樣可以較好地評估脊柱整體的力學特性。但是對于位于脊柱前柱與中柱的椎體內部，并沒有統(tǒng)一的分區(qū)方法，很多研究將椎體內部分成了不同的分區(qū)，但靠上的胸椎與靠下的腰椎節(jié)段在椎體形態(tài)與力學特點方面都有不小的差異，難以設定一種統(tǒng)一的區(qū)分標準。不同的研究者將PVP 術后椎體內部的骨水泥分布進行了不同的分類，比如根據(jù)骨水泥是否均勻彌散填充椎體內部、骨水泥是否接觸上下方的終板、骨水泥彌散而形成的不同形態(tài)、骨水泥填充率對骨水泥的分布差異進行分類等[8-9]。根據(jù)這些分類方法，結合術后的長期隨訪，可知骨水泥的分布與術后椎體的機械強度有著直接的關聯(lián)，對于骨折椎體與相鄰節(jié)段椎體的再發(fā)骨折也有著直接影響，并會影響患者的癥狀改善情況。綜合這些分析可以得到一個較為籠統(tǒng)的結論：充分而均勻的骨水泥彌散是提高PVP 手術療效的重要因素，但究竟什么樣的手術結果能達到這樣的要求，眾多學者對此并未提出足夠令人信服的評價標準[10]。

4 不同的骨水泥分布對于椎體剛度的影響

理想的骨水泥注射對PVP 術后效果有著決定性影響，不同的骨水泥分布也決定了椎體的生物力學特性。對于PVP 術后椎體剛度的預測，主要的方法有離體的人體或哺乳動物椎體標本直接測量、人體椎體的三維重建模型分析及對接受PVP 手術的患者再骨折發(fā)生率等相關指標進行隨訪統(tǒng)計后進行間接評估等。由于近年來人體標本獲得日漸困難，豬、羊、大鼠等與人類骨骼結構及機械結構類似的哺乳動物的標本成為替代品[11]。三維有限元分析是利用計算機進行掃描、重建，利用數(shù)字軟件分析椎體結構，模擬椎體骨皮質、骨松質及骨水泥的不同密度與分布狀況，構建三維模型，并進行實驗模擬，可以獲得不同狀態(tài)下的椎體標本生物力學結果。但以上實驗方法也都有著缺陷：很多人體標本保存時間過長，甲醛等化學試劑的長期浸泡會嚴重破壞椎體的內部結構。豬、羊、大鼠等哺乳動物的脊柱并不承擔軸向的壓力，基礎力學結構、骨密度等與人類不同，即使通過脫鈣、機械壓縮的處理，也不能完全模擬人體椎骨力學結構。而三維重建的計算機模型畢竟不是實體實驗，對于骨皮質、骨小梁、椎間盤等不同的組織結構難以有效區(qū)分，獲得的實驗結果與指導臨床工作依然有一定的距離。

對于骨水泥在水平層面的不同分布，陳柏齡等[12]的三維有限元分析顯示，在相同骨水泥注入量的前提下，骨水泥分別集中于椎體兩側，較均勻地彌散于椎體中央，會給椎體提供更大的剛度，可以有效提高椎體的機械強度。有研究者對PVP 術后患者進行長期的臨床觀察發(fā)現(xiàn)，骨水泥充分彌散、均勻分布于椎體兩側的患者其術后癥狀改善情況、長期預后均優(yōu)于骨水泥單側分布及集中分布于椎體中央的患者[8,13]。這與上述標本體外力學測量的結果相符。無論是單側還是雙側入路的PVP 手術，骨水泥能夠充分彌散、增強骨折線周圍區(qū)域的穩(wěn)定性是提高療效的重要保證。若骨水泥可以同時強化骨折線兩側，將骨折區(qū)域椎體黏合成一個整體，對減少術后再骨折等并發(fā)癥有積極的意義[14]。結合不同的實驗結果可知，無論是單側還是雙側入路的PVP 手術，充分而對稱的骨水泥彌散均是提高術后椎體機械強度的關鍵，單側骨水泥填充通常會存在術后隱患[8]。

