背景胸腰椎骨折是脊柱外科的常见损伤,占脊柱损伤的10%-20%,近年来随着我国国民经济的发展及社会老龄化,工矿企业伤、交通伤及老年伤病造成脊柱骨折的发生率逐年增加,传统治疗胸腰椎骨折的方法是采用后路短节段椎弓根内固定术(short-segment posterior instrumentation, SSPI),它通过撑开复位使椎体高度恢复,纠正脊柱畸形,伸展后纵韧带使突入椎管内骨块达到一定程度的复位和减压。但其术后高度、角度的丢失及较高的内固定失败率是其在治疗胸腰椎骨折中所面临的巨大挑战,日益受到学者的重视。生物力学试验和影像学研究表明,不同向量的力均可造成椎体压缩骨折,椎体发生骨折时不仅外部皮质破损,椎体内的松质骨亦被压缩,椎弓根螺钉利用对前、后纵韧带和椎间盘纤维环的牵拉复位作用,虽能基本恢复伤椎的高度及外形,但对椎体内部松质骨的复位作用却十分微弱,骨折椎体经椎弓根钉复位后椎体内均出现明显的空隙,平均为5.25cm3,占椎体总体积的13.9%,对椎弓根钉复位后的椎体行CT扫描发现所有爆裂骨折椎体的内部特别是椎弓根层面的椎体前部依然存在骨缺损区域,其体积约为椎体大小的1／4,即形成所谓的“蛋壳样”空心椎,腔隙的存在意味著脊柱负重后出现椎体高度丢失的可能行,椎间盘纤维环不能得到有效支撑,造成椎体终板塌陷,后凸畸形以及内固定失败等并发症。椎间隙高度的丢失使脊柱前中柱丧失结构上的完整性,如不进行有效重建,内固定物长期承受过度载荷,晚期易发生内固定失败、骨折椎体塌陷及矫正度的丢失。伤椎重建术是经椎弓根通道完成伤椎终板复位,并向伤椎椎体空腔内置入不同填充材料以重建伤椎的生物力学特性,维持伤椎复位形态,减轻内固定物的应力负荷,从而减少术后并发症的发生。目前SSPI结合伤椎重建术主要用于治疗胸腰椎爆裂骨折；而经皮椎体成形术(Percutaneons vertebroplasty, PVP)和经皮椎体后凸成形术(Percutaneons kyphoplasty,PKP)主要用于治疗老年骨质疏松性压缩骨折,这两项技术都是经椎弓根通道完成椎体内重建,恢复伤椎的力学性能和减轻疼痛,但各有其适应症选择。本研究通过对经椎弓根通道椎体重建范围的解剖学研究,伤椎重建术治疗胸腰椎创伤性压缩骨折的生物力学研究,不同填充材料修复羊椎体内骨缺损动物载体实验及组织学研究,应用伤椎重建术治疗胸腰椎骨折的临床研究及椎体后凸成形装置的研制等方面,为经椎弓根伤椎重建术治疗胸腰椎骨折提供实验依据和临床指导。一、经椎弓根椎体重建术的解剖学研究目的：探讨胸腰椎经椎弓根通道行椎体重建术的相关径线及重建范围。方法：取5具新鲜人体胸腰椎标本,节段为T10-L2椎体,行X线及CT扫描(层厚为0.625mm,无间隔),将所得数据导入到Mimics软件中,测量每个椎体的椎弓根轴线长度(L)、椎弓根长度(L0)、宽度(W)及高度(H0)、椎体高度(H)、椎弓根入点在横断面可变化角度(α)及椎弓根入点在矢状面可变化角度(β),进一步计算出经单侧椎弓根通道行椎体重建术植骨的体积以及经椎弓根椎体重建占相应椎体体积的百分数。结果：T10-L2椎体椎弓根轴线长度平均分别为32.64±5.66mm、31.80±6.41mm、38.46±3.52mm、40.31±4.39mm及42.72±3.36mm。T10-L2椎体椎弓根长度平均分别为12.38±2.06mm、11.77±2.15mm、14.63±2.34mm、15.46±3.04mm及14.37±1.64mm；椎弓根宽度平均分别为5.09±0.26mm、5.79±1.10mm、7.35±1.87mm、7.17±0.69mm及7.14±0.84mm；椎弓根高度平均分别为9.76±1.43mm、10.83±0.77mm、11.16±0.78mm、11.33±1.26mm及11.16±0.96mm。椎体的平均高度平均分别为18.12±0.88mm、19.48±1.02mm、21.25±1.27mm、22.88±0.68mm及23.20±0.93mm。椎弓根入点在横断面可变化角度(α)平均分别为25.06±3.84°、30.87±7.28°、25.12±5.18°、20.55±1.54°及21.74±2.58°；椎弓根入点在矢状面可变化角度(β)平均分别为43.60±4.52°、49.48±10.30°、41.97±5.19°、40.29±6.49°及42.85±6.47°。