定向弧形骨钻用于椎体成形术的实验研究*

张 军 王新虎 左春光

(陕西省宝鸡市中心医院脊柱外科,宝鸡 721008)

·实验研究·

定向弧形骨钻用于椎体成形术的实验研究*

张 军 王新虎**左春光

(陕西省宝鸡市中心医院脊柱外科,宝鸡 721008)

目的观察自制定向弧形骨钻在体外骨质疏松椎体成形术中的手术效果。方法采用乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-Na2)浸泡法制备小牛体外骨质疏松椎体，将40个成功制备的骨质疏松椎体随机分为A、B 2组，每组20个椎体行椎体成形术，A组常规直钻穿刺，B组采用自制定向弧形骨钻穿刺，弧形方向朝向穿刺对侧，深度达到椎体中前1/3终止，对2组穿刺骨钻钻头距椎体对侧外缘距离、骨水泥是否达到或越过椎体矢状中线进行比较。结果EDTA-Na2浸泡法脱钙9 d成功制备出体外骨质疏松椎体。A组钻头距对侧椎体外缘(2.50±0.32)cm，与B组(0.90±0.26)cm有显著性差异(t=17.354,P=0.000)；A组骨水泥分布达到或越过椎体矢状中线椎体数为11个，B组 19个，2组比较有统计学差异(Fisher’s检验，P=0.004)；A组9个椎体发生骨水泥椎管内渗漏，B组4个椎体，2组骨水泥渗漏无显著性差异(Fisher’s检验，P=0.176)。结论自制定向弧形骨钻通过一侧椎弓根穿刺，可以建立一个达到或越过椎体矢状中线的骨性通道，引导骨水泥向穿刺对侧分布，避免了双侧椎弓根穿刺的弊端，实验效果优于直骨钻, 但在骨水泥渗漏的预防方面并未表现出优势。

椎体成形术； 骨质疏松； 压缩骨折； 骨钻

骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF)是脊柱外科医生遇到的一个常见问题，由于接受保守治疗的患者需要卧床休息2～3个月，导致骨质疏松进一步加重，易发生严重的并发症甚至死亡[1]。经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty，PVP)与经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty，PKP)治疗OVCF取得了满意疗效[2]。但PVP和PKP行单侧椎弓根穿刺常会遇到骨水泥仅局限分布于穿刺侧，为获得更好的临床疗效，手术医师需要增加对侧椎弓根穿刺，这样必然增加射线暴露和穿刺风险。为克服上述缺陷，我们自行设计了定向弧形骨钻用于改良椎体成形术，在体外骨质疏松椎体模型中实现了经单侧椎弓根穿刺引导骨水泥达到或越过椎体矢状中线分布，报道如下。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 椎体 收集9头新鲜健康6月龄小牛T10～L5椎体共72个椎体，除去肌肉、韧带、椎间盘等软组织制备单椎体。将椎体连续编号后，采用随机数字表随机分为9组，每组8个椎体。

1.1.2 XR-36型双能X线吸收骨密度仪(Norland A CooperSurgical Company)、自制定向弧形骨钻(专利号：ZL201320596042.7，图1) 自制定向弧形骨钻由钛金属合金制成，纺锤形钻头与体部直径3.2 mm，与普通穿刺套管内径相匹配，颈部直径1.5 mm，具有30°弧度，钻头穿出工作套管后骨钻颈部即刻恢复弹性弧度。钻体部带有刻度，可用尾部的T形手柄在透视下控制钻的深度及弧形方向。

1.1.3 化学药品 乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-Na2，国产分析纯，分子量372.24)、氢氧化钠(NaOH，国产分析纯，分子量40)、10%甲醛溶液等。

1.2 实验方法

1.2.1 参照张智海等[3]建立的体外椎体骨质疏松模型方法，将9组小牛椎体浸泡于0.4916 mmol/L EDTA-Na2溶液中。分别在浸泡前、浸泡3、6、9 d任意取出1组进行骨密度(bone mineral density,BMD)检查，直至确定体外骨质疏松椎体模型制备成功。余下5组制备成功的骨质疏松椎体用于下一步椎体成形实验。

