引用本文： 李爽, 邵鵬飛, 徐寶山, 劉艷成, 張凈宇, 劉鋼, 張洪亮, 郭志文, 李曉曄, 胡永成. 經皮骨水泥椎間盤成形術和經皮骨水泥椎間融合術對脊柱穩定性影響的生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(11): 1407-1412. doi: 10.7507/1002-1892.202206052 復制
腰椎管狹窄癥（lumbar spinal stenosis，LSS）常發生于老年人群[1-2]，是因椎間盤變性和塌陷、髓核變性消失，導致椎間孔減小以及神經根慢性機械性壓迫[3-4]，進而引起局部疼痛和放射痛等癥狀，嚴重影響患者生活質量。目前LSS主要治療方法為椎管減壓聯合椎間融合術。然而，老年患者一般情況大多欠佳，常合并心肺疾病、糖尿病及骨質疏松癥等，增加了圍術期感染以及術中出血風險[5-8]。
微創手術與開放手術相比，具有手術時間短、術中出血少、感染率低、住院時間短、治療費用低等優點[9]，已是脊柱外科手術的一種趨勢。2015年，Varga等[10]率先報道一種微創術式治療LSS，并將其命名為經皮骨水泥椎間盤成形術（percutaneous cement discoplasty，PCD）。該術式通過向退變椎間盤髓核中注入骨水泥，維持椎間高度，實現椎間孔間接減壓，臨床應用已獲得一定效果[11-15]。然而，由于骨水泥與終板軟骨之間無法實現有效融合，且骨水泥材料本身存在高彈性模量的局限性，術后存在終板骨折塌陷、內植物脫落等相關并發癥發生風險。本課題組前期研究也顯示，盡管PCD能在一定程度上實現脊柱運動節段的生物力學穩定，但手術設計方面仍有改良空間[16]。為此，何成建等[17]提出了經皮骨水泥椎間融合術（percutaneous cement interbody fusion，PCIF），即在PCD基礎上增加鄰近椎體的經皮椎體成形術（percutaneous vertebroplasty，PVP），實現相鄰脊柱運動單元融合[18-19]。田慶華等[20]對比了兩種術式，發現與PCD相比，PCIF能明顯降低術后鄰近椎體骨折發生率，遠期療效更優。本研究擬通過體外生物力學試驗比較PCD和PCIF，評價其對腰椎椎體的生物力學影響。報告如下。
1 材料與方法
1.1 試驗標本
6具新鮮成年男性脊柱標本，由天津市人民醫院解剖學實驗室以及天津中醫藥大學解剖實驗室提供。年齡58～83歲，平均68.7歲。經X線透視檢查，排除骨折、嚴重骨質疏松（T值≤?4.75SD）、腫瘤等。截取L4、5運動節段，包括椎體及椎間盤，去除標本周圍肌肉組織，注意完整保留韌帶、關節囊及椎間盤結構，取牙托粉包埋標本上、下椎體后，置于?30℃冰柜保存。實驗前將標本取出，置于4℃環境中解凍12 h。
1.2 生物力學試驗方法
1.2.1 試驗分組及模型制備方法
研究分為4組，包括正常對照（intact，INT）組、經皮腰椎間盤切除（percutaneous lumbar discectomy，PLD）組、PCD組、PCIF組。6具標本如圖1流程進行處理。① INT組：包埋后正常標本。② PLD組：在INT組基礎上，于椎間盤后外側纖維環作2 mm切口，插入鉸刀破壞髓核組織后用髓核鉗取出，生理鹽水沖洗。經CT檢查證實髓核完全去除。③ PCD組：在PLD組基礎上，以自制萬向磨鉆在椎間盤上、下終板處開窗，直徑約1 cm。將聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（強生公司，美國）與固化液混合、攪拌至面團期后，通過骨水泥注射器自后外側纖維環切口處注入，維持體位15 min至骨水泥完全凝固。經CT檢查確認終板軟骨開窗完全，骨水泥填充均勻，無明顯滲漏及充盈缺損。④ PCIF組：在PCD組基礎上，于L4及L5左側關節突處以“人”字嵴方法定位穿刺點，經椎弓根進行穿刺。使用骨水泥填充椎間盤間隙，直至完全凝固。CT檢查椎體內骨水泥與椎間盤內骨水泥接觸并融合。
圖1
標本處理流程圖及相應矢狀位CT圖像
Figure1.
