椎体成形术的生物力学研究进展

武 强(综述)，张 明(审校)

(1.宁波大学医学院，浙江宁波315211;2.宁波市医疗中心李惠利医院脊柱外科，浙江宁波315041)

经皮椎体成形术(vertebroplasty，VP)及由其衍生的球囊扩张椎体成形术(balloon kyphoplasty，BKP)是近年来治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折疗效确切的微创手术。两种术式均为骨水泥增强骨折椎体，可以迅速缓解病椎诱发的疼痛，并能部分恢复椎体的高度［1，2］。因其止痛机制及并发症皆与生物力学相关，现就上述两种椎体成形术的生物力学最新研究进行综述。

1 充填材料的使用量与注入方法

最早在尸体标本上进行的骨水泥体外生物力学实验的Belkoff等［2］证实了骨水泥注入量和强度或是刚度值的正相关关系，即骨水泥能够增强椎体的强度和刚度，一般在胸腰段用量为 4 mL。Liebschner等［3］认为，骨水泥占椎体容量比骨水泥的绝对量更有决定价值，15%的骨水泥充填率，椎体刚度可恢复至骨折前水平。Molloy等［4］发现，填充平均 16.2% 和29.8%的容积即能恢复椎体的强度与刚度，认为骨水泥的填充率并非与椎体生物力学性能呈高度相关。

骨水泥注入的方式一般分为单双侧。Polikeit等［5］以有限元法模拟了单双侧聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)经椎弓根注入方式。认为与双侧经椎弓根增强比较，单侧的增强对整体应力应变的分布影响较小。Tohmeh等［6］的研究发现，单双侧注入骨水泥均能恢复骨折椎体的力学特性，尤其是椎体的刚度，单侧注入病椎强度的恢复较双侧注射稍弱，但仍较正常水平提高。Steinmann等［7］用30个新鲜椎体标本随机分组制造压缩性骨折，然后比较单双侧BKP，椎体强度、刚度及高度恢复均无显著性差异，同时并没有出现椎体侧方楔形骨折。而手术时间、手术风险和费用则具有明显差异。

2 骨矿物质密度

Graham等［8］进行体外生物力学实验对椎体成形术与骨矿物质密度(bone mineral density，BMD)的关联性进行分析。发现椎体强度与刚度均与一定范围的骨密度呈正相关，在此范围内椎体充填骨水泥的比例越高，则强度和刚度恢复越多。而高度骨质疏松的患者即使注射相同比例的骨水泥也只能轻度改善患椎的生物力学性能。因此，骨水泥在临床上使用时可以参考患者BMD的状况。Korovessis等［9］对27例成年骨质疏松锥体压缩骨折施行BKP的患者进行前瞻性对照队列研究。研究中BKP被应用在从T12～L5的总共48个椎体上，有13例患者接受了1节椎体的BKP，14例患者接受了2～3节椎体的BKP。术后随访2年，测量记录脊柱矢状平衡和椎体高度，Gardner后凸角等参数数据。结果发现，术后脊柱矢状序列平衡没有显著性差异，而Gardner后凸角和椎体高度术后改善明显;增强椎体的下终板BMD增加显著。在1节椎体增强的病例中，相邻上下椎体没有BMD改变。相反，在多节段椎体增强的病例中，相邻增强椎体的上方椎体的上终板BMD有显著下降。因此认为BKP术后脊柱矢状序列获得平衡，相应椎体终板的BMD在2年中发生改变而引起骨折。