T10-L2椎体经单侧椎弓根行椎体重建术植骨的体积平均分别为1.02±0.36cm3、1.30±0.43cm3、1.96±0.67cm3、1.84±0.48cm3及1.94±0.41cm3,占相应椎体体积的百分数分别为53.95%、55.68%、52.67%、49.5%及48.14%。结论：经椎弓根通道可有效行终板下复位及椎体内空腔填充,完成椎体重建术。二、伤椎重建治疗胸腰椎创伤性压缩骨折的生物力学研究目的：探讨胸腰椎骨折中采用不同填充材料行伤椎椎体重建术的生物力学特性及形态学变化。方法：取6具新鲜人体胸腰椎标本(T12-L2),应用INSTRON8874生物力学测试机制备成L1椎体创伤性压缩骨折模型,随机分为丙烯酸树脂骨水泥组及同种异体骨组,进行伤椎重建术。测试完整、损伤及椎体重建即刻三种状态下L1椎体的刚度、弹性模量、极限压缩强度,通过数据得出加载过程中椎体的应力应变关系。同时行不同状态下的X线及CT扫描,以观察椎体压缩骨折、复位及重建后影像学变化。测试结束后,两组分别随机选取一具标本,将L1椎体中部横断,观察L1椎体内大体形态学变化。结果：两种填充材料结合伤椎重建术可使L1椎体高度恢复至完整状态的98.95%。丙烯酸树脂骨水泥和同种异体骨行伤椎重建后即刻状态的整体刚度和弹性模量与完整及损伤状态相比差异有统计学意义(P<0.05)；两组间伤椎重建后即刻状态的整体刚度和弹性模量相比差异无统计学意义(P>0.05)。丙烯酸树脂骨水泥和同种异体骨组伤椎重建后极限抗压强度与完整状态相比差异有统计学意义(P<0.05)；两组间伤椎重建后极限抗压强度相比差异有统计学意义(P<0.05)。影像学显示伤椎重建术能有效的恢复椎体高度,达到解剖复位。重建后标本CT扫描及椎体横断剖面显示,未见骨水泥断裂,同种异体骨组可见骨块紧密嵌差。结论：丙烯酸树脂骨水泥或同种异体骨结合伤椎重建术可有效维持创伤性压缩骨折的复位及生物力学强度。三、不同填充材料在修复羊椎体内骨缺损的组织学研究目的：观察不同填充材料在修复羊椎体内骨缺损中的吸收与成骨特性。方法：采用成年健康山羊6只,全麻后俯卧位,从后方显露羊胸腰椎T12-L6节段,经双侧椎弓根开孔,深入刮匙,尽可能刮除椎体内松质骨形成骨缺损。每只羊的L1-6椎体分为四组,分别填充羊同种异体骨组、丙烯酸树脂骨水泥组及Cem-OsteticTM人工骨浆组,T12椎体空腔未填充作为空白对照。于术后4周、8周及12周分别处死2只动物,取出T12-L6椎体行CT扫描,观察椎体内骨缺损修复情况,将组织块制备为脱钙组织切片,行HE染色并进行组织学观察。结果：所有动物羊均成活,通过组织学观察发现,在12周时,空白对照组缺损处为纤维结缔组织结构,内无骨小梁结构,缺损区与正常骨小梁交界处可见散在的成骨细胞、破骨细胞及骨小梁；羊同种异体骨组缺损内吸收明显,有大量骨小梁,排列有一定方向,内有大量成骨细胞；丙烯酸树脂骨水泥组骨水泥-骨小梁界面可见大量缺损存在,散在均质淡红染的结构,内无细胞,周围可见大量炎细胞；Cem-OsteticTM人工骨浆组可见散乱的骨小梁,周围有大量成骨细胞和破骨细胞,部分骨小梁重构成形。结论：除丙烯酸树脂骨水泥组外,其余两种材料填充椎体内骨缺损处均可见生物降解性及成骨性存在,均可做为骨缺损填充材料,其中同种异体骨在成骨方面较为显著。空白对照组缺损处为纤维结缔组织填充,无骨小梁结构。四、应用伤椎重建术治疗胸腰椎骨折的临床研究第一节椎弓根内固定并伤椎重建术治疗胸腰椎爆裂骨折目的：评价经后路矫形固定结合椎体撬拨植骨术治疗胸腰椎骨折的临床疗效。方法：采用经后路椎弓根螺钉矫形固定,同时经椎弓根对骨折椎体进行撬拨,恢复椎体前中柱高度,并行椎体内植骨治疗30例(共34椎)胸腰椎骨折。男23例,女7例；年龄24-77岁,平均40.8岁。所有患者均为外伤性骨折,其中6例合并骨质疏松。植骨材料分别采用Cem-OsteticTM人工骨浆(3例)、自体骨(17例)和同种异体骨(10例)。随访观察患者疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale, VAS)及影像学改变情况。结果：所有患者术后均获得12～24个月随访,平均18个月。