椎体成形术中骨水泥分布与椎体刚度关系的研究进展

刘富文，吕 明

（滨州医学院， 山东 滨州 256603）

经皮穿刺椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）目前已广泛应用于骨质疏松性椎体压缩性骨折（osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF）的治疗，这种通过微创手术设备构建穿刺通道，向发生压缩性骨折的椎体内部注射骨水泥的方式，可以有效缓解疼痛，恢复椎体高度与机械强度[1]。为了完善PVP 手术流程，获得更好的治疗效果，骨科医师对于手术过程中骨水泥的用量、用法以及骨水泥的材料、调配方法均提出了各种不同的观点。本文主要是分析不同骨水泥分布形态下椎体刚度的差异，探讨不同PVP 手术方式对椎体机械强度的修复效果。

1 PVP 术中骨水泥的力学作用

采 用PVP 手 术 治 疗OVCF 时， 通 过 向 发 生了压缩骨折的椎体内部注射以聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）为主要成分的骨水泥，可以有效止痛，恢复椎体高度，提高椎体机械强度[2]。有研究指出，骨水泥可以填充骨折，恢复椎体高度，限制、延缓椎体的压缩，也可以限制终板的形变，良好的骨水泥分布可以改善椎体内部的负荷分布[3]。很多研究表明：少量的骨水泥（约占椎体体积的15%）就可以较好地提升骨折椎体的刚度，而过多的骨水泥可能会使椎体刚度超过正常水平，使术后椎体的机械强度明显高于邻近节段，并使椎体内部压力升高，这些因素会提高邻近椎体骨折及发生术后骨水泥渗漏的风险[4]。而PVP 术后椎体的机械强度与刚度与术中骨水泥的注入量呈弱相关，在手术中应保证足够的骨水泥注射量[5]。充分的骨水泥注射虽然可能会提高椎体的强度，但是也会提高骨水泥渗漏与邻近椎体骨折的风险，骨水泥剂量对于骨折椎体的强化效果不是决定性因素，更加关键的可能是骨水泥的分布形态与分布区域[6]。对于PVP 术中的骨水泥注射剂量，存在一个合理的区间，过少会导致骨折术后强度欠佳，过多的骨水泥会增加并发症的发生风险。

2 椎体刚度对于PVP 术后效果的影响

刚度（stiffness）是物体抵抗外界压力的能力，在承受相同压力负荷下，形变越小，物体的刚度就越大，抵抗压力的能力就越强，其是评价物体机械强度的重要指标[2]。椎体的刚度是人体椎体骨松质与骨皮质抵抗轴向压力能力的主要预测因素，测量及分析标本刚度可以很好地评估椎体的机械强度，进而研究PVP 术后椎体再骨折的预防效果，评估手术疗效[7]。虽然国内外许多研究对椎体的各种生物力学进行了细致的测量、分析，但考虑到这些相对复杂的实验流程依赖于不同的设备与操作者的实验操作技能，其测量结果难以归纳并统一比较。而刚度的测量是一种简单、直接的椎体生物力学评价方法，通过给予椎体轴向机械压力，测量椎体形变程度，就可以获得椎体的轴向刚度数值。这种简便的机械强度测量可用于评价不同实验结果的一致性，通过对不同实验的结果进行归纳分析，可得到一些可信的实验结论。

3 PVP 中不同骨水泥的分布

对于PVP 术后不同的骨水泥分布，研究者们根据自己的手术结果，对术后椎体骨水泥的形态进行了不同的分类。脊柱可被分为前中后三柱，这样可以较好地评估脊柱整体的力学特性。但是对于位于脊柱前柱与中柱的椎体内部，并没有统一的分区方法，很多研究将椎体内部分成了不同的分区，但靠上的胸椎与靠下的腰椎节段在椎体形态与力学特点方面都有不小的差异，难以设定一种统一的区分标准。不同的研究者将PVP 术后椎体内部的骨水泥分布进行了不同的分类，比如根据骨水泥是否均匀弥散填充椎体内部、骨水泥是否接触上下方的终板、骨水泥弥散而形成的不同形态、骨水泥填充率对骨水泥的分布差异进行分类等[8-9]。根据这些分类方法，结合术后的长期随访，可知骨水泥的分布与术后椎体的机械强度有着直接的关联，对于骨折椎体与相邻节段椎体的再发骨折也有着直接影响，并会影响患者的症状改善情况。综合这些分析可以得到一个较为笼统的结论：充分而均匀的骨水泥弥散是提高PVP 手术疗效的重要因素，但究竟什么样的手术结果能达到这样的要求，众多学者对此并未提出足够令人信服的评价标准[10]。

4 不同的骨水泥分布对于椎体刚度的影响

理想的骨水泥注射对PVP 术后效果有着决定性影响，不同的骨水泥分布也决定了椎体的生物力学特性。对于PVP 术后椎体刚度的预测，主要的方法有离体的人体或哺乳动物椎体标本直接测量、人体椎体的三维重建模型分析及对接受PVP 手术的患者再骨折发生率等相关指标进行随访统计后进行间接评估等。由于近年来人体标本获得日渐困难，猪、羊、大鼠等与人类骨骼结构及机械结构类似的哺乳动物的标本成为替代品[11]。三维有限元分析是利用计算机进行扫描、重建，利用数字软件分析椎体结构，模拟椎体骨皮质、骨松质及骨水泥的不同密度与分布状况，构建三维模型，并进行实验模拟，可以获得不同状态下的椎体标本生物力学结果。但以上实验方法也都有着缺陷：很多人体标本保存时间过长，甲醛等化学试剂的长期浸泡会严重破坏椎体的内部结构。猪、羊、大鼠等哺乳动物的脊柱并不承担轴向的压力，基础力学结构、骨密度等与人类不同，即使通过脱钙、机械压缩的处理，也不能完全模拟人体椎骨力学结构。而三维重建的计算机模型毕竟不是实体实验，对于骨皮质、骨小梁、椎间盘等不同的组织结构难以有效区分，获得的实验结果与指导临床工作依然有一定的距离。