3 相邻椎体骨折的发生

实验性生物力学研究显示，被治疗的椎体的刚度和强度有显著提高。然而，对邻近未治疗的节段的影响则知之甚少。Baroud等［10］认为椎体成形术后，骨水泥具有载荷在椎体内传导的“梁柱”的作用，结果显示椎间盘压力增加了大约20%，导致了相邻椎体终板发生偏移，最后发生骨折。Polikeit等［5］运用有限元分析研究骨质疏松性腰椎功能脊柱单元来评估骨水泥增强对载荷传导、应力和应变的影响。他们建立了L2～3三维有限元模型和运用适合的材料属性来模拟骨质疏松症，模拟在压缩、前屈和侧弯三种运动情况下对增强节段的影响。结果表明，骨水泥增强增加了椎间盘的压力和邻近终板的偏曲。邻近椎体的应力和应变增加，随着载荷的增大，相邻椎体应力和应变随之升高，影响面积也增大。认为骨水泥增强恢复了被治疗椎体的强度，但是导致终板向外膨出增加，改变了邻近椎体的载荷传导。这个结果支持骨水泥的刚性固定可以导致随后邻近椎体塌陷的假说。Villarraga等［11］建立一个双节段功能脊柱单元T12～L2的有限元模型(模拟在L1行BKP增强)来预测骨水泥内部、病椎以及相邻未干预椎体的应力和应变。通过此多节段有限元研究和最新的回顾性临床研究发现，BKP术后邻近节段的应力应变的变化是微小的。而且，病椎的应力应变水平小于正常皮质骨和松质骨的损伤负荷阈值。所以，较BKP术的干预影响，相邻椎体的骨折与骨质疏松症本身的病理反应(骨质的强度下降)更有相关性。Trout等［12］术后随访的 432例患者中的 86例(占19.9%)出现了 186例椎体骨折，其中 77例(41.4%)发生在经骨水泥增强椎体的邻近节段。Nouda等［13］使用了 12对尸体脊柱胸腰段标本(T10～L2)，T12椎体分别予以PMMA和磷酸钙骨水泥灌注强化，然后在轴向压缩载荷下直至达到脊柱标本的载荷位移曲线的疲劳点，即出现脊柱标本节段的骨折。结果发现，PMMA组中，T11发生8次骨折;磷酸钙组中，T12(模拟病椎)出现8次骨折，而两组的压缩疲劳载荷分别是PMMA组(1774.8±672.3)N和(1501.2±556.5)N，无统计学差异。由此可以得出，充填物的弹性模量也是导致相邻椎体发生骨折的重要因素。

4 预防性骨水泥增强椎体

预防性骨水泥增强椎体的基本原理是提高骨量，减少脊柱畸形，从而稳定骨质疏松性椎体。Rotter等［14］对腰椎进行了循环正弦载荷加载的体外实验，模拟椎体注入骨水泥后生物力学性能的短中期变化。结果表明，使用两种磷酸钙与PMMA比较在行预防性BKP上无明显生物力学差异，均能提高椎体的最高疲劳载荷。Oakland等［15］选择了9例T12～L2双节段脊柱样本，在T12模拟压缩性骨折并予以椎体成形术，而在相邻的完整的L1予以注入不同弹性模量的骨水泥预防性椎体成形术，然后在模拟生理和中度、重度活动的循环载荷观察和记录下标本的强度、刚度及几何三维形态的变化。结果发现，在轻中度载荷下标本未出现骨折;当在载荷加载到中度活动水平才出现6例样本11个椎体骨折，分别发生在T12(2例)、T1(5例)、L2(4例)。而骨折的发生率与发生部位与预防性注入骨水泥的弹性模量并无显著的相关性。Chiang等［16］将14具5节椎体的新鲜人类尸体胸椎运动节段分为标准组和预防组。标本的两端椎体固定，中间的三节椎体不固定。三节自由椎体的最下椎都予以制造骨折然后行骨水泥增强。标准组的中心椎保持原样也未予以增强，而预防组的中心椎也保持原样但是予以骨水泥增强。所有标本都运用2 h、5 Hz、630 N(平均)的压缩疲劳载荷。结果显示，预防组邻近两节增强的完整椎的高度丢失与标准组邻近一节增强的完整椎相比明显减小。认为预防性增强加强了骨质疏松椎体，降低了前柱的载荷传导，从而在前屈载荷下保护了邻椎。

