研究背景经皮椎体成形术因止痛效果好、能迅速改善老年人生活质量,被广泛应用于治疗骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF),但随访中发现术后椎体塌陷的发生率极高,并且有可能出现更为严重的并发症,严重影响患者的健康,越来越受到脊柱外科医师的关注。椎体塌陷的影响因素有很多,近期研究发现骨水泥分布与椎体塌陷关系密切,临床中我们使用改良交叉穿刺技术控制骨水泥分布,获得良好的骨水泥分布以降低术后椎体塌陷的发生,但缺乏相关的研究依据及经验总结。本研究从生物力学和临床应用两方面对改良交叉穿刺技术进行分析,探究这种改良穿刺方法的可行性及疗效,以及在改善椎体成形术后椎体塌陷中的作用,为临床工作提供新思路及理论依据。第一部分低骨量椎体压缩骨折的猪脊柱离体模型建立目的对传统的乙二胺四乙酸(EDTA)化学脱钙法进行改良,建立低骨量椎体压缩骨折的体外动物模型(猪)并进行多维度低骨量验证,为后期的生物力学研究提供低骨量动物模型。材料与方法获得24节单节段成熟家猪的胸腰椎,随机非均等分为实验组(20节)和对照组(4节)。采用改良体外EDTA溶液脱钙法降低猪椎骨的骨密度(BMD)。采用双能X线吸收法测定区域BMD,通过QCT扫描评估体积BMD,使用Micro-CT评估骨小梁的形态。对脱钙前后的组织使用HE染色和钙盐染色观察组织学特性。对低骨量标本使用材料试验机进行单轴压缩测试并记录杨氏模量、屈服应变、最终应变、屈服压力和最终压力。最终将椎体破坏建立低骨量椎体压缩骨折模型,使用X线进行骨折模型验证。统计学方式选用描述性分析、t检验和Pearson相关分析。结果(1)实验组脱钙后4周时所有椎体骨密度均小于0.75g/cm2,均处于低骨量状态。脱钙前后骨密度存在显著性差异(1.18±0.12g/cm2,0.58±0.06 g/cm2)(P<0.05)。(2)QCT扫描显示标本脱钙4周后实验组骨皮质BMD(189.2±41.2mg/cm3)和骨松质BMD(66.3±13.5mg/cm3)均小于对照组骨皮质BMD(611.8±31.5mg/cm3)(P<0.01)和骨松质BMD(329.1±53.1mg/cm3)(P<0.01)。(3)Micro-CT显示脱钙处理后实验组猪椎骨的骨小梁变细、稀疏,间隙增宽。(4)HE染色组织切片显示与对照组相比实验组中骨小梁体积不同,骨小梁间连接存在差异,von Kossa钙染色显示实验组中染成黑色的骨小梁密度与对照组相比钙密度明显降低。(5)实验组中脱钙椎体的单轴压缩试验与对照组相比,弹性模量下降79.1%,屈服应力下降73.2%,极限应力下降72.2%,三者差异均具有显著性差异(P<0.001)。猪椎骨模型的弹性模量(R2=0.749,P<0.001),屈服应力(R2=0.808,P<0.001),极限应力(R2=0.753,P<0.001)与BMD呈强正相关。(6)经过压缩破坏后所有椎体呈骨折状态,X线显示椎体前缘压缩,骨皮质不连续。结论(1)在猪椎骨开始脱钙后4周,标本表现出显著的骨质减少且达到目标低骨量状态(小于0.75g/cm2)。(2)使用改良EDTA脱钙法可均一化制备出符合低骨量椎体压缩骨折实验的离体动物模型,模型表现为显著性的骨密度降低、骨形态特征减弱和骨强度下降。(3)改良EDTA脱钙法是一种合适的低骨量建模方法,从影像学、组织学、生物力学方面可以达到实验所需。第二部分改良交叉穿刺椎体成形术在低骨量椎体压缩骨折模型中的生物力学分析目的对比不同穿刺方法形成的骨水泥分布形态和生物力学的差异,分析改良交叉穿刺技术在抗压缩能力的优势,探究理想的骨水泥分布形态及穿刺方法,为明确最佳骨水泥分布形态提供生物力学的理论支持。材料与方法选取第一部分已建立的低骨量猪椎体压缩骨折模型为研究对象,模拟椎体成形术对模型进行定量5ml骨水泥注射,使用4种不同的穿刺方法:实验1组为交叉穿刺形成全椎体的骨水泥分布,实验2组为传统穿刺形成椎体下缘的骨水泥分布,实验3组为传统穿刺形成椎体上缘的骨水泥分布,实验4组为传统穿刺形成椎体中央的骨水泥分布,建立4种骨水泥分布图形后使用X线进行确认,另选4个低骨量猪椎体压缩骨折模型为对照组不注射骨水泥,对所有标本使用材料试验机进行单轴压缩测试并记录屈服载荷、极限载荷、应力和刚度,并建立载荷-位移曲线,使用CT三维重建测量骨水泥弥散体积并计算弥散系数。对比不同骨水泥分布下的生物力学,观察并分析不同骨水泥分布的CT三维重建形态,研究骨水泥分布的不同指标与生物力学之间的相关性。