經皮椎體成形術與后凸成形術在老年女性骨質疏松性骨折中的生物力學研究

蘭樹華，朱俊錕，黃淑明，吳泉州，葉方，呂國強

（麗水市中心醫院 骨科，浙江 麗水 323000）

經皮椎體成形術與后凸成形術在老年女性骨質疏松性骨折中的生物力學研究

蘭樹華，朱俊錕，黃淑明，吳泉州，葉方，呂國強

（麗水市中心醫院 骨科，浙江 麗水 323000）

目的：探討經皮椎體成形術（PVP）和椎體后凸成形術（PKP）治療單節段胸腰椎骨質疏松性骨折的生物力學性質。方法：從6例骨質疏松中老年女性的尸體中選取12個胸腰椎體，進行壓縮性骨折造模，并隨機分配為PVP組和PKP組。其中PVP組直接將骨水泥（PMMA）注入受試標本；PKP組使用球囊擴

張專用器械對標本進行擴張，后注入骨水泥，對擴張后空腔進行充填。對兩組標本進行幾何測量與生物力學測試，并獲取相關參數。結果：兩組椎體的生物力學測試都顯示出術后的椎體強度顯著高于術前（P＜0.01）；但PKP組的術后椎體剛度能恢復至術前骨折前水平，而PVP組的術后椎體剛度無法恢復，PKP與PVP手術在恢復椎體高度方面有明顯差異。結論：在體外條件下，PKP較PVP在恢復椎體高度與剛度方面有著明顯的優勢，但在恢復椎體強度方面PVP占優。

骨質疏松；壓縮性骨折；椎體后凸成形術；經皮椎體成形術

經皮椎體成形術（percutaneous vertebroplasty，PVP）和后凸成形術（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。因其具有創傷小、操作簡便、可早期功能鍛煉等優點目前已被廣泛應用于臨床并逐漸代替傳統的手術方式。以往對于該兩種術式的生物力學研究較多，但存在一定的爭議。為此，本實驗通過比較PVP和PKP治療單節段胸腰椎骨質疏松性骨折的生物力學研究，以便為臨床治療老年女性骨質疏松性骨折提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 標本與材料 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驗標本來源，標本由麗水學院醫學院解剖教研室提供。詳細了解受試對象生前的病史，并攝胸腰段X線片，以排除其他脊柱疾患（結核病灶、原發或繼發性腫瘤等等）。用美國GE公司生產的Prodigy雙能X線吸收骨密度儀測試每具標本T12～L1椎體的骨密度絕對值（BMD）均小于1000 g/cm2。

使用國產椎體成形術專用器械（山東冠龍公司LG08202）；選用國產PMMA骨水泥（天津市合成材料工業研究所），按粉（g）/液（mL）比例2:1，調配骨水泥；碘普羅胺造影劑[優維顯300，先靈（廣州）藥業有限公司]；術中使用荷蘭飛利浦公司的DSA行影像監測。

1.2 標本處理 每具標本取T12、L1共12個椎體，分離解剖韌帶、肌肉附著點和椎間盤等軟組織，制成12個椎體受試標本[1]。然后用0.9%氯化鈉溶液紗布包裹椎體，編號后封存在-20°C的醫用冰箱中[2]。于實驗前1 d，將T12與L1分為兩組分別編號，通過計算機搖號方式隨機分配到PVP組和PKP組。

1.3 實驗方法

1.3.1 壓縮椎體模型的制備：采用60°間隔，使用游標卡尺測量各椎體6個邊緣高度，求得每一椎體初始高度平均值。用環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，包埋厚度約3 mm[3]。將各椎體標本放置在測試平臺（島津SHIMADZU AG-A20000萬能材料試驗機）上，測試平臺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的負荷預載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，記錄最大負荷及位移數據[4]。同時繪出應力-位移曲線，以曲線最高拐點處的應力負荷作為強度值，以500 N到椎體強度值1/2之間的負荷-位移曲線斜率為壓縮剛度。使用上述方法，再次測量各椎體壓縮后的高度平均值，作為術前椎體高度[5]（見圖1-2）。

圖1 椎體高度測量

圖2 椎體標本在力學測試平臺測試

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

1.3.3 PKP術：在PVP組操作完成后，開始PKP組的手術。將球囊經套管置入骨折椎體，螺旋推進器的進針角度在矢狀平面上略呈5°～10°的逆時針傾斜，在透視下盡可能使球囊中心位于椎體的幾何中心，確認理想位置以后，連接加壓注射裝置，注入碘普羅胺造影劑擴張球囊。當椎體壓縮性骨折復位后，停止擴張。在術中嚴密監視球囊壓力，并緩慢擴張，在擴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]。記錄球囊擴張后的容積，隨后抽出造影劑，將球囊退出套管。將調配好的骨水泥按照相應的球囊容積經工作套管推入椎體內空腔。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險，過于黏稠，會導致注入困難，當骨水泥出現滲漏或接近椎體后壁時，停止注入（見圖 4）。

