經(jīng)皮椎體成形術(shù)與后凸成形術(shù)在老年女性骨質(zhì)疏松性骨折中的生物力學(xué)研究

蘭樹華，朱俊錕，黃淑明，吳泉州，葉方，呂國強(qiáng)

（麗水市中心醫(yī)院 骨科，浙江 麗水 323000）

經(jīng)皮椎體成形術(shù)與后凸成形術(shù)在老年女性骨質(zhì)疏松性骨折中的生物力學(xué)研究

蘭樹華，朱俊錕，黃淑明，吳泉州，葉方，呂國強(qiáng)

（麗水市中心醫(yī)院 骨科，浙江 麗水 323000）

目的：探討經(jīng)皮椎體成形術(shù)（PVP）和椎體后凸成形術(shù)（PKP）治療單節(jié)段胸腰椎骨質(zhì)疏松性骨折的生物力學(xué)性質(zhì)。方法：從6例骨質(zhì)疏松中老年女性的尸體中選取12個(gè)胸腰椎體，進(jìn)行壓縮性骨折造模，并隨機(jī)分配為PVP組和PKP組。其中PVP組直接將骨水泥（PMMA）注入受試標(biāo)本；PKP組使用球囊擴(kuò)

張專用器械對(duì)標(biāo)本進(jìn)行擴(kuò)張，后注入骨水泥，對(duì)擴(kuò)張后空腔進(jìn)行充填。對(duì)兩組標(biāo)本進(jìn)行幾何測(cè)量與生物力學(xué)測(cè)試，并獲取相關(guān)參數(shù)。結(jié)果：兩組椎體的生物力學(xué)測(cè)試都顯示出術(shù)后的椎體強(qiáng)度顯著高于術(shù)前（P＜0.01）；但PKP組的術(shù)后椎體剛度能恢復(fù)至術(shù)前骨折前水平，而PVP組的術(shù)后椎體剛度無法恢復(fù)，PKP與PVP手術(shù)在恢復(fù)椎體高度方面有明顯差異。結(jié)論：在體外條件下，PKP較PVP在恢復(fù)椎體高度與剛度方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但在恢復(fù)椎體強(qiáng)度方面PVP占優(yōu)。

骨質(zhì)疏松；壓縮性骨折；椎體后凸成形術(shù)；經(jīng)皮椎體成形術(shù)

經(jīng)皮椎體成形術(shù)（percutaneous vertebroplasty，PVP）和后凸成形術(shù)（percutaneous kyphoplasty，PKP）是臨床治療中老年胸腰椎壓縮性骨折的重要方法之一。因其具有創(chuàng)傷小、操作簡(jiǎn)便、可早期功能鍛煉等優(yōu)點(diǎn)目前已被廣泛應(yīng)用于臨床并逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手術(shù)方式。以往對(duì)于該兩種術(shù)式的生物力學(xué)研究較多，但存在一定的爭(zhēng)議。為此，本實(shí)驗(yàn)通過比較PVP和PKP治療單節(jié)段胸腰椎骨質(zhì)疏松性骨折的生物力學(xué)研究，以便為臨床治療老年女性骨質(zhì)疏松性骨折提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 標(biāo)本與材料 選取6具漢族老年女性（年齡55～89歲，平均71.6歲）意外死亡新鮮尸體胸腰段脊柱作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)本來源，標(biāo)本由麗水學(xué)院醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供。詳細(xì)了解受試對(duì)象生前的病史，并攝胸腰段X線片，以排除其他脊柱疾患（結(jié)核病灶、原發(fā)或繼發(fā)性腫瘤等等）。用美國GE公司生產(chǎn)的Prodigy雙能X線吸收骨密度儀測(cè)試每具標(biāo)本T12～L1椎體的骨密度絕對(duì)值（BMD）均小于1000 g/cm2。

