目的:1、通过对大宗经皮椎体强化术病例的长期随访,统计出相邻节段骨折的发生率及相关危险因素。2、在中医微观辨证理论体系下,基于患者CT三维有限元模型测试椎体强化术后相邻节段在不同载荷下应力变化,预测术后相邻节段骨折的发生、骨折线走向、骨折塌陷情况。3、基于胸腰段有限元模型,测试椎体强化术后不同程度椎体骨折复位对相邻节段椎体应力分布的影响。4、基于胸腰段有限元模型,模拟测试椎体周边不同部位(椎间隙、椎管内、神经孔、椎旁)的骨水泥渗漏对相邻椎体的力学影响。方法:1、第一部分,临床研究 回顾性研究了 2007年1月1日至2012年12月31日因疼痛性骨质疏松性椎体压缩性骨折(Osteoporotic Vertebral Compression Fractures,OVCFs)在广州中医药大学第一附属医院行椎体强化术治疗的457例患者,其中男性患者75例,女性患者382例。PVA的适应证是剧烈的背部痛,局部棘突压痛、叩击痛明显,进行性加重的后凸畸形,经保守治疗无效,术前MRI证实为急性或亚急性椎体压缩性骨折或者陈旧性骨折不愈合患者。所有患者术前均行骨密度、CT、MRI检查。有323例患者在随访期内未见新发骨折,设为A组。另外134例患者在随访期内出现新发骨折,设为B组。观察指标包括:患者性别、年龄、体重指数、骨密度、已有骨折的部位、术前已有的骨折椎体个数、椎体强化的节段、椎体强化术治疗的椎体个数、椎体强化治疗的骨折椎体严重程度、平均的骨水泥注入量、椎体强化术的方式(PVP或PKP)、骨水泥渗漏、新发骨折的部位。椎体强化治疗的椎体严重程度参照Genant半定量法骨折程度评定,即利用观察X线片,轻度骨折:椎体高度降低20%～25%,椎体投影面积降低10%～20%;中度骨折:椎体高度降低26%～40%,椎体投影面积降低21%～40%;严重骨折:椎体高度和椎体投影面积降低>40%。计量资料数据用均数加减标准差表示,计数资料用频数表示。采用SPSS22统计软件进行统计学分析,计量资料用两独立样本t检验,分类变量资料用χ2检验,设P<0.05差异具有显著性。应用双变量回归分析行单因素分析,应用多元线性回归分析行多因素分析,研究各因素与新发椎体骨折的相互关系。2、第二部分,有限元研究 选取一位因T12 OVCFs在我院行PKP治疗并在随访期内出现相邻节段T11椎体再骨折的患者,将其胸腰段CT资料作为研究对象。基于患者T12强化术后胸腰段的CT数据,运用有限元建模和分析软件Mimics 20.0、Geomagic Studio 2013、SolidWorks 2013、ANSYS16.0,构建 T12 椎体压缩骨折椎体强化术后三维有限元模型(模型A)。同时,基于患者术后再发相邻节段T11骨折时胸腰段的CT数据,构建T12椎体强化术后T11再发椎体骨折的三维有限元模型(模型B)做对比。假设正常成年人的体重为60kg,通常人体总体重的2/3(40kg)会施加到人体胸腰段脊椎上,转换成载荷约是400N。所以本研究在T10胸椎的上表面施加均匀分布的垂直向下力,模拟人体上半身重力,共400N,来模拟人体胸腰段直立时的载荷。我们在直立有限元模型垂直加载400N载荷的同时,通过分别加载在X,Y,Z轴的力矩(10Nm),模拟人体前屈,后伸,侧弯,旋转,具体为前屈加载对应的坐标轴为X轴(描述对应当前人体的前屈),后伸加载对应的坐标轴为X轴(描述对应为当前人体的后伸),侧弯加载对应的坐标轴为Y轴(对应当前人体的左侧侧弯),旋转加载对应的坐标轴为Z轴(对应当前人体的逆时针转动),模拟人体前屈,后伸,侧弯,旋转。观察模型A在不同载荷下手术相邻节段T11的应力云图,记录应力分布情况及最大应力值。将模型A的应力云图与模型B相对比,观察模型A中应力集中部位与模型B中T11椎体的真实骨折线轮廓走向及骨折塌陷部位的匹配程度。3、第三部分,有限元研究 选取1例骨质疏松椎体(L1)压缩性骨折女性患者,获取其胸腰段CT资料。运用有限元建模和分析软件Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、SolidWorks 2012、ANSYS17.0,构建L1椎体骨折无复位模型(模型A)。在模型A的基础上,构建胸腰椎骨质疏松模型(模型B);在模型A的基础上,平行椎体下表面,在椎体内部改变部分松质骨单元的材料属性为PMMA骨水泥的材料性质,形成一个类圆柱形骨水泥块,量4ml,模拟注入骨水泥,构建骨折无复位PVP模型(模型C);在模型B的基础上,在椎体内部改变部分松质骨单元的材料属性为PMMA骨水泥的材料性质,形成一个类圆柱形骨水泥块,量4ml,构建骨折完全复位PKP模型(模型D)。