覃建朴,王翀△,曹广如,敖俊▲遵义医学院附属医院脊柱外科,贵州遵义 563000
胸腰椎爆裂性骨折经椎管椎体内植骨空洞形成原因的初步探讨
覃建朴,王翀△,曹广如,敖俊▲
遵义医学院附属医院脊柱外科,贵州遵义563000
[摘要]目的观察胸腰椎爆裂性骨折经椎弓根钉棒系统固定并结合经椎管伤椎体内植骨成形术后伤椎体内空洞的发生率、位置、大小及其愈合情况,探讨植骨吸收空洞发生的形成原因。 方法对2009年1月-2013年12月间61例胸腰椎爆裂性骨折经椎弓根钉棒系统固定结合经椎管椎体内植骨成形术后14~26个月返院取出内固定患者伤椎进行CT扫描+三维重建,其中T11椎6例、T12椎21例、L1椎29例、L2椎5例。统计伤椎植骨空洞形成的发生率,观察空洞的位置、大小及其愈合情况。 结果61例植骨吸收空洞发生率93.44%,空洞主要位于伤椎椎体前上部。 结论其形成可能与椎体伤后局部血运、损伤程度、植骨密度及植骨材料、自身松质骨特性、椎体区域性骨密度分布差异、椎体所受压应力分布差异等多方面因素有关。伤椎植骨空洞形成的发生率高,但近期对内固定和伤椎畸形矫正度无明显影响。
[关键词]胸腰椎爆裂性骨折;经椎管椎体内植骨;植骨吸收空洞
胸腰椎爆裂性骨折形成多因高能量暴力撞击,破坏脊柱两柱及其以上的结构而导致脊柱稳定性丧失,甚至神经损伤,行后路钉棒系统内固定手术可使骨折的伤椎复位,脊柱获得即刻的稳定性,是目前治疗胸腰椎爆裂性骨折的最常见的治疗手段[1]。但由于伤椎体内松质骨的压缩,伤椎复位过程中椎体内会出现空隙(“蛋壳样”椎体)前柱、中柱丧失结构上的完整性,远期会出现断钉断棒等内固定失去作用、矫正度丢失、脊柱不稳等并发症,增加胸腰背部顽固性疼痛甚至瘫痪加重等发生几率[2]。1986年,Daniaux等提出在内固定的同时通过伤椎椎弓根植入骨颗粒的方法,以及其后的经
△共同第一作者
▲通讯作者过椎管行椎体内植入骨颗粒法,均是通过最大程度恢复伤椎骨结构上的完整性,来增加脊柱前柱的支撑强度,减少后柱的承受载荷,减少远期并发症的发生,得到广泛认可。但体内植骨虽植骨量大,分布均匀,但后期是否形成吸收空洞、发生率情况罕见文献报道。本文总结了我院自2009年1月-2013年12月间61例胸腰椎爆裂性骨折经椎弓根钉棒系统撑开复位固定结合经椎管椎体内植骨成形术后14~26个月返院取出内固定患者伤椎CT扫描+三维重建等相关资料,统计空洞的发生率,观察其位置、大小及其愈合情况,并探讨吸收空洞形成的原因如下。
1.1一般资料
本组61例,其中男44例,女17例,年龄20~60岁,平均43.60岁。按受伤原因分:车祸伤32例,高处坠落伤21例,重物压伤8例。按骨折部位分:胸11椎6例,胸12椎21例,腰1椎29例,腰2椎5例,均为单一椎体骨折。
1.2纳入标准
①所有患者均为胸腰椎爆裂性骨折的成年 (年龄≥18周岁)患者;②因外伤原因导致的骨折;③进行后路钉棒系统内固定的同时行经椎管椎体内植骨成形术的患者;④术后1~2年返院取出内固定复查伤椎CT平扫及三维重建。
1.3排除标准
1、未成年(年龄<18周岁)患者,2、老年合并中度以上骨质疏松患者,3、病理性骨折患者,4、椎体压缩程度不足1/3者,5、未同时行椎体内植骨成形术者,6、不足1年失访者,7、随访时没有进行复查伤椎CT平扫+三维重建的病患。
1.4手术方法
