內固定結合傷椎骨水泥增強治療骨質疏松性胸腰椎爆裂骨折的生物力學評價

翟偉峰 賈永偉 顏 昊 倪 明 張建坡 魏禮成 黃 正 金 浪

1.上海中醫藥大學附屬光華醫院脊柱外科，上海 200052；2.上海健康醫學院附屬浦東新區人民醫院骨科，上海 201299

隨著人口老齡化程度的加劇，骨質疏松性骨折的發病率逐年增多，女性達24.43%，男性達15.58%[1]。骨質疏松性椎體爆裂骨折（osteoporotic vertebral burst fractures，OVBF）是骨質疏松性椎體壓縮骨折（osteo porotic vertebral compression fractures，OVCF）中較為嚴重的一種特殊類型，其發病率約占整個OVCF 發病率的13%[2]，與單純壓縮性骨折比較，OVBF 同時具有骨質疏松性骨折及爆裂骨折的特點，臨床上可繼發后凸畸形，壓迫脊髓、神經等嚴重并發癥，嚴重影響老年患者的生活質量。在伴有神經壓迫或脊柱不穩等特殊情況下，行減壓內固定手術則不可避免[3-4]。但是對于合并骨質疏松的老年患者，內固定失敗、椎體矯正高度丟失等并發癥發生率較高。如何既能重建脊柱的穩定，解除椎管、神經壓迫，又能避免內固定的失敗，一直是困擾脊柱外科醫師的難題[5-6]。雖然內固定結合骨水泥增強技術在臨床上取得了良好的療效[7-9]，但是，關于其整體生物力學性能的研究還較少，在臨床的廣泛應用缺乏一定的生物力學依據。本研究通過對骨質疏松性腰椎爆裂骨折模型采用不同的手術方式，比較固定節段的穩定性，為臨床應用提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2018 年1 月至2019 年6 月通過上海中醫藥大學收集老年胸腰段（T11～L3）的脊柱標本，X 線攝片排除畸形和腫瘤性病變，用雙能X 射線骨密度檢測儀（韓國Osteosys Co.,Ltd 生產，型號：PRIMUS）測試每具標本的骨密度，確認為骨質疏松脊柱標本（骨質疏松標準：T 值＜-2.5 SD[10]），共有6 具符合實驗要求。

采用AN-D500 電子萬能試驗機（上海宇涵機械有限公司制造）進行力學測試。采用北京嘉恒數據影像公司生產的圖像采集卡（OK-M10B-E PCI-E 系列）、CCD 攝像機（型號OK-AM1100）測量位移。其中骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）為德國Heraeus Medical GmbH 生產，椎弓根釘棒系統及配套器械為山東威高公司生產。

1.2 骨折模型的制備

將符合實驗要求的標本剔除所有肌肉及脂肪組織，確保其韌帶結構、小關節、椎間盤和椎體結構完整。雙層塑料袋包裹后，放置-20℃冰柜凍存備用，在實驗前24 h 取出標本，室溫下自然解凍后進行力學試驗。標本上下端椎體（T11、L3）以PU 樹脂（AB 膠）包埋固定，上下端保持平行，包埋完成后固定在特制的夾具上進行測試。所有標本完成穩定性測試后，采用Kallemeier 撞擊法[11]來制備爆裂骨折模型。

1.3 標記點粘貼

采用小四號字體的“白底黑點”為標記點，中心間距離為11.00 mm 的兩黑點為標尺來標定圖像中像素尺寸。用502 膠水將上述標記點牢靠粘貼在T12、L2椎體的正面，用于測量固定節段在加載過程中的垂直位移。

1.4 測試順序

每具標本依次進行以下5 種狀態的測試：①完整狀態（空白組）；②骨折狀態（骨折組）；③6 釘內固定狀態（6 釘組）；④6 釘內固定結合傷椎骨水泥增強狀態（6 釘+骨水泥組）；⑤4 釘內固定結合傷椎骨水泥增強狀態（4 釘+骨水泥組）。

