经皮椎体成形术与后凸成形术在老年女性骨质疏松性骨折中的生物力学研究

兰树华，朱俊锟，黄淑明，吴泉州，叶方，吕国强

（丽水市中心医院 骨科，浙江 丽水 323000）

经皮椎体成形术与后凸成形术在老年女性骨质疏松性骨折中的生物力学研究

兰树华，朱俊锟，黄淑明，吴泉州，叶方，吕国强

（丽水市中心医院 骨科，浙江 丽水 323000）

目的：探讨经皮椎体成形术（PVP）和椎体后凸成形术（PKP）治疗单节段胸腰椎骨质疏松性骨折的生物力学性质。方法：从6例骨质疏松中老年女性的尸体中选取12个胸腰椎体，进行压缩性骨折造模，并随机分配为PVP组和PKP组。其中PVP组直接将骨水泥（PMMA）注入受试标本；PKP组使用球囊扩

张专用器械对标本进行扩张，后注入骨水泥，对扩张后空腔进行充填。对两组标本进行几何测量与生物力学测试，并获取相关参数。结果：两组椎体的生物力学测试都显示出术后的椎体强度显著高于术前（P＜0.01）；但PKP组的术后椎体刚度能恢复至术前骨折前水平，而PVP组的术后椎体刚度无法恢复，PKP与PVP手术在恢复椎体高度方面有明显差异。结论：在体外条件下，PKP较PVP在恢复椎体高度与刚度方面有着明显的优势，但在恢复椎体强度方面PVP占优。

骨质疏松；压缩性骨折；椎体后凸成形术；经皮椎体成形术

经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）和后凸成形术（percutaneous kyphoplasty，PKP）是临床治疗中老年胸腰椎压缩性骨折的重要方法之一。因其具有创伤小、操作简便、可早期功能锻炼等优点目前已被广泛应用于临床并逐渐代替传统的手术方式。以往对于该两种术式的生物力学研究较多，但存在一定的争议。为此，本实验通过比较PVP和PKP治疗单节段胸腰椎骨质疏松性骨折的生物力学研究，以便为临床治疗老年女性骨质疏松性骨折提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 标本与材料 选取6具汉族老年女性（年龄55～89岁，平均71.6岁）意外死亡新鲜尸体胸腰段脊柱作为实验标本来源，标本由丽水学院医学院解剖教研室提供。详细了解受试对象生前的病史，并摄胸腰段X线片，以排除其他脊柱疾患（结核病灶、原发或继发性肿瘤等等）。用美国GE公司生产的Prodigy双能X线吸收骨密度仪测试每具标本T12～L1椎体的骨密度绝对值（BMD）均小于1000 g/cm2。

使用国产椎体成形术专用器械（山东冠龙公司LG08202）；选用国产PMMA骨水泥（天津市合成材料工业研究所），按粉（g）/液（mL）比例2:1，调配骨水泥；碘普罗胺造影剂[优维显300，先灵（广州）药业有限公司]；术中使用荷兰飞利浦公司的DSA行影像监测。

1.2 标本处理 每具标本取T12、L1共12个椎体，分离解剖韧带、肌肉附着点和椎间盘等软组织，制成12个椎体受试标本[1]。然后用0.9%氯化钠溶液纱布包裹椎体，编号后封存在-20°C的医用冰箱中[2]。于实验前1 d，将T12与L1分为两组分别编号，通过计算机摇号方式随机分配到PVP组和PKP组。

1.3 实验方法

1.3.1 压缩椎体模型的制备：采用60°间隔，使用游标卡尺测量各椎体6个边缘高度，求得每一椎体初始高度平均值。用环氧树脂包埋椎体上下终板，使得其边界处于互相平行的平面状态，包埋厚度约3 mm[3]。将各椎体标本放置在测试平台（岛津SHIMADZU AG-A20000万能材料试验机）上，测试平台中心与椎体中心轴线相一致。采用位移控制方式轴向加载，使用89 N的负荷预载2 min，再以速度5 mm/min，压缩椎体高度的25%停止，形成压缩性骨折模型，记录最大负荷及位移数据[4]。同时绘出应力-位移曲线，以曲线最高拐点处的应力负荷作为强度值，以500 N到椎体强度值1/2之间的负荷-位移曲线斜率为压缩刚度。使用上述方法，再次测量各椎体压缩后的高度平均值，作为术前椎体高度[5]（见图1-2）。