使用國產(chǎn)椎體成形術(shù)專用器械（山東冠龍公司LG08202）；選用國產(chǎn)PMMA骨水泥（天津市合成材料工業(yè)研究所），按粉（g）/液（mL）比例2:1，調(diào)配骨水泥；碘普羅胺造影劑[優(yōu)維顯300，先靈（廣州）藥業(yè)有限公司]；術(shù)中使用荷蘭飛利浦公司的DSA行影像監(jiān)測(cè)。

1.2 標(biāo)本處理 每具標(biāo)本取T12、L1共12個(gè)椎體，分離解剖韌帶、肌肉附著點(diǎn)和椎間盤等軟組織，制成12個(gè)椎體受試標(biāo)本[1]。然后用0.9%氯化鈉溶液紗布包裹椎體，編號(hào)后封存在-20°C的醫(yī)用冰箱中[2]。于實(shí)驗(yàn)前1 d，將T12與L1分為兩組分別編號(hào)，通過計(jì)算機(jī)搖號(hào)方式隨機(jī)分配到PVP組和PKP組。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 壓縮椎體模型的制備：采用60°間隔，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量各椎體6個(gè)邊緣高度，求得每一椎體初始高度平均值。用環(huán)氧樹脂包埋椎體上下終板，使得其邊界處于互相平行的平面狀態(tài)，包埋厚度約3 mm[3]。將各椎體標(biāo)本放置在測(cè)試平臺(tái)（島津SHIMADZU AG-A20000萬能材料試驗(yàn)機(jī)）上，測(cè)試平臺(tái)中心與椎體中心軸線相一致。采用位移控制方式軸向加載，使用89 N的負(fù)荷預(yù)載2 min，再以速度5 mm/min，壓縮椎體高度的25%停止，形成壓縮性骨折模型，記錄最大負(fù)荷及位移數(shù)據(jù)[4]。同時(shí)繪出應(yīng)力-位移曲線，以曲線最高拐點(diǎn)處的應(yīng)力負(fù)荷作為強(qiáng)度值，以500 N到椎體強(qiáng)度值1/2之間的負(fù)荷-位移曲線斜率為壓縮剛度。使用上述方法，再次測(cè)量各椎體壓縮后的高度平均值，作為術(shù)前椎體高度[5]（見圖1-2）。

圖1 椎體高度測(cè)量

圖2 椎體標(biāo)本在力學(xué)測(cè)試平臺(tái)測(cè)試

1.3.2 PVP術(shù)：在影像監(jiān)視下，采用國產(chǎn)PVP專用器械對(duì)已成功造模后的椎體進(jìn)行手術(shù)操作，受試椎體均采用單側(cè)椎弓根入路穿刺。在PVP組的操作中，透視下將螺旋推進(jìn)器沿椎弓根刺入椎體，確認(rèn)其尖部位于椎體中心[6]。選用可在X線透視下顯影的國產(chǎn)PMMA骨水泥，按粉（g）/液（mL）比例2:1，調(diào)配骨水泥，并將骨水泥移入專用注射裝置，在透視下緩慢注入椎體，實(shí)時(shí)監(jiān)控骨水泥在椎體內(nèi)的分布情況并防止骨水泥注入過多或漏到椎體外，當(dāng)骨水泥出現(xiàn)滲漏或接近椎體后壁時(shí)，停止注入（見圖3）。

1.3.3 PKP術(shù)：在PVP組操作完成后，開始PKP組的手術(shù)。將球囊經(jīng)套管置入骨折椎體，螺旋推進(jìn)器的進(jìn)針角度在矢狀平面上略呈5°～10°的逆時(shí)針傾斜，在透視下盡可能使球囊中心位于椎體的幾何中心，確認(rèn)理想位置以后，連接加壓注射裝置，注入碘普羅胺造影劑擴(kuò)張球囊。當(dāng)椎體壓縮性骨折復(fù)位后，停止擴(kuò)張。在術(shù)中嚴(yán)密監(jiān)視球囊壓力，并緩慢擴(kuò)張，在擴(kuò)張過程中始終保持壓力在220 psi（1 psi=6.89 kPa）以下，以防止球囊的破裂[7]。記錄球囊擴(kuò)張后的容積，隨后抽出造影劑，將球囊退出套管。將調(diào)配好的骨水泥按照相應(yīng)的球囊容積經(jīng)工作套管推入椎體內(nèi)空腔。觀察骨水泥外滲漏情況，在注入骨水泥的過程中注意觀察骨水泥的黏稠度，骨水泥太稀容易增加滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，過于黏稠，會(huì)導(dǎo)致注入困難，當(dāng)骨水泥出現(xiàn)滲漏或接近椎體后壁時(shí)，停止注入（見圖 4）。

