經皮椎體成形骨水泥注入對腰椎生物力學的影響*

譚　斌， 周道政

(開縣人民醫院 骨科， 重慶 開縣　405400)

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經皮椎體成形骨水泥注入對腰椎生物力學的影響*

譚斌， 周道政

(開縣人民醫院 骨科， 重慶 開縣405400)

[摘要]目的： 觀察經皮椎體后凸成形骨水泥注入對骨質疏松兔模型鄰近腰椎生物力學功能的影響。方法: 切除36只雌性新西蘭大白兔雙側卵巢，建立L3骨質疏松骨折動物模型，造模成功后隨機均分為試驗組和對照組2組，試驗組行經皮椎體后凸成形術(PKP)，對照組行開放復位內固定手術，術后5、10、15個月檢測骨密度值、椎體彎曲和壓縮實驗最大載荷量、椎體術后平均高度以及矢狀面Cobb角。結果: 試驗組術后5、10及15個月的骨密度分別為(0.073 2±0.008 1)、(0.070 8±0.008 0)及(0.067 5±0.006 3)g/cm2，均顯著高于對照組,差異有統計學意義(P<0.05);試驗組15個月后手術椎體前緣和后緣平均高度分別由術前(38.34±4.23)%和(49.85±4.43)%恢復至(81.53±8.32)%和(60.16±6.28)%,矢狀面Cobb角由術前(30.16±4.15)°恢復至(8.53±2.26)°;試驗組不同時間點的骨密度值、椎體彎曲和壓縮實驗最大載荷量、椎體前緣與后緣高度均高于術前，矢狀面Cobb角低于術前,差異具有統計學意義(P<0.05)；對照組不同時間點的骨密度值、椎體彎曲和壓縮實驗最大載荷量高于術前(P<0.05)，椎體前緣與后緣高度、矢狀面Cobb角與術前比較，差異無統計學意義(P>0.05);試驗組術后不同時間點的骨密度值、椎體彎曲和壓縮實驗最大載荷量、椎體前緣與后緣高度均高于對照組，矢狀面Cobb角低于對照組,差異有統計學意義(P<0.05)。結論: PKP可改善骨質疏松骨折鄰近椎體的骨密度、承載能力、及椎體后凸角度。

[關鍵詞]兔； 脊柱骨折； 生物力學； 經皮椎體后凸成形術； 開放復位內固定術； 生物力學

經皮椎體后凸成形術(percutaneous kyphoplasty，PKP)屬于脊柱微創領域的新技術，創傷小，安全且不良反應少，常用于治療骨質疏松引起的椎體骨折，術后鄰近椎體繼發性骨折為這種手術方式最常見的并發癥，原因是骨水泥強化還是骨質疏松發展，尚存有爭議[1-2]。目前絕大部分研究以尸體標本作為研究對象，與活體組織的生物力學存在一定差異，且標本為游離的單個椎體，對研究鄰近椎體及椎間盤生物力學影響具有一定的局限性。本研究以新西蘭大白兔建立骨質疏松模型，探討PKP對骨質疏松動物模型鄰近腰椎生物力學功能的改善情況。

1材料和方法

1.1材料

艾克瑞AKDX-09W雙能量X射線骨密度儀(深圳市艾克瑞電氣有限公司)，PLX112CC型臂X線機(南京普朗醫療器械)，DCP-KY3000型電腦測控壓縮試驗儀(四川長江造紙儀器有限責任公司)， Instron3300三點彎曲試驗機(美國英斯特朗公司)，Sensation CT掃描儀(德國西門子公司)。實驗動物購自重慶醫科大學醫學實驗動物中心清潔級健康雌性新西蘭大白兔40只，3月齡，體質量2.5～3.0 kg。

1.2實驗方法

1.2.1骨質疏松模型的建立所有實驗雌性大白兔在全麻狀態下切除雙側卵巢，卵巢切除后3個月檢測實驗動物的骨密度值，采用雙能X線吸收測定法檢測L1-L4的骨密度值(g/cm2)。建模成功的標準為骨密度值≤正常大白兔骨密度值2.5個標準差，椎體內松質骨骨小梁數量減少且變細，間距增寬，髓腔變大；人為手術造成L3椎體壓縮性骨折。