设定L2椎体下缘所有节点在X、Y、Z轴三个方向上的位移都是零,固定L2下表面。在T11胸椎的上表面施加均匀分布的垂直向下力,模拟人体上半身重力,共400N,来模拟人体胸腰段直立时的载荷。在直立有限元模型垂直加载400N载荷的同时,在T11椎体上表面施加10Nm的力矩,分为4种载荷,方向分别是前屈、后伸、左侧弯和右旋转,模拟人体胸腰段前屈、后伸、左侧弯和右旋转时的载荷。观察上述模型在不同载荷下脊柱胸腰段各部分应力分布情况。4、第四部分,有限元研究 选取1例L1椎体骨质疏松性压缩骨折女性患者,获取其胸腰段CT资料。运用有限元建模和分析软件Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、SolidWorks 2012、ANSYS17.0,分别构建L1椎体骨水泥4 ml强化无渗漏模型(模型A)、L1椎体骨水泥4.5ml强化无渗漏模型(模型B)、L1上方椎间隙骨水泥渗漏模型(模型C)、构建L1下方椎间隙骨水泥渗漏模型(模型D)、L1上下方椎间隙骨水泥渗漏模型(模型E)、L1椎弓根渗漏模型(模型F)、L1椎前渗漏模型(模型G)、L1椎旁渗漏模型(模型H)、L1椎间孔渗漏模型(模型I)以及Ll椎管内渗漏模型(模型J)。在T11胸椎的上表面施加均匀分布的垂直向下力,模拟人体上半身重力,共400N,来模拟人体胸腰段直立时的载荷。在直立有限元模型垂直加载400N载荷的同时,在T11椎体上表面施加10Nm的力矩,分为4种载荷,方向分别是前屈、后伸、左侧弯和右旋转,模拟人体胸腰段前屈、后伸、左侧弯和右旋转时的载荷。观察上述不同部位骨水泥渗漏模型在不同载荷下脊柱胸腰段各部分应力分布情况。结果:1、第一部分,临床研究 所有457例患者中术前已有1092个骨折椎体(轻度骨折431个,中度骨折361个,重度骨折300个),其中经MRI诊断确诊为陈旧性骨折愈合的椎体有422个,确诊为新鲜骨折或陈旧性骨折不愈合而行椎体强化术治疗的椎体有670个(轻度骨折332个,中度骨折202个,重度骨折136个)。457例患者中,有295例患者行PVP治疗,162例患者行PKP治疗;单侧穿刺有61例,双侧穿刺有396例。全部患者经至少24个月的随访。患者术前已有的骨折椎体及手术治疗的椎体大多数发生在胸腰段,术前已有的骨折椎体中胸腰段骨折占56.04%,PVA治疗的椎体中胸腰段骨折占64.2%。284例患者无骨水泥渗漏,173例患者(共196个椎体)出现术中骨水泥渗漏,其中85个椎体发生椎旁骨水泥渗漏,50个椎体发生椎间隙骨水泥渗漏,18个椎体发生穿刺道渗漏,1个椎体发生椎间孔渗漏,23个椎体发生椎管内渗漏,19个椎体发生椎旁静脉渗漏。根据Yeom等按渗漏路径的不同将骨水泥渗漏分为B型、C型和S型3种类型,其中B型渗漏为骨水泥沿椎基底静脉渗漏到椎体后缘;C型为沿椎体骨皮质缺损渗漏;S型为沿椎间静脉渗漏。在发生骨水泥渗漏的患者中,1例患者因为椎管内骨水泥渗漏并神经压迫需要再次手术治疗,余下的172例患者均未因骨水泥渗漏导致症状需进一步处理。有134例患者(29.3%)在随访期内出现新发椎体骨折,其中出现相邻节段新发骨折的患者有67例,出现非相邻节段新发骨折的患者也为67例。出现新发椎体骨折的患者中,19例患者在新发骨折后选择保守治疗,余下的115例患者因新发骨折接受了2次及以上的椎体强化手术。首次新发骨折的椎体也大多数发生在胸腰段,占53.1%。在随访周期内有33例患者发生四肢骨折,其中发生髋部骨折26例(股骨颈骨折9例、股骨转子间骨折17例),肱骨近端骨折4例,腕部骨折3例。两组患者间的平均年龄、骨密度、体重指数、术前已有的骨折椎体个数、PVA治疗的平均椎体个数、骨水泥注入量组间差异有统计学意义。单因素分析结果显示患者的年龄、骨密度、体重指数、术前已有骨折椎体个数、手术椎体个数、骨水泥注入量与新发椎体骨折有一定的相关性(P≤0.05),而患者性别、骨水泥渗漏、椎间隙渗漏、手术椎体严重程度、单/双侧穿刺、手术方式与新发椎体骨折无关(P>0.05)。多因素分析结果显示患者的骨密度、已有的骨折椎体个数是新发椎体骨折的主要因素,其标准化偏回归系数分别为-0.055和0.028。