圖3 PVP術(shù)后椎體標(biāo)本側(cè)位X線透視片

圖4 PKP術(shù)后椎體標(biāo)本側(cè)位X線透視片

1.3.4 力學(xué)測(cè)試：各組受試椎體術(shù)后在20 ℃下封存24 h后啟封，并按照術(shù)前方法再次測(cè)量各椎體，得出術(shù)后椎體高度平均值。再次使用測(cè)試平臺(tái)對(duì)術(shù)后的椎體進(jìn)行壓縮和力學(xué)測(cè)試，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計(jì)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 使用SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用配對(duì)t檢驗(yàn)來分析術(shù)前術(shù)后的椎體高度恢復(fù)的差異，采用一維方差分析（ANOVA）對(duì)兩組內(nèi)及兩組間的相關(guān)函數(shù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，其中評(píng)價(jià)的處理因素包括手術(shù)和術(shù)式，即對(duì)同一椎體標(biāo)本術(shù)前術(shù)后以及不同術(shù)式處理后的力學(xué)特性變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

PVP組：T12椎體注射骨水泥的量為2.4、3.8、5.5 mL，L1椎體為2.7、4.2、6.5 mL，平均為（4.18±1.59）mL；PKP組：T12椎體注射骨水泥的量為2.5、5.2、7.3 mL，L1椎體為 2.9、5.8、7.1 mL，平均（5.33±2.05）mL。兩組操作中骨水泥注入量比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=3.14，P＜0.05）。術(shù)中發(fā)現(xiàn)PVP組有2個(gè)椎體骨水泥向椎體側(cè)方滲漏，1例向椎管內(nèi)滲漏，PKP組有1例出現(xiàn)骨水泥向椎體前緣滲漏，未發(fā)現(xiàn)有向椎管滲漏。

PKP和PVP兩組的術(shù)后椎體強(qiáng)度都較術(shù)前有明顯的提高（t值分別為7.63和5.66，P＜0.01），PVP組的術(shù)后椎體剛度較術(shù)前有所提高（t=2.67，P＜0.05），但是PKP組的術(shù)前術(shù)后剛度沒有變化（t=0.64，P＞0.05）。PKP組的術(shù)后椎體高度的恢復(fù)[（7.89±1.77）mm]，相較于PVP組[（2.32±1.04）mm]有明顯的優(yōu)越性（t=9.94，P＜0.01）。受試椎體兩組的主要力學(xué)數(shù)據(jù)如表1所示。兩組對(duì)象術(shù)前術(shù)后的應(yīng)力-位移曲線如圖5所示，其中應(yīng)力函數(shù)值為每組椎體的測(cè)量均數(shù)。

表1 兩組椎體在實(shí)驗(yàn)過程中的主要生物力學(xué)指標(biāo)

圖5 兩組受試椎體在術(shù)前術(shù)后的負(fù)荷位移曲線

3 討論

盡管臨床上廣泛使用T值來對(duì)骨質(zhì)疏松進(jìn)行診斷分級(jí)，但對(duì)于標(biāo)本的選取，我們?nèi)匀徊扇MD的絕對(duì)值來作為納入標(biāo)準(zhǔn)。國際上目前主流的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都認(rèn)為25%的壓縮性骨折模型較容易進(jìn)行比較。如果大于這個(gè)比例，不僅在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中容易造成較大系統(tǒng)誤差，而且在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中容易造成骨水泥滲漏，從而造成椎體高度恢復(fù)情況難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較[8]。故此在該項(xiàng)研究中，我們采取了25%作為骨折模型的壓縮比。也有不少學(xué)者關(guān)注骨水泥的注射徑路對(duì)術(shù)后力學(xué)特性的影響，目前的主流意見認(rèn)為單側(cè)椎弓根入路與雙側(cè)入路并沒有太大的差異[9]。此外，骨水泥的本身的力學(xué)性能也起到比較重要的作用，相關(guān)的力學(xué)和臨床實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)行，目前有很多產(chǎn)品開始商業(yè)化。我們所采用的填充材料仍然為傳統(tǒng)的PMMA骨水泥。