1.2.2動物分組與手術方法骨質疏松造模成功36只，按隨機數字表法均分為試驗組和對照組，各組18只，試驗組行經皮椎體后凸成形術(PKP)，對照組行開放復位內固定手術。開放復位內固定術手術：大白兔全麻，側臥位，經C臂X線機定位L3椎體后，以椎體為中心做后正中縱行切口，顯露L3椎體和上下椎體的棘突、椎板關節突、橫突；椎弓根入點按照Weinstein解剖定位法定位，位置正確后植入椎弓根螺釘(頸椎椎弓根螺釘，購自威海威高醫療系統有限公司)；X線確定螺釘位置，如正確安裝正反螺紋套筒，旋緊自鎖螺帽，調節螺紋角度螺栓后鏈接橫連桿；傷口處置負壓引流管，傷口縫合，術后臀部肌注抗生素抗炎3 d。PKP手術: 大白兔全麻，側臥位，經C型臂X線機定位L3椎體后，用一次性注射器8號針頭經皮刺入大白兔L3腰椎骨皮質內，在C型臂X線機監視下用13G經皮椎體成形術穿刺針經椎弓根穿刺至椎體后緣皮質前2～3 mm處停止，取出針芯，將椎體鉆鉆入椎體至所需深度，將球囊順工作套管送入相應椎體通道中；X線監視下注入對比劑擴張球囊，逐漸增加壓力至球囊擴張滿意，一般不超過350 Pa；當球囊已擴張至到達椎體終板及四周皮質或椎體達到預計復位效果時，立即停止增加壓力，兩側球囊均擴張滿意后，取出球囊；采用天津市合成材料工業研究所生產的丙烯酸樹脂骨水泥，從雙側套管將骨水泥注入椎體內，單個椎體骨水泥注入量約2mL，術后臀部肌注抗生素抗炎3 d。

1.3觀察指標

(1)骨密度值；(2)生物力學功能指標：對動物模型與術前和術后5、10、15個月分別進行三點彎曲實驗，以2 mm/min速率向椎體中點施壓，求最大彎曲載荷；同時對L3椎體進行壓縮實驗，以2 mm/min的速率加壓，求最大壓縮載荷；(3)椎體前緣、后緣高度；(4)矢狀面Cobb角度。

1.4統計學分析

2結果

2.1骨密度

與術前比較，試驗組和對照組大白兔術后5、10、15個月的骨密度值均顯著增大，差異有統計學意義(P<0.05)，兩組動物術后5、10、15個月的骨密度值隨著時間的延長逐漸減??；試驗組術后5個月、10個月及15個月的骨密度均顯著高于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。見表1。

表1　兩組動物手術前后骨密度

(1)與同組手術前比較，P<0.05；(2)與對照組手術后相應組別比較，P<0.05

2.2生物力學功能

與術前比較，試驗組和對照組動物術后5、10、15個月的腰椎最大載荷均顯著增大，差異具有統計學意義(P<0.05)；兩組腰椎承載壓力能力隨著時間的延長逐漸下降，與對照組術后5、10、15個月的腰椎承載壓力能力比較，試驗組動物相應組別的腰椎承載壓力能力均顯著增強，差異比較均有統計學意義(P<0.05)，見表2。

表2　兩組動物手術前后椎體彎曲和壓縮實驗最大載荷的比較±s,n=18)

(1)與同組手術前比較，P<0.05；(2)與對照組相應時段比較，P<0.05

2.3椎骨高度和Cobb角比較

與術前比較，試驗組動物術后5、10、15個月的椎體前緣、后緣高度值均顯著增大，Cobb角度顯著減小，差異有統計學意義(P<0.05)，但對照組各指標變化均無統計學意義(P>0.05)；與對照組術后5、10、15個月比較，試驗組動物相應組別的椎體前緣、后緣高度顯著增加，Cobb角顯著變小，差異具有統計學意義(P<0.05)。見表3。

表3　兩組動物手術前后椎體高度和Cobb角度的比較±s,n=18)

(1)與同組手術前比較，P<0.05；(2)與對照組相應時段比較，P<0.05

3討論

骨質疏松癥的多發人群為老年人和絕經后婦女，很容易發生骨折，骨質疏松性椎體壓縮骨折是老年患者常見并發癥，目前對其發病機制及愈合方式尚缺乏深入詳細了解，臨床防治不理想，且骨折再次發生率高[3]。

最大載荷是椎體生物力學功能的重要考察指標，當椎體負荷超過其最大承受力時，將發生椎體塌陷和壓縮性骨折[4]。研究表明，骨密度值與椎體最大載荷呈正相關[5]；這與本研究結果一致，術后骨密度與椎體承載壓力能力均得到改善并呈相同的變化趨勢。PKP使松質骨向四周擠壓至密實，形成兩個四周骨壁相對完整的空腔，在空腔內注入骨水泥，凝固形成以空腔為模具的骨水泥鑄件，支撐已被擠壓密實的松質骨，使傷椎能夠有效承受脊柱的軸向載荷[6]。以往對尸體胸腰段骨質疏松單椎體標本分別行球囊擴張椎體后凸成形術和椎體成形術，結果顯示兩種手術方式都明顯增加骨質疏松性椎體壓縮骨折椎體的抗壓強度和恢復剛度，改善其生物力學功能[7]。經皮球囊擴張后凸成形術與JACK椎體擴張器后凸成形術均可有效改善骨質疏松性椎體壓縮骨折椎體的最大載荷、抗壓強度及剛度，從而提高抗壓破壞能力，強化骨折椎體[4]。以豬椎體標本比較單側與雙側入路椎體后凸成形術對骨質疏松性椎體壓縮骨折椎體力學性能的影響，結果顯示雙側入路可注入較多的骨水泥，且分布更均勻，椎體最大載荷與剛度恢復更佳，并可預防已修復的椎體再次發生骨折[8]。周鵬等[9]對28例骨質疏松椎體壓縮骨折患者采用骨水泥經皮椎體成形術進行治療，全部完成手術，術后患者腰背部疼痛明顯好轉，椎體前緣高度無明顯繼續壓縮，椎體后凸角度無明顯增大。有關椎體成形術和椎體后凸成形術對鄰近椎體椎間盤的生物力學影響的研究，結果表明椎體楔形骨折使重力彎矩和豎脊肌力增大，造成椎體和椎間盤承載明顯增加，骨水泥強化的影響相對較小，椎體后凸成形術糾正后凸畸形，降低了脊柱負載[10]，本研究結果也表明PKP可有效改善鄰近椎體后凸角度和恢復骨折椎體高度。