统计学方法选用描述性分析、独立样本非参数检验(Mann-Whitney检验)和Pearson相关分析。结果(1)骨水泥注射前实验组与对照组的椎体重量无显著性差异。(2)实验1组的骨水泥弥散体积和弥散系数均高于其他3组。(3)不同的骨水泥分布下椎体的载荷和应力均存在差异,极限载荷、屈服载荷和应力从大到小排序均为:全分布型>上分布型>中分布型>下分布型。对照组屈服载荷1.75±0.37KN,极限载荷1.90±0.36KN,应力3.14±0.55Mpa。实验1组屈服载荷4.97±0.79KN,极限载荷5.24±0.66KN,应力9.43±1.59Mpa。实验2组屈服载荷2.28±0.27KN,极限载荷2.39±0.26KN,应力3.94±0.64Mpa。实验3组屈服载荷4.46±0.39KN,极限载荷4.69±0.43KN,应力7.9±1.36Mpa。实验4组屈服载荷2.91±0.42KN,极限载荷3.08±0.39KN,应力5.17±0.61Mpa。(4)实验组中少数模型在骨水泥注射后刚度高于骨水泥注射前,但实验组中所有模型骨水泥注射后的刚度均没有恢复到未骨折前的椎体刚度。实验1组骨水泥注射前后的刚度分别为2.28±0.62KN/mm,2.55±0.36KN/mm。实验2组骨水泥注射前后的刚度分别为2.70±0.42KN/mm,2.68±0.45KN/mm。实验3组骨水泥注射前后的刚度分别为2.49±0.48KN/mm,1.77±0.59KN/mm,实验4组骨水泥注射前后的刚度分别为2.12±0.20KN/mm,1.88±0.41KN/mm。(5)组间对比显示交叉穿刺形成的骨水泥高度更高,P=0.004<0.05,总弥散体积更大,P=0.029<0.05,这可能是由于交叉穿刺两个骨水泥流出通道建立在不同的位置,导致骨水泥的弥散方向不同。(6)组间对比显示交叉穿刺组可获得更高的骨水泥高度占比,P=0.004<0.05,但上终板距离组间没有显著性差异,P=0.058>0.05。(7)相关性分析显示骨水泥高度和骨水泥高度占比与极限载荷和应力成正相关,上终板距离与极限载荷和应力成负相关,骨水泥弥散体积与生物力学无显著性相关,即骨水泥需要分布越高、高度占比越大、上终板距离越小,极限载荷和应力越大,另外骨水泥分布差异对刚度无显著影响。结论(1)低骨量猪椎体压缩骨折模型注射骨水泥后,所有类型的骨水泥分布模型均增加了骨折椎体的载荷力及应力,但所有骨水泥分布类型均未恢复椎体初始刚度。(2)骨水泥高度和骨水泥高度占比与极限载荷和应力成正相关,上终板距离与极限载荷和应力成负相关,骨水泥弥散体积与生物力学无显著性相关,即骨水泥需要分布越高、高度占比越大、上终板的距离越小,极限载荷和应力越大。(3)骨水泥分布差异与椎体刚度不存在显著相关。(4)交叉穿刺形成的骨水泥分布在生物力学方面具有显著优势,形成的全分布骨水泥具有高载荷力和应力。第三部分改良交叉穿刺椎体成形术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的临床疗效分析目的对比交叉穿刺技术与传统穿刺技术在治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的临床疗效,分析不同穿刺法形成骨水泥分布图形的差异,探究椎体成形术后椎体塌陷的高危影响因素。材料与方法前瞻性研究获得70例交叉穿刺椎体成形术病例,随访时间大于1年且骨水泥注射量4-6ml,回顾性随机选取70例使用传统穿刺椎体成形术的病例作为对照组。对比两组之间的一般数据:性别、年龄、骨折节段、骨密度、骨水泥注射量、术后卧床时间、手术时间、随访时间。影像学:伤椎高度、楔形角、后凸角、骨水泥弥散体积、弥散系数。功能评分:VAS、ODI、奥多姆标准。并发症:骨水泥渗漏、椎体塌陷、临椎骨折等。观察不同穿刺下骨水泥分布的CT三维重建图像差异,分析弥散系数与椎体塌陷高度的相关性,探究椎体塌陷对患者满意度的影响,并进行椎体塌陷的高危因素分析。统计学分析使用t检验、卡方检验及LSD检验进行对比分析,以及Pearson相关分析和Logistic回归分析。结果(1)一般数据a.组间对比显示年龄,性别,骨密度,骨折节段,骨水泥注射量,术后卧床时间和高度压缩比不存在显著性差异(P>0.05)。b.组间手术时间和随访时间存在显著性差异(P<0.01)。