图1 椎体高度测量

图2 椎体标本在力学测试平台测试

1.3.2 PVP术：在影像监视下，采用国产PVP专用器械对已成功造模后的椎体进行手术操作，受试椎体均采用单侧椎弓根入路穿刺。在PVP组的操作中，透视下将螺旋推进器沿椎弓根刺入椎体，确认其尖部位于椎体中心[6]。选用可在X线透视下显影的国产PMMA骨水泥，按粉（g）/液（mL）比例2:1，调配骨水泥，并将骨水泥移入专用注射装置，在透视下缓慢注入椎体，实时监控骨水泥在椎体内的分布情况并防止骨水泥注入过多或漏到椎体外，当骨水泥出现渗漏或接近椎体后壁时，停止注入（见图3）。

1.3.3 PKP术：在PVP组操作完成后，开始PKP组的手术。将球囊经套管置入骨折椎体，螺旋推进器的进针角度在矢状平面上略呈5°～10°的逆时针倾斜，在透视下尽可能使球囊中心位于椎体的几何中心，确认理想位置以后，连接加压注射装置，注入碘普罗胺造影剂扩张球囊。当椎体压缩性骨折复位后，停止扩张。在术中严密监视球囊压力，并缓慢扩张，在扩张过程中始终保持压力在220 psi（1 psi=6.89 kPa）以下，以防止球囊的破裂[7]。记录球囊扩张后的容积，随后抽出造影剂，将球囊退出套管。将调配好的骨水泥按照相应的球囊容积经工作套管推入椎体内空腔。观察骨水泥外渗漏情况，在注入骨水泥的过程中注意观察骨水泥的黏稠度，骨水泥太稀容易增加渗漏的风险，过于黏稠，会导致注入困难，当骨水泥出现渗漏或接近椎体后壁时，停止注入（见图 4）。

图3 PVP术后椎体标本侧位X线透视片

图4 PKP术后椎体标本侧位X线透视片

1.3.4 力学测试：各组受试椎体术后在20 ℃下封存24 h后启封，并按照术前方法再次测量各椎体，得出术后椎体高度平均值。再次使用测试平台对术后的椎体进行压缩和力学测试，并进行相关数据的记录和统计。

1.4 统计学处理方法 使用SPSS 15.0统计软件进行统计分析。采用配对t检验来分析术前术后的椎体高度恢复的差异，采用一维方差分析（ANOVA）对两组内及两组间的相关函数分布进行统计处理，其中评价的处理因素包括手术和术式，即对同一椎体标本术前术后以及不同术式处理后的力学特性变化进行分析。

2 结果

PVP组：T12椎体注射骨水泥的量为2.4、3.8、5.5 mL，L1椎体为2.7、4.2、6.5 mL，平均为（4.18±1.59）mL；PKP组：T12椎体注射骨水泥的量为2.5、5.2、7.3 mL，L1椎体为 2.9、5.8、7.1 mL，平均（5.33±2.05）mL。两组操作中骨水泥注入量比较差异有统计学意义（t=3.14，P＜0.05）。术中发现PVP组有2个椎体骨水泥向椎体侧方渗漏，1例向椎管内渗漏，PKP组有1例出现骨水泥向椎体前缘渗漏，未发现有向椎管渗漏。

PKP和PVP两组的术后椎体强度都较术前有明显的提高（t值分别为7.63和5.66，P＜0.01），PVP组的术后椎体刚度较术前有所提高（t=2.67，P＜0.05），但是PKP组的术前术后刚度没有变化（t=0.64，P＞0.05）。PKP组的术后椎体高度的恢复[（7.89±1.77）mm]，相较于PVP组[（2.32±1.04）mm]有明显的优越性（t=9.94，P＜0.01）。受试椎体两组的主要力学数据如表1所示。两组对象术前术后的应力-位移曲线如图5所示，其中应力函数值为每组椎体的测量均数。