2、第二部分,有限元研究 T11椎体在直立、前屈、后伸、侧弯、旋转5种载荷下最大应力分别为 19.252Mpa、63.679Mpa、67.387Mpa、76.264Mpa、92.079Mpa,而L1 椎体在 5 种载荷下最大应力分别为 17.918Mpa、23.626Mpa、15.402Mpa、23.807Mpa、44.049Mpa,可见T11椎体在5种不同载荷下所受应力均大于L1椎体。T11椎体下终板在直立、前屈、后伸、侧弯、旋转5种载荷下最大应力分别为9.2217Mpa、25.324Mpa、9.0966Mpa、25.479Mpa、11.911Mpa,L1椎体上终板在5种载荷下最大应力分别为2.5117Mpa、4.9306Mpa、4.9695Mpa、4.1593Mpa、9.4029Mpa,可见 T11 椎体下终板在5种不同载荷下所受应力均大于L1椎体上终板。因此,在椎体强化节段(T12)的相邻节段中,上方的相邻椎体及终板所受的应力更大,T11椎体与L1椎体相比有更高的继发骨折风险。T11上终板应力主要集中于上终板中部,T11下终板应力主要集中于下终板中前部。除了后伸负荷外,T11椎体前缘皮质骨应力均大于椎体后缘,T11椎体上缘应力主要集中于中部,T11椎体下缘应力主要集中于椎体中前部。由T11应力云图推断,若T11椎体骨折塌陷,椎体上终板、椎体上部以中央塌陷为主,椎体下终板、椎体下部以中前部塌陷为主,椎体前缘较后缘压缩明显。基于患者T12椎体强化术后再发T11骨折的CT原始数据,重建现实T11再发骨折模型(模型B),并与模型A相比较。T11椎体塌陷主要以椎体上、下终板中部塌陷的塌陷为主,椎体前缘的压缩程度比椎体后缘压缩明显。现实骨折模型(模型B)中T11椎体的骨折塌陷部位与模型A中T11椎体、上下终板在站立、前屈、侧屈载荷下的应力集中处相匹配,而屈曲压缩应力是OVCFs最常见的损伤外力。因此,观察PVA术后相邻节段在站立、前屈、侧屈载荷下的应力分布情况,可预测相邻节段新发骨折的节段、骨折形态及塌陷情况。3、第三部分,有限元研究 在模型B中对T11-L1节段施加屈曲、伸展、侧弯和旋转载荷,力矩为7.5N/m,实验得到的角位移数据分别为7.11°、5.09°、7.98°、4.77°,与既往的文献比较接近,验证了本研究有限元模型的有效性。模型A、模型C及模型D在各载荷下T12椎体、L2椎体、T12/L1椎间盘及L1/L2椎间盘最大应力无统一变化趋势,且各载荷下应力无显著变化。总的来说,椎体强化手术前后相比较,相邻椎体、椎间盘应力变化并无显著差异。PVA术后不同过伸复位程度相比较,术后相邻椎体应力差异无统计学意义。4、第四部分,有限元研究 模型A(无渗漏4ml)和模型B(无渗漏4.5ml)比较,两模型中相邻节段在直立、前屈、后伸、侧屈载荷下最大应力相比较无显著差异。在旋转载荷下的最大应力,两模型无统一变化趋势。即与无渗漏4ml模型相比,在旋转载荷下,无渗漏4.5ml模型增加了 T12椎体、L2椎体的最大应力,但减少了 T12下终板、T12/L1椎间盘、L1/L2椎间盘、L2上终板的最大应力。总的来说,模型A和B对相邻椎体、终板、椎间盘的应力影响并无显著差异。无渗漏模型(模型A、B)与不同部位骨水泥渗漏模型(模型C-J)相比较。除T12椎体在直立载荷下的最大应力无明显变化外,不同部位骨水泥渗漏模型(除外模型E)在直立和前屈载荷下相邻节段的最大应力均增加,以前屈载荷下相邻节段应力的增加趋势更明显。模型E(上下方椎间隙渗漏模型)在直立、前屈载荷下相邻节段应力变化无统一趋势。不同部位骨水泥渗漏模型(模型C-J)在后伸、侧屈、旋转载荷下相邻节段应力变化也没有统一趋势。总的来说,除了上下方椎间隙骨水泥渗漏外,其余部位骨水泥渗漏增加了相邻节段在直立、前屈载荷下的最大应力,以前屈载荷下的应力增加明显。结论:1、第一部分,临床研究 PVA患者骨密度、术前存在的椎体骨折个数是术后新发骨折的独立危险因素。2、第二部分,有限元研究 在中医微观辨证理论体系下,观察PVA术后相邻节段有限元模型在站立、前屈、侧屈载荷下的应力分布情况,可预测相邻节段新发骨折的节段、骨折形态及塌陷情况。3、第三部分,有限元研究 PVA没有明显增加相邻椎体应力,为邻近椎体继发骨折是骨质疏松症自然病程发展的理论提供了生物力学证据。PVA术后不同复位程度相比较,术后相邻椎体生物力学变化并没有显著差异。4、第四部分,有限元研究 增加骨水泥注入量并未显著增加相邻节段椎体最大应力。大多数骨水泥渗漏增加了相邻节段椎体在直立、前屈载荷下的最大应力,这可能增加术后相邻节段骨折的发生率。