Schematic diagram of specimens treatment procedure and corresponding sagittal CT images
1.2.2 生物力學試驗方法
將標本置于MTS多自由度模擬測試系統（MTS公司，美國），設置標本x、y、z軸分別與機器各軸線平行，將標本上、下兩端固定于儀器卡具（圖2）。以加載速率15 mm/min逐級加載，軸向加載壓力設定為300 N，儀器記錄標本加載前后高度并計算差值。以7.5 Nm扭矩對標本分別進行前屈、后伸、左/右側彎以及左/右旋轉[21]，通過位移傳感器自動采集標本各向活動度（range of motion，ROM）。繪制載荷-位移曲線，計算各向剛度（載荷/活動度）。每個加載狀態進行3個循環，取第3次作為試驗結果，以消除標本松弛、蠕變等時間效應對測量結果的影響。
圖2
生物力學測試示意圖
箭頭示PCD手術椎間盤穿刺骨水泥注射點
Figure2. Schematic diagram of biomechanical testingArrow indicated the cement injection point in PCD
1.3 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。計量資料經正態性檢驗，均符合正態分布，數據以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 軸向載荷下標本高度變化
測試后標本均未出現骨折及植入物脫落或松動跡象。軸向加載300 N壓力后，4組標本高度均發生變化，其中PLD組加載前后差值為（0.33±0.08）mm，大于INT組（0.18±0.06）mm、PCD組（0.20±0.02）mm和PCIF組（0.21±0.02）mm，差異均有統計學意義（P<0.05）；其余3組間差異均無統計學意義（P>0.05）。
2.2 各向ROM變化
各組各向ROM見表1。PLD組各向ROM均較INT組增大，差異有統計學意義（P<0.05）。
表1
各組各向ROM比較（n=6，
，°）
Table1.
Comparison of ROM in different directions between groups (n=6, 
, °)
PCD組與INT組比較，前屈、后伸、左/右旋轉ROM均增大，差異有統計學意義（P<0.05），左/右側彎ROM差異無統計學意義（P>0.05）；與PLD組比較，前屈、后伸、左/右側彎ROM均減小，差異有統計學意義（P<0.05），而左/右旋轉ROM差異無統計學意義（P>0.05）。
PCIF組與INT組比較，除后伸ROM增大外，其余各向ROM均減小，其中前屈、左/右旋轉ROM差異無統計學意義（P>0.05），后伸、左/右側彎ROM差異有統計學意義（P<0.05）；與PLD組比較，各向ROM均減小，差異有統計學意義（P<0.05）；與PCD組比較，前屈、左/右側彎、左/右旋轉ROM均減小，差異有統計學意義（P<0.05），后伸ROM比較差異無統計學意義（P>0.05）。
2.3 各向剛度變化
各組各向剛度見表2。PLD組各向剛度均較INT組減小，差異有統計學意義（P<0.05）。
表2
各組各向剛度比較（n=6，
，Nm/°）
Table2.