楊豐建等[10]將16個胸椎脊柱功能單位制成壓縮骨折模型，對骨折椎體行椎體后凸成形術，分別用磷酸鈣骨水泥和聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥灌注，術后脊柱功能單位強度顯著增強，剛度及椎間盤位移比均明顯減小，表明椎體后凸成形術增強了脊柱功能單位的生物力學性能；但該方法可促使鄰近節段退變，改變灌注劑材料特性可以改善對鄰近節段的影響[2,11]。本研究對骨質疏松兔活體模型分別行PKP和開放復位內固定術，觀察其對鄰近椎體生物力學功能的影響，結果表明，與術前比較，兩組動物椎體承載壓力能力得到顯著提升，PKP術后椎體承載壓力能力明顯高于開放復位內固定術組，但術后5、10、15個月兩組模型承載壓力能力逐漸下降；術后觀察15個月，行開放復位內固定術的動物椎體術后，平均高度和矢狀面Cobb角均無明顯變化，PKP組模型動物15個月后手術椎體前緣、后緣平均高度及矢狀面Cobb角均顯著改善；PKP術組動物椎體術后高度測量值和Cobb角的變化與開放復位內固定術組比較，差異顯著，兩組實驗動物手術后均成活，沒有發生感染等嚴重不良反應?？梢?，PKP較開放復位內固定手術可更好地改善鄰近椎體后凸角度，更顯著地改善椎體承載壓力的能力，治療骨質疏松安全有效。

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(2016-01-02收稿，2016-04-28修回)

中文編輯： 文箐潁； 英文編輯： 劉華

Effect of Percutaneous Kyphoplasty on BiomechanicalFunction of Adjacent Lumbar Vertebrae

TAN Bin, ZHOU Daozheng

(DepartmentofOrthopedicSurgery,People'sHospitalofKaiCounty,KaiCounty405400,Chongqing,China)

[Abstract]Objective: To observe the effect of percutaneous kyphoplasty (PKP) on biomechanical function of adjacent lumbar vertebrae in rabbit osteoporosis model. Methods: 36 female New Zealand white rabbits were ovariectomized to establish L3 animal model of osteoporotic fracture and randomly divided into control group (treated with open reduction and internal fixation operation) and experimental group (treated with PKP operation). 5, 10, 15 months after operation, the bone mineral density, maximum load of vertebra bending and compression, average vertebra height and the sagittal Cobb angle of vertebra were detected and compared between two groups. Results: The bone mineral density of experimental group 5 months, 10 months and 15 months after operation were (0.073 2±0.008 1)g/cm2,(0.070 8±0.008 0)g/cm2 and (0.067 5±0.006 3)g/cm2, all of which were significantly higher than those of control group (P<0.05). In experimental group, 15 months after surgery, the average height of anterior and posterior margin of vertebral body return from preoperative (38.34±4.23)% and (49.85±4.43)% to postoperative (81.53±8.32)% and (60.16±6.28)%. The sagittal Cobb angle of vertebra returned from preoperative (30.16±4.15)° to postoperative (8.53±2.26)°. In experimental group, the bone mineral density, maximum load of vertebra bending and compression and the average height of anterior and posterior margin of vertebral body at different time points after surgery were significantly higher than their counterparts before surgery while the sagittal Cobb angle of vertebra after surgery was lower than that before surgery(P<0.05). In control group, the bone mineral density, maximum load of vertebra bending and compression at different time points after surgery were significantly higher than their counterparts before surgery(P<0.05), but there were no statistical differences in the average height of anterior and posterior margin of vertebral body and the sagittal Cobb angle of vertebra between before surgery and after surgery (P>0.05). Compared with control group , the bone mineral density, maximum load of vertebra bending and compression and the average height of anterior and posterior margin of vertebral body in experimental group were significantly higher while the sagittal Cobb angle was significantly lower(P<0.05). Conclusion: Percutaneous kyphoplasty can improve bone mineral density, load capability and kyphosis angle of adjacent lumbar vertebrae in osteoporotic fracture.

[Key words]rabbits; spinal fractures; biomechanics; percutaneous kyphoplasty; open reduction and internal fixation; biodynamics

[中圖分類號]R683.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-2707(2016)05-0610-05

DOI:10.19367/j.cnki.1000-2707.2016.05.031

網絡出版時間：2016-05-13網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.5012.R.20160513.2120.044.html