经皮椎体后凸成形术后邻近椎体再骨折的病理机制研究

张庆富 武京国 张 敏 张喜善

1.泰安市中心医院，山东泰安 271099；2.山东第一医科大学第二附属医院脊柱外科，山东泰安 271000

骨质疏松性椎体压缩骨折（osteoporosis vertebral compression fractures，OVCFs）是骨质疏松症常见的并发症，与骨量减少和骨组织显微结构退化导致骨密度和骨强度降低有关［1-2］，轻微外伤或暴力即可引起椎体骨折，多发生于上腰椎和下胸椎活动度较大的部位，且高发于中老年人群，在美国OVCFs的发病率超过150万例/年［3-4］。传统保守治疗要求患者长期卧床休息，老年人可能会出现褥疮、肺部和泌尿系统感染等并发症，降低生活质量［5］。此外长期制动会加重骨质疏松，活动后有引发椎体再骨折或其它椎体骨折的风险。近年来新兴的脊柱微创治疗方法，为OVCFs的临床治疗提供了新的选择，虽然提高了患者生活质量，但是OVCFs患者经皮椎体后凸成形术后却发现邻近椎体上或下一位椎体再骨折（跳跃性骨折）的发生率较高。本研究结合临床工作中应用经皮椎体后凸成 形 术（percutaneous kyphoplasty，PKP）治 疗OVCFs，术后强化椎体邻近上或下一位椎体继发骨折（跳跃性骨折）的现象，对临床病例进行统计分析，然后选取动物胸腰椎标本行PKP处理后，通过疲劳试验、有限元分析（finite element analysis，FEA）等生物力学方法，研究PKP术后椎体再骨折发生的机制和位置，探讨骨质疏松症与椎体强化后再骨折的关系，从而为预防PKP术后再骨折的发生提供理论依据和有临床价值的指导。

1 材料与方法

1.1 一般资料

收购新鲜成年羊（购于泰安市正旺养殖场），雌雄各8只，体重40～50 kg，均为同一天处死。摄X线正侧位片排除先天性畸形、肿瘤、骨折等，应用双能X线骨密度仪测定每具标本的骨密度。用乙二胺四乙酸二钠盐（EDTA）体外脱钙模拟椎体骨质疏松，短期制造骨质疏松性椎体压缩骨折模型，清除椎体标本两旁的肌肉、软组织以及与胸椎相连的肋骨，T3～T9、T10～L4各为一组，各制备16组实验标本。每组中间一位椎体（T6或L1）造成压缩性骨折，行PKP处理恢复压缩骨折椎体的高度。

1.2 方法

1.2.1 胸腰椎PKP干预后的生物力学变化的方法 标本上下两端椎体通过聚甲基冰烯酸甲脂固定，固定物上下保持平行，以减少屈曲、伸展、轴向和旋转加载负荷时产生误差。连接应变传感器、位移传感器后，采用人工脊柱测试系统（Mini Bionix）和多通道脊柱测试系统，进行标本的屈曲、伸展、轴向载荷、旋转等运动，以及疲劳试验。试验选取动物胸腰椎椎体主要由外层皮质骨和内层松质骨构成，椎体承受载荷后使骨小梁发生疏密变化，从而形成不同的结构变化和力学性质。本试验引入脊柱功能单位（FSU）测量标本的力学性质，预试验确定标本生理载荷，并排除椎骨的蠕变、松弛等时间效应影响，采用液压平衡分级加载，加载方式选取预设的屈曲、伸展、轴向载荷、旋转运动和疲劳试验几种不同的模拟生理状态下的生物力学行为，加载速度为1.5 mm/min。安放标本于人工脊柱测试系统（Mini Bionix）和多通道脊柱测试系统后，放置传感器、加载板，标本上下端固定在实验模具上，注意重复试验提高静态和动态试验数据的获得，对试验数据进行统计分析，并观察和评估椎体再骨折发生与强化椎体的关系。