Comparison of stiffness in different directions between groups (n=6, 
, Nm/°)
PCD組與INT組比較，前屈、后伸、左/右旋轉剛度均減小，差異有統計學意義（P<0.05），左/右側彎剛度差異無統計學意義（P>0.05）；與PLD組比較，前屈、后伸、左/右側彎剛度均增大，差異有統計學意義（P<0.05），而左/右旋轉剛度差異無統計學意義（P>0.05）。
PCIF組與INT組比較，除后伸剛度減小外，其余各向剛度均增大，其中前屈、左/右旋轉剛度差異無統計學意義（P>0.05），后伸、左/右側彎剛度差異有統計學意義（P<0.05）；與PLD組比較，各向剛度均增大，差異有統計學意義（P<0.05）；與PCD組比較，各向剛度均增大，其中前屈、左/右旋轉、左/右側彎剛度差異有統計學意義（P<0.05），后伸剛度差異無統計學意義（P>0.05）。
3 討論
脊柱運動節段是維持脊柱穩定性的基本功能單位，包括相鄰椎體以及其間的椎間盤、關節突關節和韌帶結構等。生理條件下，脊柱受到外部以及內部載荷的雙重影響，并由此發生形變，包括壓縮、扭轉（屈伸、側彎、旋轉）等。在椎間融合手術中，經常通過安裝大號椎間融合器進行椎間隙撐開，從而擴大椎間孔高度和面積，達到間接減壓目的。但椎間融合器安裝需要分離軟組織，以避開硬膜囊和神經根等重要結構 [22-23]。本研究中的PCD和PCIF是一種間接減壓方法，骨水泥可以通過注射方式植入，最大程度地減小了軟組織損傷。
Techens等[24]對離體豬脊柱PCD和PLD模型進行生物力學測試，測量在峰值載荷下的椎間高度、椎間活動度和剛度。結果提示PCD可以恢復PLD引起的椎間高度降低，但對脊柱ROM和剛度沒有顯著影響。由于人體為直立動物，與豬脊柱標本具有較大生物力學特性差異，該研究結果參考價值有限。為此，本研究采用人體標本進行體外生物力學研究。
既往研究表明椎間盤切除后，椎間高度下降60%，椎間孔高度降低24%[25]。本研究結果顯示軸向加載300 N壓力后，PLD組標本椎間高度變化最大，INT組、PCD組和PCIF組差異無統計學意義，表明完整椎間盤在維持椎間高度中起到重要作用， PCD和PCIF均能維持椎間高度，而這種椎間高度穩定性的實現能緩解神經根受壓程度。
在椎體屈伸穩定性方面，本研究中PCD組標本前屈和后伸ROM較PLD組減小、剛度增大，說明植入骨水泥可以有效增加脊柱節段穩定性。PCIF組標本前屈ROM較PCD組進一步減小，剛度增大，說明PCIF能進一步增加脊柱運動節段屈伸穩定性。值得注意的是，PCIF組前屈剛度高于PCD組，而后伸剛度與PCD組相似。結合PCIF組ROM分析，PCIF增加腰椎剛度的作用主要與其限制前屈活動有關。然而，PCIF對前屈活動的限制可能導致更高的局部應力集中，這種效應是否會導致內植物失效需進一步研究。
在椎體側彎穩定性方面，本研究PCD組和PCIF組側彎ROM均較PLD組不同程度減小，剛度有所提高。其中，PCD組側彎剛度低于INT組，而PCIF組上述指標明顯增大。說明PCD可以有效改善并緩解髓核切除對脊柱側彎穩定性的影響，且PCIF作用更強。
在椎體旋轉穩定性方面，椎間盤切除術后PLD組脊柱旋轉剛度較INT組明顯減小。PCD組旋轉ROM以及剛度與PLD組相比無明顯變化，說明PCD不能提高脊柱旋轉穩定性。該現象可能與PCD術中骨水泥與終板之間的滑動摩擦力無法對旋轉活動產生影響有關。而PCIF手術后，由于骨水泥與上、下椎體之間融合作用限制了脊柱旋轉，脊柱的旋轉ROM減小，剛度明顯增加。上述結果提示脊柱旋轉穩定性差異是PCD和PCIF之間的一個顯著區別。
綜上述，PCD和PCIF均可以減小腰椎運動節段ROM，增加剛度。其中，PCD主要影響腰椎的屈伸和側彎剛度，而PCIF對腰椎各向ROM，尤其是側彎及旋轉活動的限制性更強。但本研究存在一些不足：首先，研究采用正常脊柱標本，無法模擬嚴重腰椎間盤退變患者腰椎失穩情況；其次，本研究結果提示PCD和PCIF可以限制PLD術后腰椎各方向ROM，但腰椎穩定性增加能否改善腰痛癥狀需要進一步臨床研究。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道
