精选文献 | 骨质疏松患者脊柱内固定技术的进展

单位：重庆医科大学附属第一医院骨科

来源：临床骨科杂志

骨质疏松症是以骨量减少、骨的微细结构退化、骨强度降低为特征,致使骨的脆性增加以及骨折危险性增加的一种全身性代谢性骨骼疾病。在骨质疏松椎体中,融合失败导致椎弓根螺钉断裂、脱出的发生率很高,强化骨-钉界面是提高内固定稳定的关键。然而,Okuda 比较年轻患者组与70岁以上患者组腰后路融合内固定术的融合率,发现老年患者组延迟融合率大于年轻患者组,但总的融合率差异无统计学意义。因此,骨质疏松症与脊柱内固定手术预后、影像学的低融合率、椎体高度恢复的丢失之间的联系需进一步研究。不管哪种类型的脊柱内固定手术,内固定技术对手术预后至关重要,内固定的选择、螺钉的强化及设计、融合技术等能提高内固定在骨质疏松椎体中的稳定性。

1椎弓根螺钉强化技术

骨密度是直接影响脊柱内固定手术的生物力学因素,如螺钉的疲劳耐受、拔出力、旋入扭矩,即骨密度是影响内固定稳定的关键因素。目前仍未研制出能够明显提高患者围手术期脊柱骨密度的药物,在骨量降低的椎体中,生物力学及临床研究都证明用骨水泥强化技术可显著提螺钉的拔出力。Chen的严重骨质疏松椎体模型实验研究表明,不管是锥形螺钉还是圆柱形螺钉,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 预填充强化实心螺钉组的平均最大轴向拔出力显著高于PMMA注射强化空心螺钉组,拔出螺钉后发现骨水泥渗入松质骨孔洞中形成了骨水泥复合体,并且拔出总是发生在骨-骨水泥复合体交界区,而不会发生在螺钉-骨水泥复合体交界区,因为后者界面的抗拔出力更强。这说明骨水泥强化技术是一个重要的影响因素,如何提高骨-骨水泥复合体界面的强度才是关键。

临床上常用的骨水泥有PMMA、磷酸钙骨水泥(Ca P)、硫 酸 钙 骨 水 泥 (CSC)、羟 基 磷 灰 石(HA)。目前应用最多的是PMMA,尽管PMMA单体有毒性且无法降解,但其在增加椎弓根螺钉把持力上似乎优于Ca P、HA。各文献报道同一骨水泥强化效果差异很大,原因是骨密度的差异和骨水泥注射技术的影响。Yi比较HA、Ca P、PMMA 3种骨水泥强化椎弓根螺钉的拔出力,结果表明PMMA强化比HA及Ca P强化有更高的拔出力,HA在增加拔出力上与骨密度成一定的正相关性。Ca P、HA的骨诱导性及骨传导性可以促进骨的生长和矿化,并且Ca P固化是吸热反应,其渗漏损伤周围组织的风险较PMMA低,但在增加螺钉拔出力上Ca P不及PMMA。

另一个限制Ca P在临床应用的因素是其固化时间需要24 h,吸收时间为4 ~ 6周,这意味着其不能为植入螺钉时提供即刻的稳定性,且随着时间的推移,骨整合对螺钉拔出力的影响很难测定。HA具有更高的密度和结晶化,有更大的机械强度和抗溶解能力,HA吸收很慢,可能成为临床更好的选择。Jang应用HA强化螺钉行腰椎单节段融合术,随访2年发现VAS评分、融合率、影像学参数HA组均优于非强化组,原因可能与HA强化螺钉-骨界面可降低螺钉的微动和椎间高度的丢失有关。