1.2.2 有限元实体模型的生物力学研究 选取临床有代表性的OVCFs患者行PKP治疗术后病例2例，影像学观察证实为单椎体骨质疏松性椎体压缩性骨折，双能X线骨密度仪检测示骨密度下降，经患者同意后获取其胸腰椎的CT扫描数据。取骨窗断层图像，导入三维重建软件Mimics，生成胸腰段三维实体图像（T10～L2）。导入面网格文件，对椎体、椎间盘、关节突关节等进行建模，建立正常、压缩性骨折和PKP后的胸腰椎三维有限元模型。模拟整个椎体在人正常活动中的受力情况，给予有限元模型轴向、屈伸、旋转等应力载荷，观察不同载荷情况下应力的分布，各个椎体的位移和应力传导，比较不同椎体的生物力学变化，从而判断可能再骨折的椎体。有限元实体模型的设计参考文献［5］进行。主要对竖脊肌力（260 N）、椎间盘压力（MPa）、终板最大von Mises应力等进行分析。

1.2.3 经皮椎体后凸成形术后邻近椎体再骨折的影像学检查方法 对OVCFs患者进行横断面扫描。多序列（T2WI，T2W-SPIR，TlW-TFE-IP）多轴位（TRA、COR、SAG）平扫并增强扫描，对比剂使用钆喷酸葡胺Gd-DTPA，剂量0.5 mmol/kg，总量20～25 mL，使用高压注射器静脉推注，速率3.0 mL/s。并对胸腰椎进行CT扫描，扫描参数［6］：电流160～200 mA，电压150 kV，螺距5.0～5.5 mm，扫描层厚5.5 mm，探测器模式选取2.5 mm×2.0 mm，每周35 cm的覆盖范围。增强扫描采用90～150 mL非离子型对比剂，调整流速为4.5 mL/s，25～35 s后进行扫描。

1.2.4 临床OVCFs患者行PKP术后再发邻近椎体骨折的病例分析 收集我院自2012年3月—2015年7月收治的OVCFs患者行PKP术后再发邻近椎体骨折的病例62例，纳入标准包括：（1）原发性骨质疏松症。所有患者需符合骨质疏松症的诊断标准，诊断依据为1999年中国老年学学会骨质疏松委员会提出的中国人原发性骨质疏松症诊断标准：X线脊椎骨密度Ⅰ度，纵向骨小梁明显；Ⅱ度，纵向骨小梁明显变稀疏；Ⅲ度，纵向骨小梁不明显。以双能X线骨密度仪检测的骨密度值低于同性别人群峰值骨量均值2.0个标准差以上为定量指标。（2）既往在轻微外伤情况下发生的椎体压缩骨折，并行PKP微创手术治疗。（3）经严格的体格检查，证实腰背痛确由椎体压缩骨折所致，术前均无脊髓再发和神经根受损的症状和体征，并行胸腰椎正侧位X线片、CT扫描、MRI检查，MRI检查显示椎体T1加权呈低信号，T2加权呈高信号，辅助检查提示伤椎与体格检查相符。但以下患者需排除：椎体本身良恶性病损（如椎体血管瘤或椎体转移瘤，骨髓炎等）所导致的病理性骨折；陈旧的骨质疏松性椎体压缩骨折；椎体爆裂性骨折或骨折脱位，需手术治疗恢复脊柱稳定性者；心肺功能严重不全限制日常活动的患者，伴有凝血功能障碍的患者；神经系统急慢性疾患并发肢体功能障碍的患者；老年性精神障碍的患者；有脊髓和神经根受损的症状和体征者。根据患者再发骨折椎体的不同部位进行分组。

1.3 统计学方法

研究数据采用SPSS22.0统计软件进行处理，计量结果以均数±标准差（±s）描述，组间比较采用t检验，计数结果采用例数和百分比描述，并进行卡方检验。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 两组标本的椎体再骨折发生与强化椎体的关系

由表1可知，T10～L4组椎体再骨折发生率、松质骨最大von Mises应力和椎体皮质骨最大von Mises应力明显高于T3～T9组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表1 两组标本的椎体再骨折发生与强化椎体的关系（±s）

表1 两组标本的椎体再骨折发生与强化椎体的关系（±s）

组别T3～T9组（n=16）T10～L4组（n=16）χ2/t P椎体再骨折发生率［n（%）］5（31.3）12（75.0）4.056 0.042松质骨最大von Mises应力（MPa）1.0±0.5 1.8±0.9 3.989 0.037椎体皮质骨最大von Mises应力（MPa）12.3±5.9 17.9±2.5 4.215 0.046