1.2.2 将制备成功的5组共40个骨质疏松椎体重新连续编号，采用随机数字表随机分为A、B 2组，每组20个椎体。在透视下应用PVP穿刺技术对奇、偶数编号的椎体分别进行左、右单侧椎弓根穿刺。穿刺点选择在横突与上关节突交界处，穿刺方向与椎弓根方向一致，将穿刺套管针置于椎体后缘前方约5 mm处，拔出针芯，保留工作套管。经工作通道，A组采用常规直钻穿刺，B组采用自制定向弧形骨钻穿刺，在C形臂X线机透视下通过T形手柄控制弧形方向朝向穿刺对侧，深度达到椎体中前1/3终止(图2)。

1.2.3 A、B 2组拔出穿刺骨钻，保留工作套管，将调配好的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(polymethyl methacrylate,PMMA)注入骨水泥推杆，待骨水泥处于团状期早期经工作通道缓慢推入椎体。2组骨水泥注入量均按照三维CT测算椎体体积的16%注入。

1.3 检测方法

每到夜间，木材厂的大门洞开，不时有面的、小货车等开到院子，从封闭的车厢或者塑料布掩盖着的车斗卸下一些木材，在木材厂会计手里领了现金匆匆而去。也有用大货车拉木料进来的，这时候是贾鹏飞比较忙碌的时候，不但要指挥，还要和工人们一起把木料卸到指定的、也是较隐蔽的地方。在慢慢的工作过程中，贾鹏飞了解到这些木材都是没有经过审批而盗伐的，虽说林业部门也查得严，但经不住这庞大的盗伐游击队伍的疲劳战，被拦截的是极少数“火背”的小贩子。木材只要进入了木材加工厂，不合法也合法了，因为木材加工厂作为森工企业，有合法的手续，据说这些企业和林业部门的关系也非同一般。

1.3.1 通过EDTA-Na2溶液浸泡前后椎体的剖面肉眼观、X线检查、显微镜下病理改变、双能X线测骨密度变化确定体外骨质疏松椎体制作成功。

1.3.2 骨钻穿刺成功后行CT平扫,分别记录A、B 2组钻头距离椎体对侧外缘距离(图3)；骨水泥注入后行CT平扫及X线正位片,确定2组骨水泥分布达到或超过椎体矢状中线的椎体数(图4)，以及骨水泥向椎管内发生渗漏的椎体数。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 骨质疏松椎体模型的制作

EDTA-Na2溶液浸泡脱钙9 d后，BMD较脱钙前降低26.0%，符合1998年WHO制订的骨质疏松诊断标准，见表1。随着脱钙时间的延长，肉眼及病理切片观察可见各组标本骨小梁逐渐变细、间隙增宽(图5)。X线检查见骨小梁稀疏透亮，骨量减少。

表1 EDTA-Na2溶液浸泡脱钙后椎体骨密度随时间变化情况 g/cm2

图1 定向弧形骨钻 由钛金属合金制成，纺锤形钻头与体部直径3.2 mm，与普通穿刺套管内径相匹配，颈部直径1.5 mm，有30°弧度，钻头穿出工作套管后骨钻颈部即刻恢复弹性弧度。钻体部带有刻度，可用尾部的T形手柄在透视下控制钻的深度及弧形方向 图2 a、b.直骨钻与定向弧形骨钻在体外小牛骨质疏松椎体内的穿刺剖面图，相同角度下单侧椎弓根穿刺后，弧形骨钻的钻头可以更好地越过椎体矢状中线。c、d.在CT平扫下，经过同一工作穿刺通道时，直钻钻头距离椎体矢状中线5 mm，弧形骨钻可以达到并越过椎体矢状中线 图3 骨钻穿刺效果测量方法示意图 直骨钻与定向弧形骨钻穿刺达椎体中前1/3时，于椎体轴位测量钻头与对侧椎体外缘的距离，a、b分别为直骨钻与定向弧形骨钻的测量值图4 a.直骨钻单侧椎弓根穿刺后注入骨水泥的正位X线片显示，骨水泥呈单侧分布；b.定向弧形骨钻单侧椎弓根穿刺后注入骨水泥的正位X线片显示，骨水泥可以越过椎体矢状中线分布，甚至在穿刺对侧椎体内分布 图5 a. 制作模型前正常的小牛椎体骨质，骨小梁连续，结构正常 HE染色 ×40；b. EDTA-Na2溶液浸泡9 d后，骨小梁稀疏、断裂、减少，骨质疏松形成 HE染色 ×40