插管全麻,俯卧位。术区显露范围取以伤椎为中心的后路正中切口,适当显露伤椎及与其相邻椎的椎板及关节突。“C型”臂X光线机(德国西门子股份公司生产的ARCADIS Orbic/Orbic 3D型号移动式X射线影像系统)辅助下透视定位伤椎上下相邻各一个未损伤椎,根据患者椎体的具体大小置入长度适合的椎弓根螺钉。然后,根据伤椎具体损伤情况在伤椎靠近椎弓根部位切除部分椎板,骨折部位行充分松解、减压,置入事先预弯的钛合金连接棒,撑开器撑开伤椎恢复轮廓(复位)并拧紧螺帽锁定椎弓根螺钉钛棒。探查硬脊膜及神经根,复位突入椎管压迫硬膜囊或神经根的骨折块。探查伤椎椎体空隙,对伤椎复位欠满意者顺椎体骨折处插入剥离板,予以适当扩大植骨通道以便进行椎体内撬拨复位,并整平骨折塌陷终板,行椎体内植骨成形(在伤椎体内植入足够的颗粒状自体及同种异体的松质骨,使其能够充分填充于骨缺损区域,并适当夯实,使骨折的椎体最大程度的恢复原有形状)。探查明确硬膜囊未被压迫,“C型”臂X光机透视见伤椎形态恢复满意,安装横连接棒。术中根据出血量的大小决定是否回输自体血。术区安置负压引流管一枚后逐层缝合切口。
1.5术后处理
术后除常规对症治疗外,积极行腰背部肌肉功能锻炼,双下肢的关键肌肌力达到4级以上的患者在术后2~4周后佩戴支具逐渐下床适量活动,双下肢的关键肌肌力未达到4级的患者2~4周后佩戴支具在床上半卧或坐位并进行下肢关节活动锻炼,支具佩戴3个月后去除,6个月以内禁止过度腰背弯曲、绝对禁止剧烈运动及负重。
1.6随访及影像学评估
本组病例均随访14~26个月,平均随访19个月,随访终末为患者返回医院取出内固定时,本组病例均进行伤椎CT扫描+三维重建,观察骨吸收空洞位置、大小及其愈合情况,矫正度有无丢失、内固定器有无松动、断裂等情况,统计了骨吸收空洞的发生率。
随访取内固定时,有57例出现骨吸收空洞,发生率为93.44%,仅4例未见明显空洞,植骨区仍可见密度增高影(图2-a~2-c);骨吸收空洞主要位于伤椎椎体的前上部,空洞前后矢状径没有超过椎体前后径的前2/ 3,上下径没有超过椎体上下径的上1/2,即骨吸收空洞主要位于前柱的上半部分,椎体上终板下方,空洞周围可见圈状密度增高影 (图3-a~3-c)。本组病例随访时Cobb角均无明显丢失,并且没有内固定器松动、断裂等病例。
3.1胸腰椎爆裂性骨折内固定术后出现伤椎植骨骨吸收形成空洞的现象
Holdsworth认为:胸腰椎爆裂性骨折是脊柱受轴向垂直载荷压力和不同程度的屈曲、旋转作用力共同作用时,髓核经过伤椎的终板进入椎体,致使骨折椎体内压力骤然升高,椎体从内部向周围膨胀形成。由于伤椎的前柱、中柱均遭到破坏,伤椎内部的骨小梁结构遭到大量破坏、椎体高度丢失。“椎弓根螺钉技术”是利用前纵韧带、后纵韧带以及纤维环的整复作用复位伤椎散裂的骨皮质,这样可以恢复伤椎高度、矫正后凸畸形[3],但伤椎内部被压缩的松质骨无法复位,原有的骨结构不能恢复,必然会影响伤椎的修复,椎体在撑开后松质骨不能完全复位形成“空壳样”椎体现象[4](图1-b),术后伤椎体内缺损被部分纤维充填,从而无法达到骨性愈合的目的[5]。再加上伤椎相邻椎间盘结构的破坏,和前柱、中柱结构上的残缺,如果不对伤椎实施有效的植骨重建,在晚期就有可能会出现内固定因疲劳而失去维持伤椎稳定的作用、伤椎椎体结构塌陷、矫正度丢失[6]。刘团江等[7]对32例胸腰椎骨折患者实施单纯椎弓根螺钉复位内固定,术后拍摄胸腰椎CT分析,认为伤椎的骨缺损发生率为100%,即便椎体的外形恢复正常,仍然有约占椎体体积1/4左右的骨质缺损。印飞等[8]通过对单纯后路撑开复位未植骨与同时行椎体内植骨成形的比较,术后随访认为未植骨组均存在骨缺损,且面积较大;植骨组的伤椎绝大多数仍然存在骨质缺损,但面积比未植骨组小。
说明:图1-a:撑开复位前,可见伤椎高度明显丢失;图1-b:撑开复位后,可见椎体高度恢复,但椎体内出现“空壳样”改变;图1-c:植骨成形后,可见椎体内“空壳样”改变区域由骨质有效充填。图2-a~2-c:随访X线、CT三维重建及平扫,少数未见明显骨缺损,但植骨区域仍可见高密度影。图3-a~3-c:随访CT三维重建及平扫,多数仍可见骨缺损,主要位于前柱的上半部分,骨缺损区周围可见圈状密度增高影。
3.2椎体内植骨成形术后骨缺损形成的特点