2.2 不同腰椎体的竖脊肌力、椎间盘压力、终板最大von Mises应力

获取患者胸腰椎的CT扫描数据，取骨窗断层图像，导入三维重建软件Mimics，生成胸腰段三维实体图像（T10～L2），见图1A。导入面网格文件，对椎体、椎间盘、关节突关节等进行建模，建立胸腰椎三维有限元模型并模拟整个椎体在人正常活动中的受力情况，给予有限元模型轴向、屈伸、旋转等应力载荷，记录不同载荷情况下竖脊肌力（260 N）、椎间盘压力（MPa）、终板最大von Mises应力的分布，见图1B。

图1 胸腰段脊柱图像

由表2可知，为了保持直立状态，T10～L4组的竖脊肌力明显高于T3～T9组，具有统计学意义（P＜0.05）；而且T10～L4组的椎间盘压力、终板最大von Mises应力与T3～T9组比较差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表2 有限元模型分析两组标本不同应力载荷情况下的应力分布和传导（n=16，±s）

表2 有限元模型分析两组标本不同应力载荷情况下的应力分布和传导（n=16，±s）

组别T3～T9组（n=16）T10～L4组（n=16）t P竖脊肌力（N）129.5±12.9 298.9±52.3 5.056 0.028椎间盘压力（MPa）0.2±0.1 0.8±0.1 3.956 0.031终板最大von Mises应力（%）152.3±25.9 167.9±32.5 5.215 0.039

2.3 临床OVCFs患者行PKP术后再发邻近椎体骨折的病例分析

根据患者椎体再发骨折的部位进行分组（T3～T9；T10～L4），并对分组后的病例进行统计学分析发现，T10～L4组患者的再发骨折率明显高于T3～T9组（P＜0.05）。详见表3。

表3 两组患者椎体再骨折的发生率（n=62）

2.4 临床典型病例分析

典型病例的影像学资料：男性患者，69岁，入院后经过MRI检查显示T2加权像的T12、L2、L3椎体异常高信号，诊断为椎体压缩性骨折，L1/2椎间盘信号正常。对L2、L3双侧入路进行经皮椎体后凸成形术，术后疼痛症状缓解明显。但是3个月后患者的腰背部疼痛又出现，X线片提示L1椎体压缩性骨折，MRI提示L1椎体出现异常信号，L1/2椎间盘出现信号改变。见图2。

图2 行PKP手术治疗前后L1椎体及L1/2椎间盘信号

3 讨论

OVCFs多发生于脊柱的胸腰段，此部位位于胸腰椎的交界处，是胸椎固定和腰椎活动之间的转换点［7］。人体躯干的活动所产生的应力也多集中于此，同时也是胸椎生理后凸和腰椎生理前凸的移行区上身负重任的产生应力的集中部位。因此，OVCFs多发生于该部位，是研究的重点。

椎体的结构特点体现为由密度不均一的有机物、无机物所构成的复杂的几何结构，随着年龄增长，出现钙质流失和骨质疏松，当椎体内部的成分发生变化后，伴随外力的作用，椎体就会发生骨质疏松性压缩骨折，而骨折后目前临床多采用经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）和PKP的脊柱微创治疗方法进行手术治疗，该微创手术的兴起为OVCFs的临床治疗提供了新的选择［8］。两种方法均为经皮向骨折椎体内注入凝固性材料，加固强化椎体，且短时间内就能达到良好的止痛效果，在增加脊柱稳定性、防止椎体进一步压缩等方面具有明显的优势［9］。但PVP的不足之处在于骨折椎体是“畸形固定”，不能恢复椎体高度和纠正脊柱后凸畸形，而且骨水泥进入椎体松质骨时必须保持高灌注压，从而增加了骨水泥的渗漏率。PKP则通过向骨折椎体内导入可扩张球囊，扩张球囊使椎体高度部分恢复，并在椎体内部形成空腔，在较低压力下填充骨水泥，降低了骨水泥的渗漏率。有报道通过生物力学研究也发现PKP在恢复骨折椎体高度和纠正后凸畸形方面明显优于PVP［10］。