圖3 PVP術后椎體標本側位X線透視片

圖4 PKP術后椎體標本側位X線透視片

1.3.4 力學測試：各組受試椎體術后在20 ℃下封存24 h后啟封，并按照術前方法再次測量各椎體，得出術后椎體高度平均值。再次使用測試平臺對術后的椎體進行壓縮和力學測試，并進行相關數據的記錄和統計。

1.4 統計學處理方法 使用SPSS 15.0統計軟件進行統計分析。采用配對t檢驗來分析術前術后的椎體高度恢復的差異，采用一維方差分析（ANOVA）對兩組內及兩組間的相關函數分布進行統計處理，其中評價的處理因素包括手術和術式，即對同一椎體標本術前術后以及不同術式處理后的力學特性變化進行分析。

2 結果

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計學意義（t=3.14，P＜0.05）。術中發現PVP組有2個椎體骨水泥向椎體側方滲漏，1例向椎管內滲漏，PKP組有1例出現骨水泥向椎體前緣滲漏，未發現有向椎管滲漏。

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

表1 兩組椎體在實驗過程中的主要生物力學指標

圖5 兩組受試椎體在術前術后的負荷位移曲線

3 討論

盡管臨床上廣泛使用T值來對骨質疏松進行診斷分級，但對于標本的選取，我們仍然采取BMD的絕對值來作為納入標準。國際上目前主流的生物力學實驗，都認為25%的壓縮性骨折模型較容易進行比較。如果大于這個比例，不僅在實驗當中容易造成較大系統誤差，而且在實驗當中容易造成骨水泥滲漏，從而造成椎體高度恢復情況難以進行標準化比較[8]。故此在該項研究中，我們采取了25%作為骨折模型的壓縮比。也有不少學者關注骨水泥的注射徑路對術后力學特性的影響，目前的主流意見認為單側椎弓根入路與雙側入路并沒有太大的差異[9]。此外，骨水泥的本身的力學性能也起到比較重要的作用，相關的力學和臨床實驗也在進行，目前有很多產品開始商業化。我們所采用的填充材料仍然為傳統的PMMA骨水泥。

從該項研究中不難發現，兩者在體外實驗當中，都較為明顯地恢復了椎體的強度，這個結果可以表明兩種術式的術后病椎再骨折發生率很低。PKP組術后的剛度能恢復到近乎骨折前水平（t=0.64，P＞0.05），而PVP椎體的剛度雖不能恢復到骨折前水平，但大量循證醫學研究發現臨床癥狀得以明顯緩解，且與PKP相比兩者術后的疼痛緩解程度沒有太大的差異[10]。有學者認為椎體高度的丟失與后凸畸形將導致持續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]。而分析數據顯示出了PKP在椎體高度恢復當中具備顯而易見的優勢。

應力-位移曲線是最常用的生物力學指標的描述方法之一。在我們的研究當中，PVP和PKP術前曲線擬合度相當理想，證明標本的原始力學性能較為相似。但是術后的兩者曲線表現出了一些不同尋常的形狀，PVP術后呈現出的是垂尾雙峰線，而PKP組則是翹尾雙峰線。兩者較為類似的主峰位置在前，也就是最高點即椎體強度點在第一次高峰中出現。在這個曲線當中可以看出，PVP的術后強度甚至高于PKP，這一點似乎有些出人意料，我們沒有將兩者的差異進行統計學推斷。在體外實驗條件下，PVP組的骨水泥注射量往往較臨床應用要大，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，構成了“混凝土效應”。但是這樣的操作在實際手術當中由于需要規避手術風險而很難做到。PKP組因球囊擴張的壓力有限（＜220 psi），不能無限制擴張，缺乏充分融合的空間。注入的骨水泥往往聚集在一起，成為孤立的水泥團塊。這樣有助于解釋在PKP組的椎體當中，為何抗壓能力稍遜一籌。兩組術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：在曲線拐點以后，填充材料或多或少已經碎裂。不管是垂尾還是翹尾，此時的椎體已經不是一個整體的概念。因而出現異常曲線形態，一方面可能為系統誤差所致；另一方面，不排除椎體分裂甚至局部分離后的實體所表現出來的力學性質。

總之，這項對于中國老年女性尸體標本所作的體外生物力學研究表明: PKP手術和PVP手術都能有效提高骨質疏松椎體的最大抗壓負荷；PKP手術能顯著恢復椎體丟失高度；在實驗條件下，PKP手術在恢復椎體剛度方面較PVP有一定的優勢。

[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骨擴張器和球囊擴張治療椎體壓縮性骨折的療效對比分析[J]. 溫州醫學院學報, 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類科技計劃項目（2009JYZB）。

蘭樹華（1968-），男，浙江麗水人，副主任醫師。

吳健敏）

·論 著·