取出内固定物前末次随访CT+三维重建提示骨吸收空洞主要位于椎体的前上部,椎体上终板下方,其前后矢状径没有超过椎体前后矢状径的前2/3,上下轴径没有超过椎体上下轴径的上1/2,即骨吸收空洞主要位于前柱的上半部分,空洞周围可见圈状密度增高影(图3-c)。由于植骨吸收空洞相对椎体较小,且主要位于前柱,椎体仍有相应的生物力学功能,故本组随访期间未见内固定断裂和矫正度明显丢失现象。
3.3椎体内植骨成形术后仍形成骨缺损的原因探讨
①破碎的终板及椎间盘组织进入伤椎体内阻碍新骨生成,最终影响骨愈合。胸腰椎爆裂型骨折时,椎间盘刚度增大导致终板破碎,以上终板中心区域的破碎显著,椎间盘内的髓核脱离原本的解剖部位,经过破裂的终板进入伤椎体内,损伤松质骨骨小梁结构;如果存在前屈高能量作用力时,可以出现伤椎塌陷,可以合并后凸畸形。Verlaan等[9]认为:椎弓根螺钉复位是利用伤椎相邻的前纵韧带、后纵韧带的牵拉作用,使椎体前后壁及其周围结构的高度较好恢复,但沉陷的终板中心区域无法复位。故伤椎手术复位后呈“蛋壳样”改变,伤椎内空洞由纤维性组织充填,占据了新骨生成的解剖空间,阻碍新骨生成,不能发生骨愈合。Oner等[10]通过对63例胸腰椎骨折患者随访的MRI资料,发现终板破裂后,髓核被挤入伤椎体松质骨内,除了导致椎间盘继发退变外,还可阻止伤椎愈合。因此,初次手术时对撑开复位后上终板的撬拨复位就显得尤为重要,而经椎管内植骨具有独特优势。
②损伤程度及复位固定效果的影响。在胸腰段脊柱的前柱和中柱承载了人体约80%的质量负荷,后柱仅分担约20%。故在胸腰段对伤椎进行有效重建,恢复前中柱承载能力尤为重要。在超过椎体承受极限的压缩应力的作用下,终板往往首先骨折,如果轴向压缩作用力持续增大,松质骨才会被破坏。胸腰椎爆裂型骨折时,治疗应当以复位塌陷的松质骨为主要目标,游离骨折块的复位和伤椎几何形态上的恢复并不是治疗的主要目标。损伤节段的稳定性是获得骨性融合的重要因素[11]。从生物力学上讲,术中给予可靠固定的同时,恢复前中柱结构,更有助于恢复脊柱的稳定性,维持椎间正常高度,有利于愈合[12]。因此,损伤程度愈重,局部脊柱的稳定结构破坏愈严重,修复重建相对愈困难,所需要的恢复时间相对愈长,术后骨愈合相对愈差,发生骨吸收空洞几率及程度愈大。
③局部血运的影响。在自体骨和/(或)同种异体骨植入伤椎后,影响植骨愈合的重要原因是伤椎局部的血供和新生血管网的长入。然而胸腰椎爆裂型骨折时,前柱、中柱塌陷,骨性结构破坏,终板的完整性丧失,局部供血的血管被损伤,血运破坏,植入物便失去了理想的成骨环境,植入物血管化延迟,不能及时补充足够的成、破骨细胞,以及促进干细胞成骨分化的细胞因子,从而降低了植骨愈合效果[13]。Tagil等[14]对术后18~20个月时取出椎弓根钉棒系统内固定的患者同时行植入自体骨部位活检,结果显示所有患者椎体内均有大面积植入骨无血管长入,植入骨质部分或全部坏死。椎体内植骨成形术中植入物相对充足,并适当压实,而新生血管由外向内长入,植入物内部血管化延迟,血运相对较差。因此,局部血运的减少,骨生长能力有限,也可能是影响植骨不愈合的原因之一。
④植骨量、植骨方法及植骨材料的影响。针对伤椎椎体内植骨后的转归和组织学变化鲜有文献报道,目前认为术中植入骨是经过 “爬行替代”而逐步形成新骨,从而达到骨愈合。经椎管椎体内植骨的最大优势在于术中操作空间相对较大,可主动撬拨,使复位相对更彻底、植骨更充分,尤其是使受伤椎体前缘、后缘高度比及楔变角得到更佳恢复,既可以减少早期内固定失败的发生率,又可以减少内固定器取出后晚期矫正度的丢失。另外,植骨床准备不充分或同种异体骨植骨骨量不够,导致内固定节段内脊柱不融合,假关节形成,导致内固定器钉棒断裂。矢状位X线片检查提示伤椎椎体内植骨增加了伤椎局部骨量和骨强度(图1-c),对恢复前柱、中柱的高度、减少终板塌陷起积极作用。本研究术中使用自体骨颗粒有效填充了因骨折椎体复位后所产生的松质骨空隙,既解决了减压后伤椎椎体内植骨量不足的问题,又达到了一期重建脊柱前、中柱的目的。尽管术中植骨量充足,但随访时仍存在空洞,因此,我们认为植骨量是骨愈合的重要影响因素,但不是决定性因素;有效地进行伤椎椎体内植入骨颗粒,重新建立前柱、中柱的稳定性,是植骨愈合的必要条件。
