1、椎体成形术后生物力学变化及对相邻椎体的影响经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty,PVP)与经皮脊柱后凸成形术(percutaneous kyph o2plasty,PKP) 是近年来脊柱外科的一项新型微创技术,该技术经皮向压缩骨折椎体内注入骨水泥等新型填充物,从而增强骨折椎体的稳定性,减轻疼痛。1984 年,法国介入神经放射学家向椎体血管瘤(angioma)病损椎体内注入骨水泥,随访 3 年,结果满意。1 从此 ,PVP 在欧美国家迅速发展,开始了 PV P 治疗病变椎体、椎体转移瘤、骨质疏松症引起的压缩性椎体骨折等。1994 年,美国首次开展 PV P 技术
2、,整体发展很快。2000 美国 johns Hopkins医学中心神经放射医师 Murphy 报告 468 例的椎体成形术病例，其中对骨质疏松症并发压缩性骨折止痛有效率达 94.34%。22003 年法国介入医师 gangi 综合报告 12 年中完成的 868 例椎体成形术后的随访结果：骨质疏松并发压缩骨折的有效率 78%肿瘤 83%血管瘤73%3,东南大学附属中大医院于 1999 年在国内率先开展这一技术，随后 pvp 技术，由于其费用低，效果优越，并发症少，在我国迅速发展，有关 pvp 技术的文章很多，我从生物力学角度对椎体成形术后生物力学变化及对相邻椎体的影响做一阐述。 一 椎体成形术后
3、的生物力学特点1 刚度及强的变化。在椎体成形术后，PMMA骨水泥能填充病灶，沿骨小梁扩散至整个椎体并固化，所以可以改变椎体的生物力学特性。椎体的强度刚度的变化在椎体成形术后，PMMA骨水泥能填充病灶，沿骨小梁扩散至整个椎体并固化，所以可以改变椎体的生物力学特性。椎体的强度刚度的变化椎体成形术的目的之一是恢复椎体强度和刚度。一一般认为恢复强度能阻止压缩性骨折的椎体在外力下进一步塌陷，而刚度的恢复则可使椎体内稳定，防 止椎体内骨小梁微动，为骨折愈合提供稳定的环境。 很多学者都验证了pvp强化椎体能提高椎体的抗压强度和刚度。Tohmeh4 证实椎体成形术后椎体强度明显高于术前，并且能够恢复椎体的刚度
4、。Bai5用骨水泥强化疏松椎体后，椎体的抗压强度明显提高，同时也能够增加刚度。Molloy6等研究骨水泥在椎体内的填充率，发现椎体强度和刚度的恢复不仅与骨水泥的注入量相关，而且与骨水泥的填充率相关。只需14 的骨水泥填充率(约35 ml)，即可恢复L1椎体的刚度Graham等7的研究中发现，只有高剂量的骨水泥的应用，（24%填充，平均7毫升）才可以影响到椎体的刚度和强度，应用高剂量组的和没有处理的对比，刚度有提高，但是不能恢复到骨折以前的水平，强度超过完整的椎体，而刚度和强度的提高很大程度上依赖于骨密度，严重的骨质疏松症的患者受益最少。赵必增等8 通过对脊柱功能节段进行加载负荷,进行力学分析椎
5、体强化后常常是刚度恢复到原来的水平，然而强度却是原来的23倍或更高，说明强化后的椎体，要使其骨折需要作更大的应力。强化椎体极限强度增加意味着下一次即使脊柱承受.23倍原先骨折的暴力也不至于骨折，然而其上下椎体早已骨折，因为脊柱相邻或相近椎体间的力学性质有着极大的相关性.事实上，实验和临床上椎体强化后其刚度往往小于原来椎体的刚度，因此也不存在应力集中现象，或者一定程度上超过原来的刚度。临床上，注入骨水泥量远未达到超过椎体原来刚度的水平，但仍能取得很好的缓解疼痛的目的，因此椎体成形并非一定要恢复或超过原来的刚度。这种椎体成形后的病人，如再经受同样的载荷，仍可在原椎体造成骨折，因此仍须避免再次损伤，
6、等伤椎愈合后其力学性质可进步得到恢复。由于过量的骨水泥易引起渗漏，而导致并发症的发生9所以应该应用最少的骨水泥来达到理想的刚度和强度，在这个问题上有过很多的探索。Belkof等 10通过离体实验表明胸腰椎仅注入2 mL PMMA即可恢复强度；对于Othocomp骨水泥胸及胸腰段椎体需4 mL腰段则需6mL；而对于Simplex 20骨水泥，胸及腰段需4 mL，胸腰段需8mL。Liebschner等11 J研究认为强度恢复仅需少量的骨水泥(15体积分数) 。Barr等12 认为，胸腰段平均注射3-5 ml骨水泥即可取得较好的椎体稳定和止痛效果。Amar13等 对97例患者258个椎体行椎体成形术