Gene X骨水泥是近年来新研发的一种骨水泥,由β-磷酸三钙与半水硫酸钙混合配制而成,该骨水泥兼备了CSC较强的成骨能力及Ca P缓慢降解的特点,并且进行了电荷极化处理,使骨水泥晶体结构得到改变。杨惠光等应用Gene X骨水泥结合短节段椎弓根内固定治疗骨质疏松椎体压缩性骨折伴真空征患者,取得了良好的疗效,并证实了Gene X骨水泥具有良好的生物相容性和骨诱导能力。张树芳等在山羊体内应用Gene X骨水泥强化椎弓根螺钉,发现Gene X骨水泥在3个月时已经全部降解,钉道周围代替的是大量骨组织,骨小梁排列致密,成熟骨小梁附近可见大量新生骨组织,形成良好的钉-骨结合,其生物力学强度与PMMA组相当。但该研究采用的不是骨质疏松动物模型,在不同程度骨质疏松椎体中,Gene X骨水泥强化螺钉的生物力学强度及钉道周围的组织学变化还需进一步研究。各种骨水泥有各自的优、缺点,然而到目前为止,仍无理想的椎弓根螺钉强化材料,期望能研制一种具有PMMA的优点又有骨诱导的复合材料,为临床手术提供更多的帮助。

2椎弓根螺钉的设计

由于椎弓根的解剖结构特点,椎弓根螺钉固定最大拔出力约60%由椎弓根的皮质骨决定,15% ~20%由椎体的松质骨决定,所以,不同设计的螺钉其固定强度有差异。从力学理论上,螺钉直径越大、螺钉越长、螺纹越深固定越稳定。Patel在骨质疏松模型中研究表明,6.5 mm松质骨螺钉最大拔出力显著比4.5 mm皮质骨螺钉大。Matsukawa应用三维有限元分析也得到相似的结果,但使用粗螺钉增加椎弓根骨折的风险。Strempel研究表明螺钉外径最大不应该超过椎弓根外径的80%。临床上选择最佳螺钉直径时应结合具体情况而定,比如在脊柱侧凸患者中,凹侧椎弓根往往比正常小很多,须结合患者术前CT测量结果选择螺钉直径。

漆伟等用三维有限元分析了不同长度的椎弓根螺钉对螺钉-骨复合体模型应力的影响,结果表明,椎弓根螺钉长度在30 ~ 50 mm范围内变化时,随着螺钉长度的增长,螺钉-骨复合体模型的骨质部分承担的应力均减小,而螺钉承担的应力则增加; 当椎弓根螺钉长度大于45 mm时,螺钉-骨复合体模型各部分应力变化不明显; 当螺钉长度达到50 mm时,载荷力传递到皮质骨和松质骨分别减小了43.1%和42.3%,而螺钉上则增加了38%; 这表明螺钉长度主要表现为对螺钉-骨复合体模型应力分布的影响,对最大拔出力的影响较小。Burval研究证明,螺钉置入深度为进钉点到椎弓根轴线与椎体前缘交点连线距离的80%时固定强度己够,再增加置入长度固定强度无明显增加。邓强等研究同样发现,螺钉置入深度达椎体前后径的80%时获得最大拔出力及最大拔出能量。至于螺钉直径与长度之间是否有关联,Brantley研究证明,螺钉截面积占椎弓根截面积70%以上,固定强度随着螺钉长度增加而增大。

传统使用的螺钉多为圆柱形螺钉,因锥形螺钉具有较好的抗屈曲强度,近年来锥形螺钉( 内直径为锥形,外直径为圆柱形) 的使用越来越多。Chao用三维有限元分析表明,在相同外直径下锥形螺钉比圆柱形螺钉有更高的拔出力、旋转力矩、抗屈曲强度及更长的疲劳寿命,说明锥形螺钉比圆柱形螺钉固定更确切。但Chen在严重骨质疏松椎体实验模型研究表明,不管螺钉强化与否,在最大拔出力上锥形螺钉组与圆柱形螺钉组没有显著差异。由于椎弓根特殊的解剖学结构,螺钉螺纹的设计在确保螺钉获得最佳拔出力上至关重要,但螺纹影响椎弓根螺钉稳定性的因素较多,包括坡面角度、螺距、螺纹外径,其改进目标都是为了增加骨-钉界面结合的面积。Chen认为,在使用骨水泥强化椎弓根螺钉之后,其稳定性主要由骨-骨水泥复合体界面决定。螺钉强化后其直径、长度、螺纹与拔出力的相关性需进一步研究。