在获得损伤节段稳固性所必需的植骨量后,愈合率的高低取决于不同植骨方式的选择,而非植骨量的多少[15]。松质骨的骨传导性、成骨诱导性比皮质骨的相应性质优越,如果按照一定的骨量比例混合皮质骨和松质骨共同植骨,可以把松质骨置于外周,使其与周围的组织相接触,这样成骨快。
1983年Burchardt报道,在修复骨缺损的植骨性质的选择上,自体骨与同种异体骨植骨修复骨缺损的成骨过程基本相似。自体骨移植和单纯同种异体骨移植相比在愈合率和矫正维持等方面差异无统计学意义[16]。将同种异体骨植入骨缺损部位后,新生的毛细血管网很快在骨小梁之间生成,随后骨小梁表面被新生骨爬行覆盖,经过骨渗入、骨小梁增粗、爬行替代达到缺损骨愈合的目的。椎体成形术治疗时应用的颗粒形状的自体松质骨有利于伤椎的愈合,因为颗粒形状的自体松质骨不仅能在充分植骨后即刻恢复骨折椎体的稳定性,而且由于植入的骨颗粒体积小,易于毛细血管网尽快长入;骨颗粒的平均体积越小,其植入骨的表面积越大,越有利于更广泛地接受生物因子(如骨形态生成蛋白-2)的作用,进而发挥骨诱导作用;由于自体骨颗粒的桥接支架作用,但是没有免疫排斥反应,可使骨细胞更快更易于完成爬行替代,移植骨在载荷应力的作用下可发生形变,根据骨自身的顺应性和弹性完成新骨生成。早期消除伤椎“蛋壳样”变,防止或减缓了骨质疏松,实现真正的骨愈合[17]。
⑤椎体本身骨密度分布差异对伤椎修复的影响。近年来的研究表明:终板的厚度在不同椎体以及同一椎体的终板的不同区域均存在差异。椎体不同区域的骨密度存在差异,在同一椎体内部,其上半部分骨密度和骨矿盐含量均小于椎体下半部分,椎体前半部分的骨密度和骨矿盐含量均小于椎体后半部分[18];在与椎间盘相比邻的两个半椎体之间,上位椎体下半部分的骨密度较下位椎体上半部分的骨密度低。垂直方向的暴力作用后,上位终板首先发生破裂,然后,椎体骨折。如果屈曲压缩负荷持续增加,则椎体前上方及椎板前方发生破坏[18]。这种椎体本身骨密度分布差异也可能是影响植骨后不愈合的原因之一。
⑥椎体局部应力分布差异的影响。脊椎的生物力学研究显示:皮质骨的应力主要集中在椎弓根周围,松质骨的应力主要集中于临近终板处的中央部分。椎体承受的剪切应力显著高于椎板,椎体上缘承受的张力显著高于椎体的下缘[19]。胸腰段各椎体终板的抗压强度呈依次上升趋势,各段椎体抗压强度下终板强于上终板。椎间隙相邻上一椎体的下终板的抗压强度大于下一椎体上终板。由内至外抵抗压力强度逐渐增大[20]。戴力扬[21]使用三维有限元模型分析了椎体在生理状况下的应力分布,发现松质骨与终板相邻的中央部位有一高效应力区。根据Wolff定律:应力对骨骼的塑形十分重要。在应力轴线上成骨细胞的活动相对活跃,成骨作用大于破骨作用,形成更多的新骨;与之相反,在应力轴线以外的区域破骨细胞相对活跃,骨溶解强于骨生成,使多余的骨痂逐渐被吸收而清除。生理应力的改变会引起骨小梁排列紊乱,骨的生成和溶解失去平衡,引起骨单位中胶原纤维的蚀损、断裂和排列异常,导致骨的力学强度下降。Knop等和Alanay等的报告均认为有些伤椎植骨后没有发生骨性愈合的原因可能与手术没有清除嵌入伤椎体内的椎间盘组织和椎体骨折后不利于伤椎愈合的应力环境有关。因此,我们认为由于椎体本身局部应力分布的差异,以及坚强内固定导致的应力遮挡也可能是影响植骨不愈合的原因之一。