7、，术后经3年随访发现，胸腰段平均用骨水泥26 ml能获得较好疗效。Deramond等 14 认为椎体常规的骨水泥注入量为：颈椎23 IIll，胸椎4-6 ml，腰椎710 ml。2 脊柱的稳定性及椎体高度的恢复椎体成形术后，在影像上我们可以很直观的看到椎体形状的变化，由楔形恢复成基本正常的形状。Mermelstein等15利用脊柱阶段建立压缩骨折模型后进行pvp强化，表明术后可以增加脊柱的稳定性，减少应力.赵必增16利用游离椎体进行生物力学分析后认为骨质疏松椎体间隙填塞固化磷酸芥骨水泥（CPC）。松质骨压缩后其载荷一位移曲线具有特征性的“s”形，这是因为松质骨依靠其网状结构维持自身力学强度。当
8、载荷加大到断裂点时，松质骨开始骨折，表现为骨小梁空间结构的塌陷，此时载荷位移曲线处于平台期，随着大量骨小梁间隙的塌陷，松质骨被压“实”，又重新恢复其力学强度，载荷一位移曲线处于上升期。采用这种办法成形后的骨折椎体，塌陷的松质骨和CPC的力学性质均高于正常骨小梁结构的力学性质，因而成形后的椎体力学性质优于骨折前。刚度和强度的提高到正常的椎体水平是最理想的，过强会增加相邻椎体骨折几率，破坏稳定性，椎体的高度恢复和矫正驼背畸形可以减少骨折后遗症，对患者也是一种心理安慰。但是belkoffSM171819通过体外测量术后椎体的高度，结果仅是略有恢复所以Garfin HardouinP2021认为PVP
9、不能恢复椎体的高度，不能改变椎体的后突畸形。可以考虑无临床价值Hiwatashi等22J临床研究中手术前后CT及MRI椎体测量比较，椎体前方高度平均增加25 ITlrn，中央高度增加27 rffn，而后方高度增加14 rffn，P005，统计学上有意义而近些年兴起的PKP技术可以很好的恢复椎体的高度。233 能量的吸收椎体成形术后，还能产生能量增强效应，即提高了椎体的能量吸收能力。Bostrom等24通过研究得出结论，当椎体的压缩大于25%时，被强化的椎体能量的吸收高于对照组。Schildhauer 等25通过试验发现椎体成形术后，可以明显提高能量吸收。二 椎体成形术后对相邻椎体的影响近些年，
10、随着椎体成形术的广泛开展，对术后的患者进行随访，发现很多患者椎体成形术后的发生相邻椎体的骨折，由此展开了椎体成形术后对相邻椎体的影响的研究，Kawanishi等26经过对实施PV的患者随访， ，相邻椎体再骨折的几率是10%-20%，而在其他区域发生的几率是6.7%。Berlemann 等【27】对经骨水泥增强的功能脊柱单位进行了力学测试，发现，椎体成形术后，与增强椎体相邻的椎体的最大承载负荷低于没有增强椎体的相邻节段，且骨折发生部位大多在未增强的椎体处。他们认为，椎体成形术后治疗椎体的刚度增加，使力学负荷转移至相邻椎体，故增加了相邻椎体的骨折发生率。Voormolen 等 28通过对骨质疏松腰
11、椎压缩骨折的患者椎体成型术后1年的随访，通过在术后3个月，6个月和1年查腰椎MRI发现25% 的患者在术后1年，发生新的骨折，大多数的骨折发生于PV术后3个月内，在PV 术后的最初3个月内，多数的骨折发生于相邻椎体， 然而，在3个月以后，远离实施PV的椎体发生骨折。PV术是新发骨折的主要的原因，而年龄、性别、继发于骨质疏松、骨密度压缩的形状、等级、骨水泥的品牌、骨水泥的用量和骨水泥对椎间隙的渗漏都没有影响。Chen, Jung-Kuei MD29认为PVP 术使骨水泥渗入相邻的椎间盘，从而增加了相邻椎体的应力，这样就产生了新的骨折，这一理论被Lin et al30 所证实。他经过随访 pvp术
12、后38名患者，发现有14名患者发生新的骨折，其中有10名新发生骨折的患者伴随着骨水泥渗入 椎间盘，4名患者无骨水泥渗出。 。Pohkeit等31. 研究椎体增强后相邻椎体应变和应力的变化，结果发现，椎体成形术虽然恢复了治疗椎体的强度和刚度，但是增加了相邻椎体的应力和应变，改变了相邻椎体的应力分布，他支持骨水泥增强椎体后易发生相邻椎体骨折的假说赵必增等32通过对脊柱功能节段进行加载负荷,进行力学分析,认为脊柱的骨折(包括爆裂性骨折) 均产生与屈曲压缩状态，以不同的加载速度产生不同的骨折(压缩性骨折或爆裂性骨折)。脊柱功能节段(FSU)在前屈加载下，中间椎体产生悬臂梁效应，因而容易骨折；当中间椎体
13、强化后，FSU再次前屈加载时由于中间椎体刚度增加，在同样大小的载荷下，处于加载侧的上椎体和下椎体容易骨折(上椎体受力面积小于下椎体) 。然而Jensen等33 对109例骨质疏松患者发生的107处椎体骨折进行分析后发现，行椎体成形术后治疗椎体的相邻椎体骨折发生率与对照组比较差异无统计学意义。由于骨质疏松后患者的任何椎体均可发生骨折，所以椎体成形术后治疗椎体的相邻椎体骨折的发生危险并不高于其他节段的椎体。 三 前景与展望PVP术的巨大成功说明了一个简单的道理，在科学技术迅速发展的时代，并非高科技技术才有发展的空间，有时一项简单的技术就能解决非常复杂的问题，正如Murphy先生说的那样，PVP技术