1.5 手術操作

①6 釘組：根據解剖標志，確定螺釘植入位置，在傷椎及傷椎上下椎體分別置入6 枚椎弓根螺釘，安放適度預彎的連接棒，適當撐開后鎖緊固定。②6 釘+骨水泥組：拔除傷椎雙側椎弓根螺釘，經釘道置入骨水泥穿刺套管，調制骨水泥至拉絲形態后緩慢注入，傷椎注入骨水泥量約5 ml，骨水泥注射完成后擰入椎弓根螺釘，安放適度預彎的連接棒，螺帽鎖緊固定。③4 釘+骨水泥組：加大扭力，拔除骨水泥強化椎體的雙側椎弓根螺釘，安放適度預彎的連接棒，螺帽鎖緊固定。

術后均拍攝X 線片確認內固定位置及骨折復位良好。等待24 h 以上，待骨水泥穩定后再進行生物力學測試，6 釘組、6 釘+骨水泥組、4 釘+骨水泥組術后X 線圖像見圖1A～C。

1.6 生物力學測試及數字圖像采集過程

將兩臺CCD 攝像機分別放置于標本的正面和側面，用于記錄標本正位和側位的圖像變化，將圖像采集卡、CCD 攝像機連接至電腦，調節攝像頭的光圈及焦距，確保能夠清晰地看到每一個標記點，標本加載及固定方式及相關器材放置見圖1D～E。考慮到標本的黏彈性特征，為消除椎體的松弛、蠕變等流變學影響，在正式實驗前先行預載50 N 3 次后正式加載采集各種數據，按計劃將6 具標本依次進行力學測試，載荷加載實行50 N 分級載荷，從0～200 N 止。分別采集0、50、100、150、200 N 的圖像，圖像格式為768像素×576 像素的8 位灰度圖像。每組完成軸向壓縮、前屈、后伸、左側屈、右側屈5 種加載方式。主要觀察指標：各組標本加載前后軸向位移變化。

圖1 術后影像學圖片及關鍵步驟示例

1.7 統計學方法

采用SPSS 20.0 統計學軟件對所得數據進行分析，計量資料采用均數±標準差（）表示，兩組間比較采用t 檢驗，多組間的比較采用方差分析，組間兩兩比較采用SNK 檢驗。以P ＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

本研究結果顯示載荷-位移基本呈線性變化，依據各組標本剛度值繪制的載荷-位移曲線見圖2，在軸向加壓、前屈、后伸、左右側屈加載模式下，骨折組的標本剛度均顯著低于空白組、6 釘組、4 釘+骨水泥組、6 釘+骨水泥組，差異有統計學意義（P ＜0.05）。在后伸、左右側屈加載模式下，6 釘組的標本剛度高于空白組，在軸向加壓和前屈加載模式下，6 釘組的標本剛度低于空白組，差異有統計學意義（P ＜0.05）。在軸向加壓、后伸、左右側屈加載模式下，4 釘+骨水泥組與6 釘+骨水泥組的標本剛度高于空白組和6 釘組，且6 釘+骨水泥組高于4 釘+骨水泥組，差異有統計學意義（P ＜0.05）。在前屈加載模式下，4 釘+骨水泥組的標本剛度低于空白組但高于6 釘組，6 釘+骨水泥組高于空白組和6 釘組，差異有統計學意義（P ＜0.05）。見表1。