⑦抗原免疫性的影响。在对骨的免疫学研究发现,免疫细胞可以产生大量炎性因子进一步损伤骨质,阻碍伤骨愈合[22]。一方面,胸腰椎产生爆裂型骨折时其上终板断裂、塌陷,被暴力挤入伤椎体内的破碎的髓核和终板没附着在有纤维环上,在手术撑开复位伤椎体时突入伤椎体内的髓核和塌陷的终板不能有效复位。于是,髓核组织作为有免疫性的“隔离抗原”暴露于周围环境中,遭到患者自身免疫系统的“攻击”。李方财等[23]认为:损伤椎间盘的纤维环、髓核经破裂的终板嵌入伤椎体内,影响了伤椎愈合,进而导致伤椎椎体高度的进行性丢失。尽管手术中我们应用器械对塌陷的终板进行撬拨复位,但是纤维环、髓核组织仍然可以通过损伤骨折缝隙持续突入终板,“蠕变”进入伤椎体内,阻碍手术后异体骨愈合过程。另一方面,同种异体骨植入伤椎体内后也可能出现免疫反应,慢性地排斥是同种异体骨植骨的免疫学特点,表现为伴随植入骨骨吸收的无菌性炎症和原因不明的骨吸收[24]。
⑧宿主全身因素的影响。患者年龄、身体状况、饮食、吸烟、激素等众多因素亦会影响融合。有资料证明,健康状况及营养状况会影响伤椎的血管生成,影响伤口的愈合。例如贫血、心血管疾病和肺部的疾病可降低血液的携氧能力,继而降低植骨融合率,并延迟伤椎融合时间;吸烟和过量饮酒可以因为抑制骨代谢和阻碍新骨合成导致骨丢失;生长激素通过生长调节素刺激骨愈合,它增加钙离子的肠道吸收、提高新骨生成和矿化率;甲状腺素与生长激素有协同作用;雄激素和雌激素对防止老年人是骨量丢失,以及促进生长发育青少年的骨骼成熟是很重要的;皮质类固醇已经被证明在融合率和伤椎骨愈合方面具有消弱作用,因为皮质类固醇减少骨生成,促进骨溶解。
3.4术后骨吸收空洞对脊柱稳定性的影响
Wang等[25]通过对27例胸腰椎骨折患者两年的随访发现,植骨手术术后出现塌陷的部位主要位于椎间隙,即使在内固定钉棒被取出后骨折椎体的高度仍能得到良好的维持。所以,在椎体愈合后具有足够的机械性能来维持自身形态的完整性。Tagil等[14]通过对植骨手术后18~20个月取出内固定的患者同时进行植入自体骨部位活检,发现植入骨不完全性愈合,但并未影响矫正丢失及临床疗效。本文观察结果与此基本一致,随访时CT扫描可见植入骨与周围骨组织大部分愈合,局部仍存在局灶性的死骨和腔隙,但是对伤椎局部的骨强度并无明显影响;随访期间未见断钉断棒的发生,无明显的椎体塌陷、高度丢失等,取出内固定物时未出现明显脊柱不稳定,考虑到骨缺损的范围较小、位于前柱,可能对脊柱稳定性影响不大。
3.5改进及进一步研究方向
本研究认为胸腰椎爆裂性骨折患者行后路内固定同时予以椎体内植骨成形术是必要的,但术后骨吸收空洞的发生难以避免,这可能与椎体自身松质骨特性、终板及椎间盘组织破裂、椎体区域性骨密度分布差异、椎体所受压应力分布差异、局部血运、损伤程度、植骨密度及植骨材料、抗原免疫性等因素有关。近期可能对脊柱稳定性影响不大,但对于取出内固定后远期伤椎骨吸收空洞是否会发生变化,是否会影响脊柱稳定性,是否会出现矫正度丢失后凸畸形的加重等情况,尚需进一步随访观察研究。另外,如何针对骨吸收空洞形成的特点改进植骨方式,减小空洞及降低发生率,也是以后的主要研究方向。
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[中图分类号]R683.2
[文献标识码]A
[文章编号]2096-1782(2016)01-0041-06
[基金项目]贵州省科技厅科学技术基金课题 (黔科合J字[2010]2179号);遵义医学院博士启动基金课题(No:遵医院办发[2010]1)。
[作者简介]覃建朴(1975.4-),男,布依族,贵州荔波人,硕士,主治医师,研究方向:脊柱骨盆方,E-mail:1754136754@qq.com王翀(1983.8-),男,汉族,河南拓城人,硕士,主治医师,研究方向:脊柱骨盆方向,E-mail:wch8308@163.com
[通讯作者]敖俊(1970.11-),汉族,贵州金沙人,博士,硕士生导师,研究方向:脊柱骨盆方向,E-mail:ao00jun@163.com
收稿日期:(2015-11-25)