從該項(xiàng)研究中不難發(fā)現(xiàn)，兩者在體外實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，都較為明顯地恢復(fù)了椎體的強(qiáng)度，這個(gè)結(jié)果可以表明兩種術(shù)式的術(shù)后病椎再骨折發(fā)生率很低。PKP組術(shù)后的剛度能恢復(fù)到近乎骨折前水平（t=0.64，P＞0.05），而PVP椎體的剛度雖不能恢復(fù)到骨折前水平，但大量循證醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)臨床癥狀得以明顯緩解，且與PKP相比兩者術(shù)后的疼痛緩解程度沒有太大的差異[10]。有學(xué)者認(rèn)為椎體高度的丟失與后凸畸形將導(dǎo)致持續(xù)的胸腰部疼痛和脊柱功能障礙，患者易摔跤形成新的骨折[11]。而分析數(shù)據(jù)顯示出了PKP在椎體高度恢復(fù)當(dāng)中具備顯而易見的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)力-位移曲線是最常用的生物力學(xué)指標(biāo)的描述方法之一。在我們的研究當(dāng)中，PVP和PKP術(shù)前曲線擬合度相當(dāng)理想，證明標(biāo)本的原始力學(xué)性能較為相似。但是術(shù)后的兩者曲線表現(xiàn)出了一些不同尋常的形狀，PVP術(shù)后呈現(xiàn)出的是垂尾雙峰線，而PKP組則是翹尾雙峰線。兩者較為類似的主峰位置在前，也就是最高點(diǎn)即椎體強(qiáng)度點(diǎn)在第一次高峰中出現(xiàn)。在這個(gè)曲線當(dāng)中可以看出，PVP的術(shù)后強(qiáng)度甚至高于PKP，這一點(diǎn)似乎有些出人意料，我們沒有將兩者的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷。在體外實(shí)驗(yàn)條件下，PVP組的骨水泥注射量往往較臨床應(yīng)用要大，骨水泥浸潤得比較充分，往往是加注到溢出為止。因此，骨水泥與殘存的骨小梁能夠較均勻地融為一體，構(gòu)成了“混凝土效應(yīng)”。但是這樣的操作在實(shí)際手術(shù)當(dāng)中由于需要規(guī)避手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)而很難做到。PKP組因球囊擴(kuò)張的壓力有限（＜220 psi），不能無限制擴(kuò)張，缺乏充分融合的空間。注入的骨水泥往往聚集在一起，成為孤立的水泥團(tuán)塊。這樣有助于解釋在PKP組的椎體當(dāng)中，為何抗壓能力稍遜一籌。兩組術(shù)后的雙峰曲線因缺乏有效的模型目前還無法完全闡明，但可以肯定的是：在曲線拐點(diǎn)以后，填充材料或多或少已經(jīng)碎裂。不管是垂尾還是翹尾，此時(shí)的椎體已經(jīng)不是一個(gè)整體的概念。因而出現(xiàn)異常曲線形態(tài)，一方面可能為系統(tǒng)誤差所致；另一方面，不排除椎體分裂甚至局部分離后的實(shí)體所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)。

總之，這項(xiàng)對(duì)于中國老年女性尸體標(biāo)本所作的體外生物力學(xué)研究表明: PKP手術(shù)和PVP手術(shù)都能有效提高骨質(zhì)疏松椎體的最大抗壓負(fù)荷；PKP手術(shù)能顯著恢復(fù)椎體丟失高度；在實(shí)驗(yàn)條件下，PKP手術(shù)在恢復(fù)椎體剛度方面較PVP有一定的優(yōu)勢(shì)。

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

[2] Nakano M, Hirano N, Ishihara H, et al. Calcium phosphate cement leakage after percutaneous vertebroplasty for osteoporotic vertebral fractures: risk factor analysis for cement leakage [J]. J Neurosurg Spine, 2005, 2(1):27-33.