倫理聲明 研究方案經天津市天津醫院醫學倫理委員會批準（2022醫倫審178）
作者貢獻聲明 李爽：研究設計及實施、文章撰寫；邵鵬飛：參與研究及數據分析整理；徐寶山、劉艷成：研究設計、文章審閱及理論指導；劉鋼、張洪亮、郭志文、李曉曄：數據收集整理及統計分析；張凈宇、胡永成：對文章的知識性內容作批評性審閱及支持性貢獻
腰椎管狹窄癥（lumbar spinal stenosis，LSS）常發生于老年人群[1-2]，是因椎間盤變性和塌陷、髓核變性消失，導致椎間孔減小以及神經根慢性機械性壓迫[3-4]，進而引起局部疼痛和放射痛等癥狀，嚴重影響患者生活質量。目前LSS主要治療方法為椎管減壓聯合椎間融合術。然而，老年患者一般情況大多欠佳，常合并心肺疾病、糖尿病及骨質疏松癥等，增加了圍術期感染以及術中出血風險[5-8]。
微創手術與開放手術相比，具有手術時間短、術中出血少、感染率低、住院時間短、治療費用低等優點[9]，已是脊柱外科手術的一種趨勢。2015年，Varga等[10]率先報道一種微創術式治療LSS，并將其命名為經皮骨水泥椎間盤成形術（percutaneous cement discoplasty，PCD）。該術式通過向退變椎間盤髓核中注入骨水泥，維持椎間高度，實現椎間孔間接減壓，臨床應用已獲得一定效果[11-15]。然而，由于骨水泥與終板軟骨之間無法實現有效融合，且骨水泥材料本身存在高彈性模量的局限性，術后存在終板骨折塌陷、內植物脫落等相關并發癥發生風險。本課題組前期研究也顯示，盡管PCD能在一定程度上實現脊柱運動節段的生物力學穩定，但手術設計方面仍有改良空間[16]。為此，何成建等[17]提出了經皮骨水泥椎間融合術（percutaneous cement interbody fusion，PCIF），即在PCD基礎上增加鄰近椎體的經皮椎體成形術（percutaneous vertebroplasty，PVP），實現相鄰脊柱運動單元融合[18-19]。田慶華等[20]對比了兩種術式，發現與PCD相比，PCIF能明顯降低術后鄰近椎體骨折發生率，遠期療效更優。本研究擬通過體外生物力學試驗比較PCD和PCIF，評價其對腰椎椎體的生物力學影響。報告如下。
1 材料與方法
1.1 試驗標本
6具新鮮成年男性脊柱標本，由天津市人民醫院解剖學實驗室以及天津中醫藥大學解剖實驗室提供。年齡58～83歲，平均68.7歲。經X線透視檢查，排除骨折、嚴重骨質疏松（T值≤?4.75SD）、腫瘤等。截取L4、5運動節段，包括椎體及椎間盤，去除標本周圍肌肉組織，注意完整保留韌帶、關節囊及椎間盤結構，取牙托粉包埋標本上、下椎體后，置于?30℃冰柜保存。實驗前將標本取出，置于4℃環境中解凍12 h。
1.2 生物力學試驗方法
1.2.1 試驗分組及模型制備方法
研究分為4組，包括正常對照（intact，INT）組、經皮腰椎間盤切除（percutaneous lumbar discectomy，PLD）組、PCD組、PCIF組。6具標本如圖1流程進行處理。① INT組：包埋后正常標本。② PLD組：在INT組基礎上，于椎間盤后外側纖維環作2 mm切口，插入鉸刀破壞髓核組織后用髓核鉗取出，生理鹽水沖洗。經CT檢查證實髓核完全去除。③ PCD組：在PLD組基礎上，以自制萬向磨鉆在椎間盤上、下終板處開窗，直徑約1 cm。將聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（強生公司，美國）與固化液混合、攪拌至面團期后，通過骨水泥注射器自后外側纖維環切口處注入，維持體位15 min至骨水泥完全凝固。經CT檢查確認終板軟骨開窗完全，骨水泥填充均勻，無明顯滲漏及充盈缺損。④ PCIF組：在PCD組基礎上，于L4及L5左側關節突處以“人”字嵴方法定位穿刺點，經椎弓根進行穿刺。使用骨水泥填充椎間盤間隙，直至完全凝固。CT檢查椎體內骨水泥與椎間盤內骨水泥接觸并融合。
圖1
標本處理流程圖及相應矢狀位CT圖像
Figure1.