对于骨水泥在水平层面的不同分布，陈柏龄等[12]的三维有限元分析显示，在相同骨水泥注入量的前提下，骨水泥分别集中于椎体两侧，较均匀地弥散于椎体中央，会给椎体提供更大的刚度，可以有效提高椎体的机械强度。有研究者对PVP 术后患者进行长期的临床观察发现，骨水泥充分弥散、均匀分布于椎体两侧的患者其术后症状改善情况、长期预后均优于骨水泥单侧分布及集中分布于椎体中央的患者[8,13]。这与上述标本体外力学测量的结果相符。无论是单侧还是双侧入路的PVP 手术，骨水泥能够充分弥散、增强骨折线周围区域的稳定性是提高疗效的重要保证。若骨水泥可以同时强化骨折线两侧，将骨折区域椎体黏合成一个整体，对减少术后再骨折等并发症有积极的意义[14]。结合不同的实验结果可知，无论是单侧还是双侧入路的PVP 手术，充分而对称的骨水泥弥散均是提高术后椎体机械强度的关键，单侧骨水泥填充通常会存在术后隐患[8]。

对于骨水泥的纵向空间分布，不同的实验均证明：在PVP 术中，若骨水泥填充能够同时接触上下终板，形成完整的“支撑柱”，取得“顶天立地”的效果，就能给椎体提供更大的刚度，且骨水泥同时接触上下终板的椎体，比只接触一个终板的椎体有更大的机械强度[15-17]。即形成一个完整的纵向骨水泥结构，对于椎体抵抗轴向压力有着积极的意义，这也是许多临床医师进行PVP 手术时对骨水泥分布情况的一个重要评价标准。

对于骨水泥弥散形态的差异，Li Q 等[18]的研究表明：“海绵状”的骨水泥比“团块状”的骨水泥更有效地保持了椎体高度，提高了椎体机械强度，降低了再骨折的风险，这可能与骨水泥和骨小梁更加充分的接触，增强了椎体内部的统一性有关。而骨水泥分布过于致密，未能充分弥散可能是术后椎体形态改变及再发骨折的危险因素[19]。相较于弥散形态和两侧分布的骨水泥，PVP 术中“条带”状的骨水泥分布是相对较差的分布形态，存在上述情况的患者无论是术后椎体高度还是再骨折的发生率，都不能令人满意[20]。

PVP 术后椎体是否发生再次骨折是间接评估PVP术后椎体力学结构稳定性的一个重要指标。Kolb 等[21]的研究表明，进行PVP 手术时在骨折椎体内注射骨水泥，除了会提高骨折椎体的强度，也会增加其他邻近椎体发生骨折的风险。人体标本实验与三维有限元分析均表明：PVP 术中的骨水泥注射改变了骨折椎体及邻近椎体终板周围的力学结构，且可能会加剧终板的形变，这可能是椎体再骨折的原因之一[22-23]。在PVP手术中，过多地将骨水泥注射于椎体前方，使椎体前方高度完全修复，反而会使邻近椎体再次骨折的风险增加，这可能与相邻椎体之间的力学结构的改变有关，尤其是将附近节段的应力集中在脊柱前柱，对于附近椎体稳定性的影响较大[24]。所以，为了更好地保护PVP 强化椎体的邻近节段，将骨水泥更均匀地弥散在椎体内部是更加理想的手术方案。

5 讨论

经过数十年的发展， 脊柱微创手术技术中的PVP、 经皮穿刺后凸成形术(percutaneous kyphoplasty，PKP)、椎间孔镜等技术均得到了广泛的临床应用。PVP 手术目前是许多骨科医生治疗OVCF时的首选手术方式。单侧入路PVP 手术如果使骨水泥局限性弥散于椎体压缩更加严重的一侧，虽然有机会获得良好的术后疗效（患者术后可以获得良好的镇痛效果，并可以早期下地），但在生物力学方面可能会有劣势，修复后的椎体无论是轴向的承压能力还是对抗弯曲的能力都会有所不足。最新的研究表明，PVP术后双侧分布、均匀弥散的骨水泥可以使患者获得良好的临床疗效和更低的再次压缩风险[25]。现在大多数医师已达成共识：充分、均匀弥散于整个椎体的骨水泥分布是更加理想的骨水泥分布形态。在不过多地注射骨水泥的情况下，相对于骨水泥集中在椎体中部，将骨水泥更多地分布于椎体两侧或许是一种更好的选择。在垂直维度上，使骨水泥同时接触上下终板，形成完整的“支撑柱”，会有效提高椎体的刚度，抵抗轴向压力，预防再骨折。同时对于椎体压缩骨折，穿越骨折线区域给予充分的骨水泥强化有着积极的意义。

“左右均衡+ 顶天立地+ 加强骨折线周围”这种骨水泥分布方式，可能是PVP 术中提高骨折椎体机械强度最好的骨水泥弥散形态。当然，PVP 术中骨水泥的分布不仅仅取决于手术方式，患者的骨密度、椎体的骨折类型、骨水泥的成分对于最终的分布情况也有一定的影响，手术过程中依然要依靠手术医师优秀的临场决断能力来取得更好的效果。