經皮椎體成形術骨水泥注射量相關生物力學研究現狀和進展

宋 戈， 吳春根， 程永德， 田慶華， 劉鶴飛

經皮椎體成形術（PVP）是介入放射科廣泛應用的微創治療技術，其原理是在高清晰度影像設備導引下用骨穿針經皮通過椎弓根或椎弓根外側，實時透視下向病變椎體內注入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，骨水泥），以達到提高脊柱穩定性、恢復并增加椎體力學強度和剛度的目的［1］。PVP技術具有費用低、效果優越、并發癥少的特點，被推廣應用于治療椎體壓縮骨折、脊柱轉移瘤、骨髓瘤等疾病［2-3］。臨床經驗認為PVP療效與骨水泥注射量密切相關，骨水泥使用量較少可造成患者疼痛緩解不夠理想，甚者易再發骨折；使用量較多則易出現骨水泥滲漏相關并發癥，導致肺栓塞、截癱等嚴重后果。有關PVP術中骨水泥注射量研究很多。本文從生物力學角度，就PVP術中骨水泥注射量研究現狀及進展作一綜述。

1 椎體相關生物力學因素對骨水泥注射量的影響

根據流體力學相關研究，骨水泥注射壓力、骨內壓力、骨水泥與骨小梁之間黏滯阻力等均可影響骨水泥注入量。

1.1 椎體解剖結構

研究證實，骨水泥在壓力作用下可通過椎體回流靜脈叢、椎體裂隙、骨折裂縫或骨缺損處向椎體周圍彌散，這表明骨水泥推注達到一定劑量后相對較高的壓力，會將骨水泥按上述低壓力方向推行，引起骨水泥滲漏相關并發癥［4］。

1.2 骨密度

骨密度是反映椎體內骨質和量的指標。骨密度越大，骨礦物質含量越高，單位體積內含有的骨小梁數量越多；骨小梁越粗大，骨小梁間隙也越小，這種情況下單位體積內可容納的骨水泥量就越小。因此，骨水泥注射量與骨密度密切相關。張亮等［5］研究發現，相同注射壓力下椎體骨密度與椎體內骨水泥彌散體積密切相關，骨密度較高患者椎體骨水泥彌散體積較大，所需骨水泥注射量較小。

1.3 椎體內壓力

孫曉威［6］經體外實驗表明，骨水泥分布與椎體內壓力相關。PVP術時適度控制椎體內壓力，有利于引導骨水泥在椎體內分布，只要達到理想分布便可減少補充注射量。

2 骨水泥注射量對椎體強度和剛度變化的影響

PVP術中骨水泥可沿骨小梁間隙擴散至整個椎體并固化填充病灶，故可改變椎體生物力學特性。椎體壓縮骨折后生物力學評價指標包括椎體高度、Cobb角、能量吸收、強度、剛度等，其中強度、剛度是最常用指標［7］。強度指椎體在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，即椎體載荷能力，剛度指椎體在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。一般認為恢復強度可阻止壓縮椎體在外力下進一步塌陷，恢復剛度則可使椎體內穩定，防止椎體內骨小梁微動，為骨折愈合提供穩定環境。實施PVP術的目的為最大程度恢復壓縮椎體的抗壓強度和剛度［8］。

2.1 骨水泥適量填充對椎體強度和剛度的影響

很多實驗研究驗證了PVP強化椎體后可提高椎體強度和剛度。Tohmeh等［9］研究證實PVP術后椎體強度明顯高于術前，椎體剛度也得到恢復。Bai等［10］采用骨水泥強化骨質疏松性椎體后椎體抗壓強度明顯提高，剛度也得到增強。趙必增等［11］通過對脊柱功能節段進行加載負荷力學分析證實，椎體強化后強度通常為原強度的2～3倍，剛度恢復至原水平。這些研究均表明，強化后的椎體要使其骨折需要更大的應力。

PVP術中如果使用骨水泥量過大，易引起滲漏，導致并發癥發生［12］。目前國內外部分學者認為，應使用最少量骨水泥達到理想的椎體強度和剛度。然而由于所治療椎體及患者病情各異，具體注射多少劑量骨水泥才算合適，尚無定論。Barr等［13］認為，胸腰段平均注射3～5ml骨水泥即可取得較好的椎體穩定和止痛效果。Belkoff等［14］通過離體實驗證實無論使用何種骨水泥，椎體各節段僅需注入2 ml即可恢復強度；要恢復剛度，則在使用Orthocomp骨水泥時胸段及胸腰段椎體需注入4 ml，腰段椎體需6 ml，使用Simplex 20骨水泥時胸段及腰段椎體需注入 4ml，胸腰段椎體需 8 ml。Liebschner等［15］研究認為，椎體剛度恢復僅需少量骨水泥（約15%體積分數）。 Amar等［16］對 97例患者 258個椎體行 PVP，術后經3年隨訪發現胸腰段平均注入骨水泥2～6 ml能獲得較好療效。Deramond等［17］報道認為常規椎體骨水泥注入量分別為頸椎2～3ml，胸椎4～6ml，腰椎 7～10ml。 Papanastassious 等［18］報道認為骨水泥注射量在頸椎為平均2.5 ml，胸椎為平均5.5 ml，腰椎為平均7.0ml。國內學者也報道僅需注入2 ml骨水泥即可恢復椎體強度，若完全恢復剛度則需8ml［19］。通常認為，骨水泥適量填充不僅能恢復理想的椎體強度及剛度，也可減少相關并發癥發生；過量填充既不安全，也無必要。