Schematic diagram of specimens treatment procedure and corresponding sagittal CT images
1.2.2 生物力學試驗方法
將標本置于MTS多自由度模擬測試系統（MTS公司，美國），設置標本x、y、z軸分別與機器各軸線平行，將標本上、下兩端固定于儀器卡具（圖2）。以加載速率15 mm/min逐級加載，軸向加載壓力設定為300 N，儀器記錄標本加載前后高度并計算差值。以7.5 Nm扭矩對標本分別進行前屈、后伸、左/右側彎以及左/右旋轉[21]，通過位移傳感器自動采集標本各向活動度（range of motion，ROM）。繪制載荷-位移曲線，計算各向剛度（載荷/活動度）。每個加載狀態進行3個循環，取第3次作為試驗結果，以消除標本松弛、蠕變等時間效應對測量結果的影響。
圖2
生物力學測試示意圖
箭頭示PCD手術椎間盤穿刺骨水泥注射點
Figure2. Schematic diagram of biomechanical testingArrow indicated the cement injection point in PCD
1.3 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。計量資料經正態性檢驗，均符合正態分布，數據以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 軸向載荷下標本高度變化
測試后標本均未出現骨折及植入物脫落或松動跡象。軸向加載300 N壓力后，4組標本高度均發生變化，其中PLD組加載前后差值為（0.33±0.08）mm，大于INT組（0.18±0.06）mm、PCD組（0.20±0.02）mm和PCIF組（0.21±0.02）mm，差異均有統計學意義（P<0.05）；其余3組間差異均無統計學意義（P>0.05）。
2.2 各向ROM變化
各組各向ROM見表1。PLD組各向ROM均較INT組增大，差異有統計學意義（P<0.05）。
表1
各組各向ROM比較（n=6，，°）
Table1.
Comparison of ROM in different directions between groups (n=6, , °)
PCD組與INT組比較，前屈、后伸、左/右旋轉ROM均增大，差異有統計學意義（P<0.05），左/右側彎ROM差異無統計學意義（P>0.05）；與PLD組比較，前屈、后伸、左/右側彎ROM均減小，差異有統計學意義（P<0.05），而左/右旋轉ROM差異無統計學意義（P>0.05）。
PCIF組與INT組比較，除后伸ROM增大外，其余各向ROM均減小，其中前屈、左/右旋轉ROM差異無統計學意義（P>0.05），后伸、左/右側彎ROM差異有統計學意義（P<0.05）；與PLD組比較，各向ROM均減小，差異有統計學意義（P<0.05）；與PCD組比較，前屈、左/右側彎、左/右旋轉ROM均減小，差異有統計學意義（P<0.05），后伸ROM比較差異無統計學意義（P>0.05）。
2.3 各向剛度變化
各組各向剛度見表2。PLD組各向剛度均較INT組減小，差異有統計學意義（P<0.05）。
表2
各組各向剛度比較（n=6，，Nm/°）
Table2.