圖2 不同加載方式下的載荷-位移曲線

表1 不同術式后標本不同加載模式下的軸向剛度（N/mm，）

表1 不同術式后標本不同加載模式下的軸向剛度（N/mm，）

注：與空白組比較，aP ＜0.05；與骨折組相比較，bP ＜0.05；與6 釘組比較，cP ＜0.05；與4 釘+骨水泥組比較，dP ＜0.05

3 討論

脊柱爆裂性骨折占胸腰段骨折的30%～60%，合并神經功能損傷者達50%左右[12]，跨傷椎固定是治療椎體爆裂骨折的經典術式之一，但長期隨訪發現易出現傷椎高度丟失、內固定松動、斷裂等并發癥[13-15]。傷椎置釘可提高脊柱的穩定性，有效減少釘棒斷裂的風險，因此經傷椎置釘短節段固定的手術方式在臨床上逐漸應用起來[16-17]。而對于合并骨質疏松的患者，目前最常用的手術方式是傷椎置釘短節段固定和內固定結合骨水泥增強，但是何種方式最佳，仍然存在較大的爭議[18-20]。

本研究中，針對臨床實際情況，采用6 釘內固定、6 釘內固定結合傷骨水泥增強、4 釘內固定結合傷骨水泥增強3 種方式對脊柱標本的穩定性進行評價。結果發現，3 種固定方式均能為脊柱提供有效的固定，但是相對于6 釘內固定及4 釘內固定結合骨水泥增強6 釘內固定結合骨水泥增強術后，固定節段在各運動狀態的剛度均具有明顯優勢（P ＜0.05）。由此可見，6 釘內固定結合傷椎骨水泥增強術后脊柱穩定性最高。筆者認為主要原因在于：傷椎置釘為脊柱提供了良好的三點固定，并避免了懸掛效應，同時骨水泥增強技術更好地提供了脊柱前柱和中柱的支撐，在不增加固定節段的前提下進一步提高了固定節段的即刻穩定性。Norton 等[21]在人尸體標本上分別行4 釘和6 釘固定，結果發現6 釘固定的強度更大，并且認為6 釘固定能夠取得與長節段固定相同的效果。葉勁等[22]通過對12 具新鮮脊柱標本進行生物力學研究發現，采用椎弓根釘固定聯合椎體成形術治療胸腰段爆裂型骨折，穩定效果要優于單純椎弓根螺釘內固定的手術方式，同時也可以增加固定節段承受的極限載荷和剛度，與本研究結果基本相符。

根據脊柱載荷分布理論，有80%的應力通過前中柱，約20%的應力通過后柱，而胸腰椎爆裂性骨折的主要特征就是椎體前方的壓縮（前柱損傷）和后方骨皮質的斷裂（中柱損傷），若前柱缺損未得到重建，則術后易發生內固定斷裂、后凸畸形等并發癥[23]。付忠泉等[24]對258 例胸腰椎單椎體爆裂性骨折患者進行研究，比較胸腰椎爆裂性骨折后路手術中3 種不同植骨方式的療效，結果表明內固定結合經傷椎椎弓根植骨的手術方式遠期效果最佳，但存在操作時間長、出血相對較多等缺點。同時Sjostrom 等[25]研究也表明經椎弓根植骨存在骨折塊進入椎管、植骨不愈合等風險，而應用骨水泥進行傷椎強化可以避免植骨引起的并發癥，通過對傷椎進行PMMA 骨水泥增強，使骨水泥彌散至椎體前中部，可有效重建脊柱前中柱的穩定，同時利用骨水泥的止痛作用，可獲得滿意的臨床療效[26]。

由于尸體標本的稀缺性，本研究僅完成了6 具標本的檢測，研究中先用電鉆對腰1 椎體鉆孔破壞，然后采用逐級加載的方法對脊柱標本進行撞擊，使損傷爆裂范圍能夠集中在剛度相對較低的腰1 椎體，如此可提高骨折的爆裂程度的可控性及成功率，該造模方法可重復性較好。實驗中不同固定組依次使用同一標本，避免了應用不同的標本而引起的個體差異。

綜上所述，3 種固定方式均能達到固定節段的穩定，但6 釘內固定結合傷椎骨水泥增強的手術方式穩定性最強，生物力學性能最佳。