表1 两组椎体在实验过程中的主要生物力学指标

图5 两组受试椎体在术前术后的负荷位移曲线

3 讨论

尽管临床上广泛使用T值来对骨质疏松进行诊断分级，但对于标本的选取，我们仍然采取BMD的绝对值来作为纳入标准。国际上目前主流的生物力学实验，都认为25%的压缩性骨折模型较容易进行比较。如果大于这个比例，不仅在实验当中容易造成较大系统误差，而且在实验当中容易造成骨水泥渗漏，从而造成椎体高度恢复情况难以进行标准化比较[8]。故此在该项研究中，我们采取了25%作为骨折模型的压缩比。也有不少学者关注骨水泥的注射径路对术后力学特性的影响，目前的主流意见认为单侧椎弓根入路与双侧入路并没有太大的差异[9]。此外，骨水泥的本身的力学性能也起到比较重要的作用，相关的力学和临床实验也在进行，目前有很多产品开始商业化。我们所采用的填充材料仍然为传统的PMMA骨水泥。

从该项研究中不难发现，两者在体外实验当中，都较为明显地恢复了椎体的强度，这个结果可以表明两种术式的术后病椎再骨折发生率很低。PKP组术后的刚度能恢复到近乎骨折前水平（t=0.64，P＞0.05），而PVP椎体的刚度虽不能恢复到骨折前水平，但大量循证医学研究发现临床症状得以明显缓解，且与PKP相比两者术后的疼痛缓解程度没有太大的差异[10]。有学者认为椎体高度的丢失与后凸畸形将导致持续的胸腰部疼痛和脊柱功能障碍，患者易摔跤形成新的骨折[11]。而分析数据显示出了PKP在椎体高度恢复当中具备显而易见的优势。

应力-位移曲线是最常用的生物力学指标的描述方法之一。在我们的研究当中，PVP和PKP术前曲线拟合度相当理想，证明标本的原始力学性能较为相似。但是术后的两者曲线表现出了一些不同寻常的形状，PVP术后呈现出的是垂尾双峰线，而PKP组则是翘尾双峰线。两者较为类似的主峰位置在前，也就是最高点即椎体强度点在第一次高峰中出现。在这个曲线当中可以看出，PVP的术后强度甚至高于PKP，这一点似乎有些出人意料，我们没有将两者的差异进行统计学推断。在体外实验条件下，PVP组的骨水泥注射量往往较临床应用要大，骨水泥浸润得比较充分，往往是加注到溢出为止。因此，骨水泥与残存的骨小梁能够较均匀地融为一体，构成了“混凝土效应”。但是这样的操作在实际手术当中由于需要规避手术风险而很难做到。PKP组因球囊扩张的压力有限（＜220 psi），不能无限制扩张，缺乏充分融合的空间。注入的骨水泥往往聚集在一起，成为孤立的水泥团块。这样有助于解释在PKP组的椎体当中，为何抗压能力稍逊一筹。两组术后的双峰曲线因缺乏有效的模型目前还无法完全阐明，但可以肯定的是：在曲线拐点以后，填充材料或多或少已经碎裂。不管是垂尾还是翘尾，此时的椎体已经不是一个整体的概念。因而出现异常曲线形态，一方面可能为系统误差所致；另一方面，不排除椎体分裂甚至局部分离后的实体所表现出来的力学性质。

总之，这项对于中国老年女性尸体标本所作的体外生物力学研究表明: PKP手术和PVP手术都能有效提高骨质疏松椎体的最大抗压负荷；PKP手术能显著恢复椎体丢失高度；在实验条件下，PKP手术在恢复椎体刚度方面较PVP有一定的优势。

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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

丽水市A类科技计划项目（2009JYZB）。

兰树华（1968-），男，浙江丽水人，副主任医师。

吴健敏）

·论 著·