随着PKP微创手术治疗OVCFs的广泛开展和术后长期随访，发现强化椎体邻近未治疗椎体（包括相邻和非相邻椎体）再骨折的发生率较高，PKP术后出现相邻椎体骨折并发症时有报道，已引起临床重视。有学者［11］进行前瞻性研究显示PKP术后邻近椎体再骨折发生率约为3.7%，而也有研究发现其再骨折发生率甚至高于经保守治疗的OVCFs患者［12］。有学者［13］对70例PVP术后的OVCFs患者行回顾性队列研究发现，邻近椎体再骨折发生率显著高于非邻近椎体，而有学者认为邻近和非邻近椎体的再骨折发生率比较差异无统计学意义［14］。在临床工作中却发现PKP术后邻近椎体上/下一位椎体再骨折（跳跃性骨折）的发生率较高。本研究针对当前的临床研究结果，采用生物力学变化的模型对经皮椎体后凸成形术后强化椎体的邻近椎体再骨折的机制进行研究，并进一步通过有限元模型的方法模拟PKP术后患者日常生活过程中脊柱的生物力学传导和分布情况，观察不同强化椎体的邻近椎体在术后生物力学发生的变化，进行研究和量化分析，从而为PKP术后可能再发生骨折的高危患者人群进行预防及治疗提供可靠依据。

随着老龄化人群的逐年增加，因骨质疏松导致脊柱压缩骨折的就医患者比例日益增高。骨质疏松患者的椎体结构中，骨皮质的薄壳结构和大部分的骨松质网状结构不能够完全满足椎体的承重能力，而随着钙流失的加剧和微骨折的出现，骨松质稀疏的三维支撑结构不能有效地增强该结构的强度。所以，人体出现骨质疏松时椎体内骨的结构就会发生明显变化，初期可出现水平方向上的骨小梁吸收，逐渐使骨小梁变薄、断裂［15］。本研究对生物力学变化的模型进行研究，发现胸腰段以上重心位于胸椎的前部，椎体楔形压缩骨折改变了脊柱的生理曲线，椎体后凸畸形会使损伤平面以上的躯体重心发生前移，这样就会造成重力使骨折椎体的力臂延长。本研究结果也显示了随着骨折程度的加重，在PKP手术后病椎强化的基础上，竖脊肌力、椎间盘压力和终板最大von Mises应力就会在不同椎体部位发生不同的变化。通过生物力学检测，有限元模拟，以及大量临床病例的统计分析，研究表明PKP手术后强化椎体的邻近椎体再骨折的发生率在T10～L4部位比T3～T9高，这也说明了T10～L4部位是该微创手术后再发生骨折的高位椎体范围，而且PKP强化病椎后，对该范围内椎体的强度，负重、旋转载荷应力的传导和分布，也会具有明显影响，松质骨的最大von Mises应力和椎体皮质骨最大von Mises应力也在T10～L4部位会随着强化椎体的出现，再发生骨折的可能性大大增加。

此外，OVCFs行PVP/PKP术后出现邻近椎体再骨折的高风险因素必然是多方面的。Mudano等［16］认为病椎行骨水泥强化之后的3个月内，邻近椎体再骨折的风险是保守治疗的4倍，1年内再骨折风险是保守治疗的2倍。PVP/PKP术后引起脊柱局部和整体生物力学的改变可能是发生再骨折的主要原因，生物力学改变包括手术因素和患者全身因素。其中手术因素中，骨水泥注入量、注入椎体中的部位和弥散程度、有无骨水泥泄露等，强化椎体的数量以及有无跳跃性骨折是再骨折发生的独立危险因素，其中骨水泥注入量和病椎前缘高度恢复程度将影响邻近椎体的终板应力和载荷变化，以及脊柱整体的后凸程度，引起矢状位胸腰段曲度和骨盆参数的改变。患者全身因素，包括邻近椎体的骨质疏松程度、患者年龄、性别、体质量指数（BMI）、功能锻炼的依从性、全身疾病等多方面的因素，老年患者骨折系骨质疏松引起，骨折后腰背部的疼痛、大小便功能障碍等原因导致患者长期卧床和活动量减少，会进一步加重骨质疏松程度，从而形成恶性循环，因此强调老年OVCFs患者的长期抗骨质疏松治疗非常重要，同时需积极治疗内科疾病，减轻体重，在医师指导下进行适当的功能锻炼。

综上所述，骨质疏松性椎体压缩骨折患者在行PKP手术强化病椎后，其胸腰椎T10～L4比T3～T9更容易发生骨质疏松性椎体再发骨折，椎体再发骨折与强化病椎以及椎体承受的应力变化能力有关。该项研究表明，骨质疏松患者PKP手术后长期行综合和积极的抗骨质疏松治疗是必需的，同时通过实验结果进行思考和指导临床，是否预防性行高危部位椎体的骨水泥强化治疗，需要进一步的实验和临床论证。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突