2.2 骨钻在椎体内穿刺及骨水泥分布

表2 2组骨钻穿刺效果、骨水泥分布情况及骨水泥渗漏率

*Fisher’s检验

3 讨论

3.1 体外骨质疏松椎体模型的研究

随着社会人口老龄化，骨质疏松性椎体骨折逐年增多，开展对骨质疏松椎体骨折的内固定材料及生物力学研究成为国内外研究的一个热点。目前，最常用于评价生物学材料和内固定生物力学效用的模型是小牛脊柱标本[4]，建立体外牛椎体的骨质疏松模型已有报道[5]，张智海等[3]报道制作体外猪椎体的骨质疏松模型。本研究选用小牛脊柱作为研究对象，基于其来源广泛、标本的均一性好，所选节段的椎体及椎弓根大小与成人相近，便于实验数据更有临床应用价值。短期内制作体外椎体骨质疏松模型以往有硝酸法、双氧水法，但硝酸法对骨质破坏较大，双氧水法只是改变骨质的弹性模量。张智海等[3]使用0.4916 mmol/L EDTA-Na2溶液为pH值中性的脱钙剂，改变骨密度的程度随着脱钙时间是可控的，椎体中的钙和矿盐可以被EDTA-Na2所螯合，通过脱矿的方法使钙磷分离，最终骨小梁变细，椎体内骨量减少，达到体外制备骨质疏松椎体模型的目的。因此，EDTA-Na2溶液脱钙法制备骨质疏松椎体具有快速、简单、可重复性好等优点，可以满足体外椎体成形术实验研究的需要。

3.2 椎体成形术单双侧穿刺的选择

椎体成形/后凸成形术(PVP/PKP)具有缓解疼痛快、创伤小等优点，被认为是治疗骨质疏松椎体压缩性骨折的有效方式，在穿刺方式上分为单侧穿刺与双侧穿刺。Tohmeh等[6]比较了单侧与双侧PVP对椎体生物力学性能修复的影响，通过单侧穿刺注入6 ml与双侧穿刺共注入10 ml PMMA骨水泥对比，结果显示2组术后椎体强度均明显增加，均能将骨折椎体的刚度修复到原始水平，但双侧注射能更好的恢复椎体的强度。Steinmann等[7]比较单、双侧球囊PKP对椎体生物力学性能修复的影响，单侧组平均注入PMMA骨水泥2.2 ml，双侧组平均每个椎体注入PMMA骨水泥3.9 ml，2组均能在一定程度上修复椎体的强度和刚度。修复椎体强度仅需注入椎体体积16%的PMMA骨水泥填充[8]，因此，本研究选择注入椎体体积16%的骨水泥量观察骨水泥在椎体内的分布效果。虽然PVP/PKP中单侧与双侧穿刺在修复椎体的强度和刚度方面无显著性差异，但单侧穿刺较双侧具有创伤小，手术时间短，穿刺风险低，能减少放射暴露和器械费用等优点，所以目前多数术者愿意选择单侧穿刺。