2.2 骨水泥過量填充對椎體強度和剛度的影響

與上述報道不同，Graham等［20］研究提出只有注射高劑量骨水泥才能影響椎體強度和剛度，例如注入平均7 ml約24%椎體填充量骨水泥填充與未經處理的椎體對比，強度超過完整椎體，剛度雖有提高，但不能恢復至骨折前水平，說明實驗和臨床上椎體強化后剛度往往小于（至少不遠大于）原椎體剛度，因此不存在應力集中現象，即與強化上下椎體發生應力性骨折無關（詳見后述）；同時指出，椎體剛度和強度提高很大程度上取決于其骨密度，臨床治療中骨質疏松性椎體壓縮骨折患者受益最少，如果注射低劑量骨水泥，再經受同樣載荷，仍可在原椎體處造成骨折。

2.3 骨水泥分布對椎體強度和剛度的影響

有學者研究認為，達到骨水泥滿意分布狀態是提高PVP術療效的關鍵，與具體注射劑量無關［21］。王延濤等［22］報道認為骨水泥過量充填并不能獲得最佳生物力學效果，該效果取決于椎體內小量充填骨水泥及其對稱分布。目前國內較多學者認為，至少在椎體前柱需填充足量甚至過量骨水泥，達到“頂天立地”效果，這樣才能使椎體穩定。

3 骨水泥注射量對相鄰椎體的影響

隨著近年PVP術廣泛開展，術后隨訪中發現很多患者發生相鄰椎體骨折，由此展開相關研究。Kawanishi等［23］在PVP術后隨訪中發現患者椎體相鄰節段再發骨折概率為10%～20%，而其它節段再骨折率僅為6.7%。Voormolen等［24］對66例患者PVP術后隨訪發現，約25%患者在1年內發生新骨折，其中大多發生于3個月內，且半數骨折發生于椎體相鄰節段。有學者構建腰2～3節段骨質疏松性三維有限元模型（正常解剖形態），模擬PVP過程對椎體進行完全強化（骨水泥完全充填松質骨區），結果顯示若腰2節段完全強化，則腰3節段終板應力增加 13%，支持了上述觀點［13］。

部分學者認為，PVP術中骨水泥注入量過多是發生椎體相鄰節段骨折的主要原因。Chen等［25］認為，PVP術中骨水泥注入量過多會導致其滲入相鄰椎間盤，從而增加相鄰椎體應力，產生新骨折。Nieuwenhuijse等［26］研究顯示，骨水泥體積分數達24%或更高時雖能有效緩解疼痛，但會發生骨水泥滲漏，進而導致新發骨折。這一理論被Lin等［27］研究所證實，對38例伴椎體壓縮骨折患者PVP術后隨訪發現，14例新發骨折中10例有骨水泥滲入椎間盤，4例與骨水泥滲出無關。另有部分研究提示，PVP雖能恢復經治椎體的強度和剛度，但過量骨水泥也增加相鄰錐體應力和應變，從而改變相鄰椎體應力分布，易發生骨折。Berlemann等［28］報道對經骨水泥增強的脊柱功能單位進行力學測試，結果發現與未得到增強的相鄰椎體相比，PVP術后增強的相鄰椎體最大承載負荷較低，且骨折大多發生在未增強椎體處；因此認為，PVP術后經治椎體剛度得到增加，使得力學負荷轉移至相鄰椎體，故增加了椎體相鄰骨折發生率。Polikeit等［29］研究證實椎體增強導致相鄰椎體終板應力和應力分布發生變化，有力支持了過量骨水泥增強椎體易發生相鄰椎體骨折的假說。

然而也有部分學者認為，PVP術后患者鄰近節段骨折的發生是疾病自然病程結果，與骨水泥具體用量無關。如前所述，Graham等［20］認為經高劑量骨水泥填充的椎體強度超過完整椎體，而剛度雖有提高，但不能恢復至骨折前水平。從中可看出實驗和臨床上椎體強化后其剛度往往小于原椎體剛度，因此不存在應力集中現象，即與強化椎體上下節段發生應力性骨折無關。征華勇等［30］報道顯示PVP術使鄰近節段椎體剛度降低、應力強度有輕微提高趨勢，但與術前差異無統計學意義，因此考慮PVP術對鄰近椎體影響較小。Jensen等［31］報道分析109例骨質疏松患者107處椎體骨折，結果顯示PVP術后經治椎體相鄰節段骨折發生率與未治療對照組比較，差異無統計學意義，進一步說明椎體剛度和強度提高很大程度上取決于骨密度。這與上述Graham等的觀點一致。史麗娜等［32］選取120例明確診斷為骨質疏松性椎體骨折患者分別采用保守治療和PVP治療，結果發現PVP術與保守治療相比并不增加新發骨折風險，任何椎體節段均可發生骨折；無論骨水泥注射量多少，經治椎體的相鄰節段骨折發生危險并不高于其它節段。

綜上所述，PVP術能有效增加椎體強度和剛度，從而緩解患者局部疼痛，提高生存質量。目前國內外研究明確，椎體相關生物力學因素會對骨水泥注射量產生影響，不同注射量骨水泥也對椎體生物力學產生影響。關于不同劑量骨水泥對椎體強度和剛度的影響、是否增加椎體鄰近節段骨折及其它并發癥發生等仍存在較大爭議，需要進一步研究探索。

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