對于骨水泥的縱向空間分布，不同的實驗均證明：在PVP 術中，若骨水泥填充能夠同時接觸上下終板，形成完整的“支撐柱”，取得“頂天立地”的效果，就能給椎體提供更大的剛度，且骨水泥同時接觸上下終板的椎體，比只接觸一個終板的椎體有更大的機械強度[15-17]。即形成一個完整的縱向骨水泥結構，對于椎體抵抗軸向壓力有著積極的意義，這也是許多臨床醫(yī)師進行PVP 手術時對骨水泥分布情況的一個重要評價標準。

對于骨水泥彌散形態(tài)的差異，Li Q 等[18]的研究表明：“海綿狀”的骨水泥比“團塊狀”的骨水泥更有效地保持了椎體高度，提高了椎體機械強度，降低了再骨折的風險，這可能與骨水泥和骨小梁更加充分的接觸，增強了椎體內部的統(tǒng)一性有關。而骨水泥分布過于致密，未能充分彌散可能是術后椎體形態(tài)改變及再發(fā)骨折的危險因素[19]。相較于彌散形態(tài)和兩側分布的骨水泥，PVP 術中“條帶”狀的骨水泥分布是相對較差的分布形態(tài)，存在上述情況的患者無論是術后椎體高度還是再骨折的發(fā)生率，都不能令人滿意[20]。

PVP 術后椎體是否發(fā)生再次骨折是間接評估PVP術后椎體力學結構穩(wěn)定性的一個重要指標。Kolb 等[21]的研究表明，進行PVP 手術時在骨折椎體內注射骨水泥，除了會提高骨折椎體的強度，也會增加其他鄰近椎體發(fā)生骨折的風險。人體標本實驗與三維有限元分析均表明：PVP 術中的骨水泥注射改變了骨折椎體及鄰近椎體終板周圍的力學結構，且可能會加劇終板的形變，這可能是椎體再骨折的原因之一[22-23]。在PVP手術中，過多地將骨水泥注射于椎體前方，使椎體前方高度完全修復，反而會使鄰近椎體再次骨折的風險增加，這可能與相鄰椎體之間的力學結構的改變有關，尤其是將附近節(jié)段的應力集中在脊柱前柱，對于附近椎體穩(wěn)定性的影響較大[24]。所以，為了更好地保護PVP 強化椎體的鄰近節(jié)段，將骨水泥更均勻地彌散在椎體內部是更加理想的手術方案。

5 討論

經過數(shù)十年的發(fā)展， 脊柱微創(chuàng)手術技術中的PVP、 經皮穿刺后凸成形術(percutaneous kyphoplasty，PKP)、椎間孔鏡等技術均得到了廣泛的臨床應用。PVP 手術目前是許多骨科醫(yī)生治療OVCF時的首選手術方式。單側入路PVP 手術如果使骨水泥局限性彌散于椎體壓縮更加嚴重的一側，雖然有機會獲得良好的術后療效（患者術后可以獲得良好的鎮(zhèn)痛效果，并可以早期下地），但在生物力學方面可能會有劣勢，修復后的椎體無論是軸向的承壓能力還是對抗彎曲的能力都會有所不足。最新的研究表明，PVP術后雙側分布、均勻彌散的骨水泥可以使患者獲得良好的臨床療效和更低的再次壓縮風險[25]?，F(xiàn)在大多數(shù)醫(yī)師已達成共識：充分、均勻彌散于整個椎體的骨水泥分布是更加理想的骨水泥分布形態(tài)。在不過多地注射骨水泥的情況下，相對于骨水泥集中在椎體中部，將骨水泥更多地分布于椎體兩側或許是一種更好的選擇。在垂直維度上，使骨水泥同時接觸上下終板，形成完整的“支撐柱”，會有效提高椎體的剛度，抵抗軸向壓力，預防再骨折。同時對于椎體壓縮骨折，穿越骨折線區(qū)域給予充分的骨水泥強化有著積極的意義。

“左右均衡+ 頂天立地+ 加強骨折線周圍”這種骨水泥分布方式，可能是PVP 術中提高骨折椎體機械強度最好的骨水泥彌散形態(tài)。當然，PVP 術中骨水泥的分布不僅僅取決于手術方式，患者的骨密度、椎體的骨折類型、骨水泥的成分對于最終的分布情況也有一定的影響，手術過程中依然要依靠手術醫(yī)師優(yōu)秀的臨場決斷能力來取得更好的效果。