5 几种常用填充材料的生物力学性能比较

目前常用及最新报道的填充材料有PMMA、磷酸钙、硫酸钙以及改良的PMMA等。Grafe等［17］报道采用PMMA和磷酸钙作为填充材料对各20例患者行 BKP治疗，进行36个月的随访，结果显示，PMMA和磷酸钙组在疼痛视觉模拟评分(VAS)评分、欧洲脊柱骨质疏松症研究评分(EVOS)评分以及在任何时间点上的高度恢复均无显著性差异，而且在随访期间的新发骨折率上也无显著性差异。因此认为，磷酸钙可以在较年轻患者疼痛性椎体压缩性骨折上替代PMMA使用。而Blattert等［18］的一项前瞻性随机临床实验显示，目前磷酸钙还不应在BKP中常规使用，因为在磷酸钙抵抗屈曲、拉伸、剪切应力上相较PMMA较弱，在骨质疏松性爆裂性骨折的使用上，还有着较大的骨水泥疲劳及随后矫正高度的丢失。Perry等［19］将33个新鲜骨质疏松的新鲜尸体标本椎体分成三组，分别对PMMA、硫酸钙及对照组的椎体填充骨水泥前后的强度及刚度测定比较。结果发现，填充硫酸钙和PMMA均能恢复压缩椎体的强度，填充硫酸钙的刚度恢复则较PMMA组稍弱，但并无统计学上的差异，而且均较对照组明显增高。Wilke等［20］使用循环动态载荷模拟了接近人体内真实的椎体生物力学环境来比较PMMA及磷酸钙在长期循环载荷下的变化。结果表明，磷酸钙和PMMA在模拟老年人大约3个月的活动量的载荷下均能保持椎体的强度，但在术后的冰冻切片中，可以观察到填充PMMA组无任何疲劳征象，而磷酸钙组则出现了小的裂隙。Khanna等［21］运用了10具胸腰段椎作为样本进行磷酸钙和PMMA的对比研究。他们将标本分为椎体压缩性骨折，骨折后以及BKP术后三组，在1000 N的压缩载荷下椎体的矢状面积，最小矢状面高度，以及楔状角度。结果显示，BKP后上述三种参数在生理条件的1000 N压缩载荷下有了显著改善。磷酸钙和PMMA两种骨水泥比较没有统计学意义。认为磷酸钙增强组的椎体结构属性与PMMA增强组类似，使用PMMA或是磷酸钙的BKP术后均能够承受相应的生理性载荷。

6 展望

对于骨质疏松性压缩性骨折，大量文献报道椎体成形术的止痛疗效确切。但 Buchbinder等［22］和Kallmes等［23］进行了疼痛性骨质疏松椎体压缩性骨折行椎体成形术的随机双盲对照试验，试验结果表明，行椎体成形术治疗组和只是单纯注射麻醉药的对照组均有良好的止痛效果，两组之间比较差异无统计学意义。这一结果提示，广大术者和研究人员对椎体成形术的生物力学机制和临床效果的科学评估还需进行更加深入的研究。

［1］Lieberman IH，Dudeney S，Reinhardt MK，et al.Initial outcome and efficacy of“kyphoplasty”in the treatment of painful osteoporotic vertebral compression fractures［J］.Spine，2001，26(14):1631-1638.

［2］Belkoff SM，Mathis JM，Jasper LE，et al.The biomechanics of vertebroplasty:the effect of cement volume on mechanical behavior［J］.Spine，2001，26(14):1537-1541.

［3］Liebschner MA，Rosenberg WS，Keaveny TM.Effects of bone cementvolume and distribution on vertebral stiffness after vertebroplasty［J］.Spine，2001，26(14):1547-1554.

［4］Molloy S，Mathis JM，Belkoff SM.The effect of vertebral bodypercentage fill on mechanical behavior during percutaneous vertebroplasty［J］.Spine，2003，28(14):1549-1554.

［5］Polikeit A，Nolte LP，Ferguson SJ.The effect of cement augmentation on the load transfer in an osteoporotic functional spinal unit:finite-element analysis［J］.Spine，2003，28(10):991-996.