手术时间交叉穿刺组和传统穿刺组分别为29.0±8.6min和20.7±10.2min。随访时间交叉穿刺组和传统穿刺组分别为15.37±3.9月和23.5±10.6月。(2)影像数据a.组内对比:交叉穿刺组和传统穿刺组中脊柱后凸角、伤椎楔形角、椎体前缘高度,椎体中段高度在术前与术后1天的数据间存在显著性差异,P<0.05。椎体后缘高度在术前与术后的数据间不存在显著性差异,P>0.05。交叉穿刺组中后凸角、楔形角、前缘高度、中段高度及后缘高度在术后1天、术后3月、术后6月及术后12月之间均无显著性差异(P>0.05),但从数据可以看出后凸角、楔形角在随访时逐渐缓慢增大,前缘高度、中段高度及后缘高度在随访时逐渐缓慢减小。传统穿刺组中后凸角、楔形角、前缘高度、中段高度及后缘高度在术后1天、术后3月之间均无显著性差异(P>0.05),但后凸角、楔形角、前缘高度、中段高度及后缘高度在术后3月、术后6月及术后12月之间存在显著性差异(P<0.05),椎体后缘高度在随访期间均无显著性差异(P>0.05)。b.组间对比:交叉穿刺组和传统穿刺组在术前脊柱后凸角、脊柱楔形角、伤椎的前缘、中段、后缘高度均不存在显著性差异(P>0.05)。交叉穿刺组和传统穿刺组在术后1天、术后3月脊柱后凸角、脊柱楔形角、伤椎的前缘、中段、后缘高度也不存在显著性差异(P>0.05),两组间在术后6月和12月间脊柱后凸角、脊柱楔形角、伤椎的前缘、中段高度存在显著性差异(P<0.05)。c.两组间骨水泥弥散体积及弥散系数存在显著性差异(P<0.05),交叉穿刺法获得的骨水泥分布区域要大于传统穿刺法。(3)功能评分:两种手术方式在疼痛缓解和功能改善方面类似,两组在术前与术后1天VAS评分和ODI评分有显著性差异(P<0.05)。术后3月、6月及12月组间VAS评分和ODI评分无显著性差异(P>0.05)。末次随访的总体疗效奥多姆标准方面存在差异,交叉穿刺组优于传统组,交叉穿刺组末次随访奥多姆标准中优和良的评分高于传统穿刺组。(4)并发症:交叉穿刺组在术后并发症方面优于传统穿刺组,其中椎体塌陷和后凸畸形的发生率明显低于传统穿刺组。两组间椎体塌陷发生率存在显著性差异,分别为18.6%(13人)和78.6%(55人),P<0.05。两组间后凸畸形也存在显著性差异,分布为17.1%(12人)和78.6%(55人),P<0.05。(5)骨水泥三维CT重建显示交叉穿刺组形成的骨水泥高度比传统穿刺更高,交叉穿刺组骨水泥中的孔隙比传统穿刺组更多,弥散体积更大,传统穿刺与交叉穿刺形成的骨水泥分布图形存在差异。(6)弥散系数能客观的反应骨水泥分布情况,弥散系数与椎体高度丢失率成反比,既弥散系数越大椎体高度丢失率越低,r=-0.713,R2=0.508。(7)塌陷组与非塌陷组在术后3月、6月及12月的VAS和ODI存在显著性差异(P<0.05),末次随访Odom标准在塌陷组80.9%为满意,19.1%为差。末次随访Odom标准在非塌陷组79.1%为优,18.1%为良。说明椎体是否塌陷将影响患者的满意度,发生塌陷后患者满意度显著降低。(8)回归分析显示使用传统穿刺方法、骨密度≤-3、弥散体积<7.5、弥散系数<1.5、高度恢复比≥100%、楔形角恢复比≥50%的患者更容易发生椎体塌陷。(9)交叉穿刺法和传统穿刺法形成的全分布骨水泥病例对比发现,骨水泥全分布形成率分别占97.1%(68/70),12.8%(9/70),两组间骨水泥注射量、弥散系数存在显著性差异,P<0.05,弥散体积无显著性差异,P>0.05。交叉穿刺组椎体塌陷发生率(更高)和临椎骨折发生率(更低)均有显著性差异,P<0.05。结论(1)对比传统穿刺,交叉穿刺注射骨水泥形成弥散系数更大,骨水泥分布图形存在差异。交叉穿刺组形成的骨水泥高度比传统穿刺更高,孔隙比传统穿刺组更多。(2)交叉穿刺PVP治疗OVCF术后3月内疗效与传统穿刺类似,术后6月时交叉穿刺组表现出良好的椎体抗压缩能力,传统穿刺组椎体塌陷发生率远高于交叉穿刺组。(3)弥散系数能客观的反应骨水泥分布情况,在一定的骨水泥注射量下,弥散系数与椎体高度丢失率成反比,既弥散系数越大椎体高度丢失率越低。(4)传统穿刺方法、骨密度≤-3、弥散体积<7.5、弥散系数<1.5、高度恢复比≥100%及楔形角恢复比≥50%的患者更容易发生椎体塌陷。(5)交叉穿刺方法的骨水泥全分布图形形成率明显优于传统穿刺方法,传统穿刺组需要注入更多的骨水泥,椎体塌陷率更低,但显著增加了临椎骨折发生率。