Comparison of stiffness in different directions between groups (n=6, , Nm/°)
PCD組與INT組比較，前屈、后伸、左/右旋轉剛度均減小，差異有統計學意義（P<0.05），左/右側彎剛度差異無統計學意義（P>0.05）；與PLD組比較，前屈、后伸、左/右側彎剛度均增大，差異有統計學意義（P<0.05），而左/右旋轉剛度差異無統計學意義（P>0.05）。
PCIF組與INT組比較，除后伸剛度減小外，其余各向剛度均增大，其中前屈、左/右旋轉剛度差異無統計學意義（P>0.05），后伸、左/右側彎剛度差異有統計學意義（P<0.05）；與PLD組比較，各向剛度均增大，差異有統計學意義（P<0.05）；與PCD組比較，各向剛度均增大，其中前屈、左/右旋轉、左/右側彎剛度差異有統計學意義（P<0.05），后伸剛度差異無統計學意義（P>0.05）。
3 討論
脊柱運動節段是維持脊柱穩定性的基本功能單位，包括相鄰椎體以及其間的椎間盤、關節突關節和韌帶結構等。生理條件下，脊柱受到外部以及內部載荷的雙重影響，并由此發生形變，包括壓縮、扭轉（屈伸、側彎、旋轉）等。在椎間融合手術中，經常通過安裝大號椎間融合器進行椎間隙撐開，從而擴大椎間孔高度和面積，達到間接減壓目的。但椎間融合器安裝需要分離軟組織，以避開硬膜囊和神經根等重要結構 [22-23]。本研究中的PCD和PCIF是一種間接減壓方法，骨水泥可以通過注射方式植入，最大程度地減小了軟組織損傷。
Techens等[24]對離體豬脊柱PCD和PLD模型進行生物力學測試，測量在峰值載荷下的椎間高度、椎間活動度和剛度。結果提示PCD可以恢復PLD引起的椎間高度降低，但對脊柱ROM和剛度沒有顯著影響。由于人體為直立動物，與豬脊柱標本具有較大生物力學特性差異，該研究結果參考價值有限。為此，本研究采用人體標本進行體外生物力學研究。
既往研究表明椎間盤切除后，椎間高度下降60%，椎間孔高度降低24%[25]。本研究結果顯示軸向加載300 N壓力后，PLD組標本椎間高度變化最大，INT組、PCD組和PCIF組差異無統計學意義，表明完整椎間盤在維持椎間高度中起到重要作用， PCD和PCIF均能維持椎間高度，而這種椎間高度穩定性的實現能緩解神經根受壓程度。
在椎體屈伸穩定性方面，本研究中PCD組標本前屈和后伸ROM較PLD組減小、剛度增大，說明植入骨水泥可以有效增加脊柱節段穩定性。PCIF組標本前屈ROM較PCD組進一步減小，剛度增大，說明PCIF能進一步增加脊柱運動節段屈伸穩定性。值得注意的是，PCIF組前屈剛度高于PCD組，而后伸剛度與PCD組相似。結合PCIF組ROM分析，PCIF增加腰椎剛度的作用主要與其限制前屈活動有關。然而，PCIF對前屈活動的限制可能導致更高的局部應力集中，這種效應是否會導致內植物失效需進一步研究。
在椎體側彎穩定性方面，本研究PCD組和PCIF組側彎ROM均較PLD組不同程度減小，剛度有所提高。其中，PCD組側彎剛度低于INT組，而PCIF組上述指標明顯增大。說明PCD可以有效改善并緩解髓核切除對脊柱側彎穩定性的影響，且PCIF作用更強。
在椎體旋轉穩定性方面，椎間盤切除術后PLD組脊柱旋轉剛度較INT組明顯減小。PCD組旋轉ROM以及剛度與PLD組相比無明顯變化，說明PCD不能提高脊柱旋轉穩定性。該現象可能與PCD術中骨水泥與終板之間的滑動摩擦力無法對旋轉活動產生影響有關。而PCIF手術后，由于骨水泥與上、下椎體之間融合作用限制了脊柱旋轉，脊柱的旋轉ROM減小，剛度明顯增加。上述結果提示脊柱旋轉穩定性差異是PCD和PCIF之間的一個顯著區別。
綜上述，PCD和PCIF均可以減小腰椎運動節段ROM，增加剛度。其中，PCD主要影響腰椎的屈伸和側彎剛度，而PCIF對腰椎各向ROM，尤其是側彎及旋轉活動的限制性更強。但本研究存在一些不足：首先，研究采用正常脊柱標本，無法模擬嚴重腰椎間盤退變患者腰椎失穩情況；其次，本研究結果提示PCD和PCIF可以限制PLD術后腰椎各方向ROM，但腰椎穩定性增加能否改善腰痛癥狀需要進一步臨床研究。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道
倫理聲明 研究方案經天津市天津醫院醫學倫理委員會批準（2022醫倫審178）
作者貢獻聲明 李爽：研究設計及實施、文章撰寫；邵鵬飛：參與研究及數據分析整理；徐寶山、劉艷成：研究設計、文章審閱及理論指導；劉鋼、張洪亮、郭志文、李曉曄：數據收集整理及統計分析；張凈宇、胡永成：對文章的知識性內容作批評性審閱及支持性貢獻
