经皮椎体成形术骨水泥注射量相关生物力学研究现状和进展

宋 戈， 吴春根， 程永德， 田庆华， 刘鹤飞

经皮椎体成形术（PVP）是介入放射科广泛应用的微创治疗技术，其原理是在高清晰度影像设备导引下用骨穿针经皮通过椎弓根或椎弓根外侧，实时透视下向病变椎体内注入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，骨水泥），以达到提高脊柱稳定性、恢复并增加椎体力学强度和刚度的目的［1］。PVP技术具有费用低、效果优越、并发症少的特点，被推广应用于治疗椎体压缩骨折、脊柱转移瘤、骨髓瘤等疾病［2-3］。临床经验认为PVP疗效与骨水泥注射量密切相关，骨水泥使用量较少可造成患者疼痛缓解不够理想，甚者易再发骨折；使用量较多则易出现骨水泥渗漏相关并发症，导致肺栓塞、截瘫等严重后果。有关PVP术中骨水泥注射量研究很多。本文从生物力学角度，就PVP术中骨水泥注射量研究现状及进展作一综述。

1 椎体相关生物力学因素对骨水泥注射量的影响

根据流体力学相关研究，骨水泥注射压力、骨内压力、骨水泥与骨小梁之间黏滞阻力等均可影响骨水泥注入量。

1.1 椎体解剖结构

研究证实，骨水泥在压力作用下可通过椎体回流静脉丛、椎体裂隙、骨折裂缝或骨缺损处向椎体周围弥散，这表明骨水泥推注达到一定剂量后相对较高的压力，会将骨水泥按上述低压力方向推行，引起骨水泥渗漏相关并发症［4］。

1.2 骨密度

骨密度是反映椎体内骨质和量的指标。骨密度越大，骨矿物质含量越高，单位体积内含有的骨小梁数量越多；骨小梁越粗大，骨小梁间隙也越小，这种情况下单位体积内可容纳的骨水泥量就越小。因此，骨水泥注射量与骨密度密切相关。张亮等［5］研究发现，相同注射压力下椎体骨密度与椎体内骨水泥弥散体积密切相关，骨密度较高患者椎体骨水泥弥散体积较大，所需骨水泥注射量较小。

1.3 椎体内压力

孙晓威［6］经体外实验表明，骨水泥分布与椎体内压力相关。PVP术时适度控制椎体内压力，有利于引导骨水泥在椎体内分布，只要达到理想分布便可减少补充注射量。

2 骨水泥注射量对椎体强度和刚度变化的影响

PVP术中骨水泥可沿骨小梁间隙扩散至整个椎体并固化填充病灶，故可改变椎体生物力学特性。椎体压缩骨折后生物力学评价指标包括椎体高度、Cobb角、能量吸收、强度、刚度等，其中强度、刚度是最常用指标［7］。强度指椎体在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，即椎体载荷能力，刚度指椎体在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。一般认为恢复强度可阻止压缩椎体在外力下进一步塌陷，恢复刚度则可使椎体内稳定，防止椎体内骨小梁微动，为骨折愈合提供稳定环境。实施PVP术的目的为最大程度恢复压缩椎体的抗压强度和刚度［8］。

2.1 骨水泥适量填充对椎体强度和刚度的影响

很多实验研究验证了PVP强化椎体后可提高椎体强度和刚度。Tohmeh等［9］研究证实PVP术后椎体强度明显高于术前，椎体刚度也得到恢复。Bai等［10］采用骨水泥强化骨质疏松性椎体后椎体抗压强度明显提高，刚度也得到增强。赵必增等［11］通过对脊柱功能节段进行加载负荷力学分析证实，椎体强化后强度通常为原强度的2～3倍，刚度恢复至原水平。这些研究均表明，强化后的椎体要使其骨折需要更大的应力。

PVP术中如果使用骨水泥量过大，易引起渗漏，导致并发症发生［12］。目前国内外部分学者认为，应使用最少量骨水泥达到理想的椎体强度和刚度。然而由于所治疗椎体及患者病情各异，具体注射多少剂量骨水泥才算合适，尚无定论。Barr等［13］认为，胸腰段平均注射3～5ml骨水泥即可取得较好的椎体稳定和止痛效果。Belkoff等［14］通过离体实验证实无论使用何种骨水泥，椎体各节段仅需注入2 ml即可恢复强度；要恢复刚度，则在使用Orthocomp骨水泥时胸段及胸腰段椎体需注入4 ml，腰段椎体需6 ml，使用Simplex 20骨水泥时胸段及腰段椎体需注入 4ml，胸腰段椎体需 8 ml。Liebschner等［15］研究认为，椎体刚度恢复仅需少量骨水泥（约15%体积分数）。 Amar等［16］对 97例患者 258个椎体行 PVP，术后经3年随访发现胸腰段平均注入骨水泥2～6 ml能获得较好疗效。Deramond等［17］报道认为常规椎体骨水泥注入量分别为颈椎2～3ml，胸椎4～6ml，腰椎 7～10ml。 Papanastassious 等［18］报道认为骨水泥注射量在颈椎为平均2.5 ml，胸椎为平均5.5 ml，腰椎为平均7.0ml。国内学者也报道仅需注入2 ml骨水泥即可恢复椎体强度，若完全恢复刚度则需8ml［19］。通常认为，骨水泥适量填充不仅能恢复理想的椎体强度及刚度，也可减少相关并发症发生；过量填充既不安全，也无必要。