Preliminary study of thoracolumbar burst fractures through the spinal vertebral bone graft absorption void formation
TAN Jianpu,WANG Chong,CAO Guangru,AO Jun
Department of spine surgery,Affiliated Hospital of Zunyi Medical College,Zunyi Guizhou 563000
[Abstract]Objective To observe the thoracolumbar burst fracture by pedicle screw fixation combined with the system via spinal vertebral bone forming voids within the vertebral body after injury incidence,location,size and healing,explore the cause of the bone absorption cavity formation.Methods January 2009-December 2013 among 61 cases of thoracolumbar burst fractures by pedicle screw fixation combined system via spinal vertebral bone forming within 14 to 26 months after return to hospital to remove the fixed CT scans of patients injured vertebrae+three-dimensional reconstruction,which T11 vertebral six cases,T12 vertebra 21 cases,L1 vertebra 29 cases,L2 vertebral five cases.Statistical incidence of voids observed empty location,size and healing.Results 61 cases of bone absorption rate of 93.44%,voids are mainly located in the upper front vertebral body.Conclusion It may be the local blood supply and vertebral injury,the extent of damage,bone mineral density and planting materials,their properties of cancellous bone,the vertebral bone mineral density distribution of regional differences in the distribution of vertebral compressive stress differences are more than its form factors related to the high incidence,but the recent correction of the internal fixation and had no significant effect.
[Key words]Thoracolumbar burst fractures;Through the spinal vertebral bone graft;Bone absorption cavity formation