膨胀式椎弓根螺钉(EPS) 经生物力学测试证明可提高在骨质疏松椎体的拔出力,在EPS置入后,螺钉前部可呈扇形撑开,螺钉尖端直径可增加2 mm左右,从而扩大螺钉与骨小梁之间的接触面积。Wu用EPS治疗80例合并骨质疏松症的腰椎管狭窄症患者,平均随访43个月后,螺钉松动率EPS组4.1% 、传统组12.9%,融合率EPS组92.5%,显著高于传统组的80.5%,术后3个月两组JOA腰椎评分和Oswestry功能障碍指数(ODI) 没有显著差异,术后12个月EPS组JOA腰椎评分和ODI均具有统计学意义,但是EPS组488枚螺钉中有2枚螺钉断裂(0.4%) ,传统组464枚螺钉中未发生螺钉断裂。唐辉等用EPS治疗25例合并骨质疏松症的腰椎管狭窄症患者也得到了良好的临床疗效。

有研究表明EPS仍比传统螺钉强化后的的稳定性低,为了提高EPS的稳定性,Chen对EPS进行了改进,螺钉前部可像'灯笼'一样张开,使螺钉前部直径可增加3 mm以上,其稳定性与2 ml骨水泥强化传统螺钉相当。因此,在骨质疏松性椎体内固定手术中EPS是一种可供选择的方案。考虑到骨水泥强化技术对螺钉稳定性的影响,近年来空心侧孔螺钉的设计研究成为热点,Choma在体外骨质疏松椎体实验中对实心螺钉、PMMA强化 实 心 螺 钉、PMMA强 化 部 分 空 心 侧 孔 螺 钉(Pfens)、PMMA强化全部空心侧孔螺钉(Ffens) 的最大轴向拔出力及不同黏度PMMA强化Ffens进行比较,结果Pfens组轴向拔出力最大,高黏度PMMA强化Ffens最大平均轴向拔出力高于低黏度PMMA组,但Pfens的机械强度如何及侧孔的数量、位置与拔出力是否存在相关性需进一步的研究。

3攻丝对椎弓根螺钉旋入扭矩和把持力的影响

有研究证明在增加螺钉拔出力上其设计比旋入扭矩更重要,然而,Kuklo研究发现丝锥和螺钉的大小对螺钉的拔出力有重要影响,并发现丝锥直径应比螺钉直径小1mm。Helgeson对20例BMD平均为(0.60 ± 0.07)g /cm2的体外人体胸椎进行生物力学分析,发现使用2.5 in-lbs攻丝与1.5 in-lbs攻丝相比,攻丝旋入扭矩峰值增加50% 、螺钉旋入扭矩增加19% 、螺钉的拔出力增加23% 、螺钉的直径显著增加,最佳大小螺钉的比例也显著增加(60% vs 27%)。该研究证明攻丝旋入扭矩可能直接影响椎弓根螺钉旋入扭矩及拔出力,因此,临床上可利用攻丝作为选择螺钉的一个依据和提高螺钉的拔出力。

Chen 研究发现,在严重骨质疏松椎体模型中PMMA强化空心侧孔螺钉之前攻丝并不能增加螺钉的把持力,原因可能是骨密度对攻丝的效果有决定性影响,在严重骨质疏松椎体中螺钉置入很容易,攻丝的旋入扭矩并没有差别; 另一方面,在使用骨水泥强化钉道下,骨-骨水泥复合体界面的强度是决定螺钉把持力的关键,因此攻丝在增加螺钉稳定性上可能并无太大作用。然而,Kuhns 研究发现,在重度骨质疏松椎体模型中,使用骨水泥强化螺钉之前进行攻丝,可以使螺钉的把持力增加50%左右,且螺钉把持力随着攻丝深度增加而增大,原因可能是攻丝使螺钉周围的骨水泥分布更好。在应用骨水泥强化钉道条件下是否需要攻丝这一操作步骤还须更高等级的基础或临床研究予以证实。在临床中是否采用攻丝可根据患者具体情况及螺钉来决定。

4骨质疏松与脊柱融合技术

前后路360°的融合可以提供良好的稳定性及减少螺钉的载荷,目前常用的椎间融合方法主要有椎间植骨术和融合器置入术两大类。自体髂骨融合仍为椎间融合效果的金标准,但其生物力学强度较椎间融合器(cage) 低,不能为术后提供即可的稳定性,可能须增加术后卧床时间,同时自体骨块的大小和形状术中难以精确掌握。关于骨质疏松是否对不同植骨材料的应用效果产生影响,目前缺乏全面的报道。