[3] 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.

[4] Mousavi P, Roth S, Finkelstein J, et al. Volumetric quantification of cement leakage following percutaneous vertebroplasty in metastatic and osteoporotic vertebrae[J].Neurosurg, 2003, 99(1):56-59.

[5] Spivak JM, Johnson MG. Percutaneous treatment of vertebral body pathology[J]. J Am Acad Orthop Surg, 2005, 13(1):6-17.

[6] Shin JJ, Chin DK, Yoon YS. Percutaneous vertebroplasty for the treatment of osteoporotic burst fractures [J]. Acta Neurochir (Wien), 2009, 151(2):141-148.

[7] Kado DM, Browner WSm, Palermo L, et al. Vertebral fractures and mortality in older women:a prospective study.Study of Osteoporotic Fractures Research Group[J]. Arch Intern Med, 1999, 159(11):1215-1220.

[8] Baroud G, Crookshank M, Bohner M. High-viscosity cement significantly enhances uniformity of cement filling in vertebroplasty:an experimental model and study on cement leakage[J]. Spine, 2006, 31(22):2562-2568.

[9] Chang WS, Lee SH, Choi WG, et al. Unipedicular vertebroplasty for osteoporotic compression fracture using an individualized needle insertion angle[J]. Clin J Pain, 2007,23(9):767-773.

[10]Rad AE, Kallmes DF. Pain relief following vertebroplasty in patients with and without localizing tenderness on palpation[J]. Am J Neuroradiol, 2008, 29(9):1622-1626.

[11] 徐暉, 徐華梓, 池永龍, 等. SKY骨擴(kuò)張器和球囊擴(kuò)張治療椎體壓縮性骨折的療效對(duì)比分析[J]. 溫州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2006,36(5): 461-465.

Biomechanical study on the percutaneous vertebroplasty and kyphoplasty in osteoporotic fracture in elderly female cadavers

LAN Shuhua，ZHU Junkun，HUANG Shuming，WU Quanzhou，YE Fang，LV Guoqiang.
Department of Orthopedics，Lishui Central Hospital，Lishui，323000

Objective:To probe the biomechanical characteristics of vertebroplasty(PVP)and kyphoplasty(PKP)to treat the osteoporotic fracture of the single segment thoracic and lumbar vertebral bodies in the elderly female cadavers.Methods:Twelve osteoporotic vertebral bodies(T12L1)selected from 6 aged female cadavers were experimentally crunched as models and randomly divided into PVP and PKP two groups. Of whom，cement was directly injected into the vertebral body in PVP group，while in PKP group，special devices were used to enlarge the specimen，then cement was injected into the vertebral body for padding the space. The geometrical and biomechanical measurements were performed to obtain the relevant data.Results:The biomechanical tests of the vertebral bodies in both groups all showed that the post-operative stiffness of the body was obviously stronger than pre-operative stiffness(P＜0.01). The postoperative stiffness of the vertebral body of PKP group could basically restore the pre-operative stiffness，whereas the stiffness of PVPgroup couldn’t restore. There was significant statistically difference in restoring the height of the vertebral body between PVP and PKP operations.Conclusion:PKP in the restoration of the body height and stiffness in vitro is superior to PVP，but PVP in the restoration of the strength of the vertebral body has advantage.

osteoporosis；compressive fracture；kyphoplasty；vertebroplasty

R453.9

A

1000-2138（2012）06-0530-04

2012-09-07

麗水市A類科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009JYZB）。

蘭樹華（1968-），男，浙江麗水人，副主任醫(yī)師。

吳健敏）

·論 著·