3.3 定向弧形骨钻的研究意义

虽然目前绝大多数研究认为PVP/PKP单、双侧穿刺具有相同的术后止痛效果，但此结论是建立在单侧穿刺骨水泥跨椎体中线分布基础之上的研究。然而在临床实际手术过程中，由于穿刺点选择偏外及进针内倾角度不理想等原因，单侧穿刺骨水泥会呈现单边分布，骨水泥未达到或越过椎体中线，这样术后止痛效果较差甚至可能出现穿刺椎体对侧再骨折的情况。陈柏龄等[9]研究显示单侧穿刺椎体成形时，骨水泥分布过中线时两侧椎体刚度可同时得到显著强化，若骨水泥填充不过椎体中线时，则非穿刺侧刚度明显低于穿刺侧。目前，国内外解决骨水泥分布的主要方法是强行加大穿刺的内倾角度，同样会增加穿刺通道突入椎管的风险，若补充对侧穿刺则会增加手术时间、再次穿刺风险及医患暴露射线的剂量。此外，传统的穿刺针尖到位点是椎体前中1/3部位，这个部位注射骨水泥时因为骨水泥具有液体性能，一般规律是顺针尖的方向和向压力低的部位流动。因此，骨水泥在椎体前缘分布比较好，而针的附近和椎体两侧，椎体后1/3部位分布不理想[10]。

可见，依靠传统的工具经单侧穿刺注入骨水泥使骨水泥在椎体内均衡分布有时是很难实现的。我们设计制作的定向弧形骨钻(专利 ZL201320596042.7)，利用其弹性弧形的前端改变椎体内骨通道的方向，进而引导骨水泥到达椎体内理想的位置，实现一侧椎弓根穿刺骨水泥椎体内双侧分布的目的。本研究中定向弧形骨钻与普通直骨钻单侧穿刺对比显示，2组穿刺后钻头距穿刺椎体对侧外缘距离有显著性差异(P<0.05)，定向弧形骨钻能更好地越过椎体矢状中线从而到达穿刺对侧。根据骨水泥沿低压灌注分布原理，注入骨水泥后对比发现，定向弧形骨钻组骨水泥分布达到或超过中线的椎体数为19个(95%)，对照组仅11个椎体(55%)，2组比较有统计学差异(Fisher’s检验，P=0.004)。本研究2组均有较高的骨水泥渗漏率，定向弧形钻组20%，对照组45%，但无统计学差异(Fisher’s检验，P=0.176)。本实验中骨水泥渗漏率高于临床报道的15%，分析原因可能与体外椎体无前、后纵韧带覆盖保护及椎体内滋养血管缺失导致的椎体内孔隙较大有关。2组骨水泥渗漏率无统计学差异，说明定向弧形骨钻在体外椎体成形术中预防骨水泥渗漏无显著性优势，此或为其局限性，但需要在今后临床患者椎体成形术的研究中进一步证实。

综上所述，自制定向弧形骨钻通过一侧椎弓根穿刺，可以建立一个达到或越过椎体矢状中线的骨性通道，进而引导骨水泥分布达到或越过椎体中线。同时，定向弧形骨钻可以在360°的锥形范围内改变骨性穿刺通道的方向，对于一次穿刺不理想的工作通道可以应用定向弧形骨钻调整穿刺方向，引导骨水泥正确分布，增加了PVP/PKP手术的可操控性，避免双侧椎弓根穿刺的弊端，优于传统的直骨钻。

1 杨丰建,林伟龙,朱 炯,等.经皮椎体成形术和经皮椎体后凸成形术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折.中国脊柱脊髓杂志,2011,21(1):50-54.

2 Eck JC,Nachtigall D,Humphreys SC,et al.Comparison of vertebroplasty and balloon kyphoplasty for treatment of vertebral compression fracures:a meta-analysis of the literature. Spine,2008,8(3):488-497.

3 张智海,沈建雄,吴志宏,等.快速制备骨疏松性椎体压缩性骨折的动物模型研究.中国骨质疏松杂志,2005,11(1):19-21.

4 Martin-Monge E,Tresguerres IF,Blanco L,et al.Tresguerres JA.Validation of an osteoporotic animal model for dental implant analyses: an in vivo densitometric study in rabbits.Int J Oral Maxillofac Implants,2011,26(4):725-730.