［6］Tohmeh AG，Mathis JM，Fenton DC，et al.Biomechanical efficacy of unipedicular versus bipedicular vertebroplasty for the management of osteoporotic compression fractures［J］.Spine，1999，24(17):1772-1776.

［7］Steinmann J，Tingey CT，Cruz G，et al.Biomechanial comparison of unipedicular versus bipedicular kyphoplasty［J］.Spine，2005，30(2):201-205.

［8］Graham J，Ahn C，Hai N，et al.Effect of bone density on vertebral strength and stiffness after percutaneous vertebroplasty［J］.Spine，2007，32(18):E505-E511.

［9］Korovessis P，Zacharatos S，Repantis T，et al.Evolution of bone mineral density after percutaneous kyphoplasty in fresh osteoporotic vertebral body fractures and adjacent vertebrae along with sagittal spine alignment［J］.J Spinal Disord Tech，2008，21(4):293-298.

［10］Baroud G，Nemes J，Heini P，et al.Load shift of the intervertebral disc after a vertebroplasty:a finite-element study［J］.Eur Spine J，2003，12(4):421-426.

［11］Villarraga ML，Bellezza AJ，Harrigan TP，et al.The biomechanicl effects of kyphoplasty on treated and adjacent nontreated vertebral bodies［J］.J Spinal Disord Tech，2005，18(1):84-91.

［12］Trout AT，Kallmes DF，Kaufmann TJ.New fractures after vertebroplasty:adjacent fractures occur significantly sooner［J］.AJNR Am J Neurordiol，2006，27(1):217-223.

［13］Nouda S，Tomita S，Kin A，et al.Adjacent vertebral body fracture following vertebroplasy with polymethylmethacrylate or calcium phosphate cement［J］.Spine，2009，34(24):2613-2618.

［14］Rotter R，Pflugmacher R，Kandziora F，et al.Biomechanical in vitro testing of human osteoporotic lumbar vertebrae following prophylactic kyphoplasty with different candidate materials［J］.Spine，2007，32(13):1400-1405.

［15］Oakland RJ，Furtado NR，Wilcox RK，et al.Preliminary biomechanical evaluation of prophylactic vertebral reinforcement adjacent to vertebroplasty under cyclic loading［J］.Spine J，2009，9(2):174-181.

［16］Chiang CK，Wang YH，Yang CY，et al.Prophylactic vertebroplasty may reduce the risk of adjacent intact vertebra from fatigue injury:an ex vivo biomechanical study［J］.Spine，2009，34(4):356-364.

［17］Grafe IA，Bajer M，Noldge G，et al.Calcium-phosphate and polymethylmethacralate cement in long-term outcome after kyphoplasty of painful osteoporotic vertebral fractures［J］.Spine，2008，33(11):1284-1290.

［18］Blattert TR，Jestaedt L，Weckbach A，et al.Suitability of a calcium phosphate cement in osteoporotic vertebral body fracture augmentation［J］.Spine，2009，34(2):108-114.

［19］Perry A，Mahar A，Massie J，et al.Biomechanical evaluation of kyphoplasty with sulfate cement in a cadaveric osteoporotic vertebral compression fracture model［J］.Spine，2005，30(5):489-493.

［20］Wilke HJ，Mehnert U，Claes LE，et al.Biomechanical evaluation of vertebroplasty and kyphoplasty with polymethl methacrylate or calcium phosphate cement under cyclic loading［J］.Spine，2006，31(25):2934-2941.

［21］Khanna AJ，Lee SL，Villarraga M，et al.Biomechanical evaluation of kyphoplasty with calcium phosphate cement in a 2-functional spinal unit vertebral compression fracture model［J］.Spine J，2008，8(5):770-777.

［22］Buchbinder R，Osborne RH，Ebeling PR，et al.A randomized trial of vertebroplasty for painful osteoporotic vertebralfractures［J］.N Engl J Med，2009，361(6):557-568.

［23］Kallmes DF，Comstock BA，Heagerty PJ，et al.A randomized trial of vertebroplasty for osteoporotic spinal fractures［J］.N Engl J Med，2009，361(6):569-579.