聚醚醚酮(PEEK) 材料cage因具有机械强度高、弹性模量更接近椎体模量和良好的组织相容性在临床上应用越来越广泛。在低骨量椎体中,cage下沉容易导致术后邻近节段的退变,cage位置及其材质的不同也可能加速下沉,所以对于骨质疏松患者椎间融合器可能需要特别的设计。Galbusera用有限元分析了三明治cage与各种均质材料cage的生物力学差别,在500 N垂直压力及7.5Nm屈伸、侧屈、旋转3个主要方向上测试,结果三明治cage组下沉位移< 0.6 mm,均质材料cage组下沉位移1 mm,原因可能是不同弹性模量的内固定材质影响了载荷的分布。因此,增加cage与终板之间的接触压力可能会加速cage下沉。

Oh应用PEEK cage行后路腰椎椎间融合术,研究发现BMD T值< - 3.0 SD与cage显著下沉(> 3mm) 有显著相关性,BMD T值≥ - 3.0 SD与cage下沉无显著相关性,并且cage下沉与VAS评分、ODI评分、SF-36评分无相关性,原因可能是腰椎融合术后其预后与融合状态、脊柱矢状面平衡、术中神经减压是否充分有关。Kim对40例低BMD的腰椎退行性后凸畸形患者行矫形手术,术后随访2年,发现骨质疏松与术后脊柱-骨盆矢状面失衡、假关节形成、cage下沉无相关性,术中骨盆入射角(PI) 及腰椎前凸角(LL) 的恰当矫正与术后脊柱-骨盆矢状面失衡、假关节形成有显著相关性,原因可能是手术本质上使脊柱生物力学得以矫正,因而脊柱后方伸肌负荷减小,脊柱-骨盆矢状面重新建立平衡是决定预后的关键。 

5骨质疏松与近端交界性后凸畸形

理论上长节段固定、矢状面和冠状面的整体平衡增加内固定稳定性,多个内固定点可以减少单个螺钉上的载荷。Kim对206例脊柱侧凸矫形手术研究发现,老年(≥60岁) 患者组更多节段的固定及更大矢状面平衡矫正,术后近端交界性后凸(PJK) 的发生率增高。退变性脊柱侧凸患者行长节段固定融合,其上端融合椎的选择尚存在争议,目前没有公认的融合原则可以参考,多数学者认为近端应固定于胸廓这个稳定的区域,即T10或T10以上,而Kim对125例成人腰椎畸形患者行矫形手术,所有患者远端固定于L5或S1,上固定椎分为T9 ~ 10、T11 ~ 12、L1 ~ L23组,术后最少随访2年,结果3组患者术后PJK发生率、整体矢状面平衡及临床疗效评分差异均无统计学意义。

赵耀等[33]分析了老年患者脊柱术后发生胸腰段PJK与矢状位参数的相关性,认为胸椎、腰椎、骨盆的平衡及总体平衡状态与PJK有密切关系,若存在失衡代偿,手术中恰当的脊柱矢状位平衡恢复,可减少PJK的发生率。

初次手术时如何预防PJK的发生,综合相关文献分析有以下要点:①最上固定椎选择稳定椎或中立椎;②脊柱矢状位平衡的恢复,构建协调的脊柱曲线;③避免过度矫正;④近端固定采取非坚强固定( 钩或动态固定) ;⑤最上固定椎及邻椎强化;⑥当近端融合椎位于胸椎时,预弯出胸后凸,避免医源性交界性后凸。以上技术层面的措施对预防PJK的发生有一定作用,但骨质疏松是脊柱矫形术后发生PJK的一个不可控危险因素,脊柱退行性疾病内固定术后发生PJK的发病机制尚无定论,需进一步深入研究。 

6展望

目前众多类型椎弓根螺钉固定效果不一,针对不同程度骨质疏松患者及不同疾病术前计划很重要,内固定的选择、融合方式及节段的选择、螺钉置入技巧须根据患者具体情况及手术医师的经验而做出最优化的方案。螺钉强化技术及长节段融合可增加内固定的稳定性,多种手术技术的灵活应用可以减少手术的并发症,未来将更加注重骨-骨水泥复合体界面的研究,开发出新的椎弓根螺钉强化材料是难点也是热点。

征文

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