14、是解决椎体病变的一项“优雅”的技术。但是 我们需要解决的问题还是很多的，从受累椎体的诊断，骨水泥的材料，穿刺针的设计，穿刺的定位，术后并发症的预防，减少。都需要我们进一步完美这项技术。近些年PKP技术就是在PVP技术上发展起来的另一项姐妹技术，PKP是在注射骨水泥之前，先用球囊扩张被压缩的椎体使之恢复一定的高度并在椎体内人为造出一空腔，然后将骨水泥填塞到该空腔，这样既可以恢复椎体的高度又可以减少骨水泥的渗漏。但是Nussbaum和Murphy34收集病例进行对比，得出 PVP更安全的结论。PVP技术还处在很年轻的阶段，目前有很多的骨科手术技术复杂，损伤大，随着骨水泥材料学的进步，PVP技术的进
15、步，有很多的手术我们可以考虑用pvp取代，这需要我们共同努力，不懈探索。参考文献：1Galivert P,Deramond H,Rsat p,et al,Preliminary note on the treatment of vertebral angiom by percutaneous acrylic vertebroplasty.neurochirurgie 1987,33:166-1682Murphy KJ,dermond H,et al.percutaneous vertebroplasty in benign and maligment disease(review),neuro
16、-imagine Clin Nam,2000,10:535-5453Gangi lasty:indications,technique,and A,Guth S,imbert JP,Marin H,Dietemann JL percutaneous vertebroresults Radiographics.2003,23:e10 4Tohmeh AG,Mathis JM,fenton DC,etal biochemical efficansy of unipedicular versus bipedicular vertebroplasty for the management of ost
17、eoporotic compression fracture.spine,1999,24;1772-17765Bai BQ,Jazrawi LM,Kumer FJ,et al.The use of an injectable ,biodegradable calcium phosphate bone substitute for the prophylactic augumentation of the osteoporoticvertebrae and the management of vertebral compression fractures.spine,1999,24;1521-1
18、5266 Molloy S，Mathis JM，Belkef SM，the efect of vertebral body percentage fill on mechanical behavior during percutaneous vertebroplastySpine 7 Graham, Chul Ahn, Nabila Hai, and Barbara D. Buch spine C) 2007 Lippincott Williams 667-67116赵必增 椎体成形术的生物力学研究中华创伤杂志2OO3年4月第l9卷第4期Chin J Trauma，April 2003，V01
19、19 ，No17Belkoff SM,mathis JM ,jasper LE,et al.an ax vivo biomechanical evaluation of a hydroxyapatite cement for use with vertebroplasty.spine,2001,26:1542-1546 18 Belkoff SM,mathis JM ,Fenton DC,et al.an ex -vivo biomechanical evaluation of an inflatable bone tamp used in the treat5ment of compress