2.2 骨水泥过量填充对椎体强度和刚度的影响

与上述报道不同，Graham等［20］研究提出只有注射高剂量骨水泥才能影响椎体强度和刚度，例如注入平均7 ml约24%椎体填充量骨水泥填充与未经处理的椎体对比，强度超过完整椎体，刚度虽有提高，但不能恢复至骨折前水平，说明实验和临床上椎体强化后刚度往往小于（至少不远大于）原椎体刚度，因此不存在应力集中现象，即与强化上下椎体发生应力性骨折无关（详见后述）；同时指出，椎体刚度和强度提高很大程度上取决于其骨密度，临床治疗中骨质疏松性椎体压缩骨折患者受益最少，如果注射低剂量骨水泥，再经受同样载荷，仍可在原椎体处造成骨折。

2.3 骨水泥分布对椎体强度和刚度的影响

有学者研究认为，达到骨水泥满意分布状态是提高PVP术疗效的关键，与具体注射剂量无关［21］。王延涛等［22］报道认为骨水泥过量充填并不能获得最佳生物力学效果，该效果取决于椎体内小量充填骨水泥及其对称分布。目前国内较多学者认为，至少在椎体前柱需填充足量甚至过量骨水泥，达到“顶天立地”效果，这样才能使椎体稳定。

3 骨水泥注射量对相邻椎体的影响

随着近年PVP术广泛开展，术后随访中发现很多患者发生相邻椎体骨折，由此展开相关研究。Kawanishi等［23］在PVP术后随访中发现患者椎体相邻节段再发骨折概率为10%～20%，而其它节段再骨折率仅为6.7%。Voormolen等［24］对66例患者PVP术后随访发现，约25%患者在1年内发生新骨折，其中大多发生于3个月内，且半数骨折发生于椎体相邻节段。有学者构建腰2～3节段骨质疏松性三维有限元模型（正常解剖形态），模拟PVP过程对椎体进行完全强化（骨水泥完全充填松质骨区），结果显示若腰2节段完全强化，则腰3节段终板应力增加 13%，支持了上述观点［13］。

部分学者认为，PVP术中骨水泥注入量过多是发生椎体相邻节段骨折的主要原因。Chen等［25］认为，PVP术中骨水泥注入量过多会导致其渗入相邻椎间盘，从而增加相邻椎体应力，产生新骨折。Nieuwenhuijse等［26］研究显示，骨水泥体积分数达24%或更高时虽能有效缓解疼痛，但会发生骨水泥渗漏，进而导致新发骨折。这一理论被Lin等［27］研究所证实，对38例伴椎体压缩骨折患者PVP术后随访发现，14例新发骨折中10例有骨水泥渗入椎间盘，4例与骨水泥渗出无关。另有部分研究提示，PVP虽能恢复经治椎体的强度和刚度，但过量骨水泥也增加相邻锥体应力和应变，从而改变相邻椎体应力分布，易发生骨折。Berlemann等［28］报道对经骨水泥增强的脊柱功能单位进行力学测试，结果发现与未得到增强的相邻椎体相比，PVP术后增强的相邻椎体最大承载负荷较低，且骨折大多发生在未增强椎体处；因此认为，PVP术后经治椎体刚度得到增加，使得力学负荷转移至相邻椎体，故增加了椎体相邻骨折发生率。Polikeit等［29］研究证实椎体增强导致相邻椎体终板应力和应力分布发生变化，有力支持了过量骨水泥增强椎体易发生相邻椎体骨折的假说。

然而也有部分学者认为，PVP术后患者邻近节段骨折的发生是疾病自然病程结果，与骨水泥具体用量无关。如前所述，Graham等［20］认为经高剂量骨水泥填充的椎体强度超过完整椎体，而刚度虽有提高，但不能恢复至骨折前水平。从中可看出实验和临床上椎体强化后其刚度往往小于原椎体刚度，因此不存在应力集中现象，即与强化椎体上下节段发生应力性骨折无关。征华勇等［30］报道显示PVP术使邻近节段椎体刚度降低、应力强度有轻微提高趋势，但与术前差异无统计学意义，因此考虑PVP术对邻近椎体影响较小。Jensen等［31］报道分析109例骨质疏松患者107处椎体骨折，结果显示PVP术后经治椎体相邻节段骨折发生率与未治疗对照组比较，差异无统计学意义，进一步说明椎体刚度和强度提高很大程度上取决于骨密度。这与上述Graham等的观点一致。史丽娜等［32］选取120例明确诊断为骨质疏松性椎体骨折患者分别采用保守治疗和PVP治疗，结果发现PVP术与保守治疗相比并不增加新发骨折风险，任何椎体节段均可发生骨折；无论骨水泥注射量多少，经治椎体的相邻节段骨折发生危险并不高于其它节段。

综上所述，PVP术能有效增加椎体强度和刚度，从而缓解患者局部疼痛，提高生存质量。目前国内外研究明确，椎体相关生物力学因素会对骨水泥注射量产生影响，不同注射量骨水泥也对椎体生物力学产生影响。关于不同剂量骨水泥对椎体强度和刚度的影响、是否增加椎体邻近节段骨折及其它并发症发生等仍存在较大争议，需要进一步研究探索。

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