5 Akbay A, Bozkurt G, Ilgaz O, et al. A demineralized calf vertebra model as an alternative to classic osteoporotic vertebra models for pedicle screw pullout studies.Eur Spine J，2008,17(3):468-473.

6 Tohmeh AG,Mathis JM,Fenton DC,et a1. Biomechanical efficacy of unipedicular versus bipedicular vertebroplasty for the management of osteoporotic compression fractures．Spine,1999,24(17):1772-1776．

7 Steinmann J,Tingey CT,Cruz G,et a1．Biomechanical comparison of unipedicular versus bipedicular kyphoplasty．Spine (Phila Pa 1976),2005,30(2):201-205．

8 Molloy S，Mathis JM，Belkoff SM．The effect of vertebral body percentage fill on mechanical behavior during percutaneous vertebroplasty．Spine,2003，28(14):1549-1554.

9 陈柏龄,谢登辉,黎艺强,等.单侧PKP骨水泥注射过中线分布对压缩性骨折椎体两侧刚度的影响.中国脊柱脊髓杂志,2011,21(2):118-121.

10 宓士军,高景春,周广军,等.导向器引导下单侧经椎弓根穿刺行椎体成形术的临床应用.中国微创外科杂志,2010,10(1):74-77.

(修回日期：2014-05-17)

(责任编辑：李贺琼)

AnExperimentalStudyofSelf-madeDirectionalArcuateBoneDrillinPercutaneousVertebroplasty

ZhangJun,WangXinhu,ZuoChunguang.

DepartmentofSpinalSurgery,BaojiMunicipalCentralHospital,Baoji721008,China

WangXinhu,E-mail:wxhdoc@163.com

ObjectiveTo explore the application value of self-made directional arcuate bone drill during vertebroplasty by observing its operative effects for osteoporosis in vitro.MethodsEDTA-Na2was used to soak the prepared vituline osteoporotic vertebral bodies in vitro. A total of 40 osteoporotic vertebral bodies were randomly divided into Group A and B, with each group having 20 vertebral bodies for vertebroplasty. The Group A underwent a puncture by routine straight bone drill, while the Group B

a puncture by self-made directional arcuate bone drill with the arc directing toward the contralateral, which terminated when the drill reached the first 1/3 of vertebral body. Finally, statistical analysis was conducted on the distance between the bone drill bit and exterior margin of contralateral vertebral body, as well as whether bone cement reached or went over the vertebral sagittal midline.ResultsThe osteoporotic vertebral bodies were successfully prepared in vitro by using EDTA-Na2immersion decalcifying for 9 days. In the Group A, the drill bit was (2.50±0.32) cm away from contralateral exterior margin of vertebral bodies, which was significantly different from that in the Group B (0.90±0.26) cm (t=17.354,P=0.000). The bone cement reached or went over the vertebral sagittal midline in 11 vertebral bodies in the Group A and in 19 vertebral bodies in the Group B, with statistical difference (Fisher’s test,P=0.004). The intraspinal bone cement leakage occurred in 9 vertebral bodies in the Group A and 4 in the Group B, without significant difference between the two groups (Fisher’s test,P=0.176).ConclusionThe self-made directional arcuate bone drill can build an osseous channel that reach or go over the vertebral sagittal midline and guide bone cement distributed to contralateral puncture, which avoids the disadvantages of bilateral vertebral pedicular puncture. The result shows that the self-made directional arcuate bone drill has more adventages in vertebroplasty than that of traditional straight bone drill but doesn’t have significant advantages in preventing bone cement leakage.

Percutaneous kyphoplasty; Osteoporosis; Compression fracture; Bone drill

*陕西省科学技术研究发展计划项目(项目编号：2014K11-03-06-10)

R-332

：A

：1009-6604(2014)07-0653-05

10.3969/j.issn.1009-6604.2014.07.024

2014-01-13)

**通讯作者，E-mail：wxhdoc@163.com