20、ion fracture.spine,2001,26:151-15619 Belkoff SM,mathis JM ,Fenton DC,et al.an ex -vivo biomechanical evaluation of Hydroxyapatite cement for use with kyphoplasty.AJNR ,2001,22:1212-121620 Garfin SR,yuan,HA, Reiley ma.New technology in spine ,kyphoplasty and vertebroplasty for the treatment of painfu
21、l osterportic compression fracture.spine ,2001,26:1511-151521Hardouin P,Fayada P,Leclet H,et al. kyphoplasty .Joint Bone Spine,2002,69;1-522 Hiwatashi A，Moritan i T，Numaguchi Y，et a1Increase in vertebralbody height Mter vertebroplastyAJNR am Neuroradiol，2003，24(2)：18507, pp E358-E36223 Lieberman I.H
22、.,Dudeney S,Reinhardt M.k.et al.inicial outcome and efficicacy of “kyphoplasty”in the the treatment of painful osterportic vertebral compression fracture.spine,2001,26:1631-168324Bostrom MF,Lane JM future directions.augmentation of osteoporotic vertebral bodies.spine,199722:38s-42s25 Schildhauer TA,
23、Bennett AP,Wright TM,et al .intravertebral body reconstruction with an injectable in situ-setting carbonate apatite:biomechancial evaluation of a minimally invasive technique.J Qrthop Res,1999,17:67-7226 Kawanishi Percutaneous Vertebroplasty for Vertebral Compression Fracture: Indication,Technique,
24、and Review of the Literature Neurosurgery Quarterly (C) 2005 Lippincott Williams 25:175-80. 31Polikeit A，Nohe LP，Ferguson SJTh e efect of cement augm entation on the load transfer in an osteope mtic functional spinal unit：finite element an alysisSpine，2003，28：991996 32赵必增 椎体成形术后邻近椎间盘、椎体的力学性质变化 医用生物力
25、学2002年l2 月 第l7卷第4 期 Journal 0f Medical Biomechanics V0117，No 4，Dec 200233 Jensen ME，Dion JEPercutaneous vertebroplasty in the treatment of osteopemtic compression fracturesNeumimaging Clin N Am，2000，10：547-568 34 Nussbaum DA ,Gillound P,Murphy K.Areview of complications associated with vertebroplasty and kyphoplasty as reported to the Food and Drug Administration medical device related web cite.JVIR 2004,15:1185-11923