术前、术后1周及末次随访,椎体前高平均分别为15.5±3.8mm、23.3±5.7mm和22.5±5.1mm；椎体后高平均分别为25.8±3.4mm、28.6±2.0mm和28.3±2.2mm；后凸角度平均分别为23.5°±7.6°、14.3°±7.1°和15.7°±7.5°；VAS评分平均分别为7.57±1.45、2.57±0.65和2.07±0.62。各项指标均较术前有显著改善,差异有统计学意义(P<0.05),而末次随访与术后1周比较差异无统计学意义(P>0.05)。随访期间内固定无松动、断裂等,骨折椎体密度等同或高于上、下相邻椎体,部分行后外侧植骨融合病例亦达到临床融合标准。结论：经后路矫形固定结合椎体撬拨植骨术治疗胸腰椎骨折,可有效恢复和维持椎体高度,提高骨折椎体密度,增强脊柱前中柱的稳定性。第二节经肌间隙入路与传统手术入路椎弓根内固定治疗胸腰椎骨折的比较研究目的：探讨经后路椎旁肌间隙入路治疗胸椎、腰椎椎骨折(T2-L5)的手术方法及与传统手术方法的比较研究。方法：2006年10月至2008年10月,连续52例无神经损伤表现的胸腰椎骨折患者纳入研究。男37例,女15例；平均年龄46.5岁(18-59岁)。T4骨折1例,T7骨折2例,T8骨折1例,T10骨折3例,T11骨折5例,T12骨折14例,L1骨折16例,L2骨折9例,L3骨折1例。依据Denis骨折分型,压缩型骨折17例,其余35例均为爆裂性骨折,椎管占位<1／3,突入椎管骨块均匀完整,无碎裂及翻转。患者随机分为两组,其中20例患者采用传统后正中入路,其余32例患者采用经后路改良椎旁肌间隙入路,均行后路椎弓根螺钉固定。结果：通过对比研究发现,后路椎旁肌间隙入路较传统后正中入路在于术时间上无明显差异,但在术中出血量、引流管放置时间、术后引流量、下地活动时间及疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale. VAS)等方面具有显著优势,差异有统计学意义(P<0.05)。至2008年10月,所有患者均获得随访,平均时间15.6(9-24个月),所有患者伤椎椎体高度无丢失,内固定无松动、断裂。结论：经后路椎旁肌间隙入路治疗胸椎、腰椎骨折,完整保留脊柱后方复合体结构,具有创伤小,出血少,能早期下地活动,是一种有效地微侵入治疗方法,临床疗效满意。第三节可调式后凸成形装置的研制与应力负荷测试目的：研制一种新型金属可调式后凸成形装置,探讨其应用于伤椎重建的可行性。方法：利用钛合金的刚性及柔韧性,采用钛合金片组成灯笼状金属球,应用可调式旋进装置使金属球膨胀及回缩,并应用该器械进行椎体重建术,在人体新鲜胸腰椎标本(T12-L2)中进行可行性测试。采用白行设计的测试装置于INSTRON5544上测试单片金属片的最大应力载荷。结果：由钛合金钢片组成的灯笼球状金属球初始直径为6.0mm,可以通过胸腰椎椎弓根进入椎体内部,通过尾端可调式旋进装置调节使金属球膨胀,最大直径可达12mm,同时产生强大的撑开力,经生物力学测试,其单片金属片最大载荷为56.96±3.21N,应力为9.48±0.53Mpa。结论：可调式后凸成形装置可以经皮或结合后路椎弓根钉固定作为治疗包括骨质疏松椎体压缩骨折在内的各类型骨折,完成伤椎重建术,但其临床应用尚需进一步研究。总结1.利用CT扫描及计算机辅助技术对人体新鲜胸腰椎标本(T10-L2)相关径线和角度变化范围进行测量,通过矢状面角度测量我们发现经椎弓根通道完全可以达到上终板的复位,同时测算出经椎弓根通道椎体重建的体积,为经椎弓根通道完成终板下复位及椎体重建术提供理论依据。2.通过模拟创伤性椎体压缩骨折,测试其完整、损伤状态的生物力学特性,然后经椎弓根通道椎体内填充同种异体骨或骨水泥,测试伤椎重建后即刻状态椎体的刚度、弹性模量、极限压缩强度以及加载过程中椎体的应力应变关系,并进行影像学和大体观察,证实了两种不同填充材料可有效维持伤椎复位,具有与完整椎体相同的生物力学性能。3.通过对不同植骨材料填充羊椎体骨缺损的组织学观察研究证实,空白对照组缺损处为纤维结缔组织结构,内无骨小梁结构,缺损区与正常骨小梁交界处可见散在的成骨细胞、破骨细胞及骨小梁；羊同种异体骨组缺损内吸收明显,有大量骨小梁,排列有一定方向,内有大量成骨细胞；丙烯酸树脂骨水泥组骨水泥-骨小梁界面可见大量缺损存在,散在均质淡红染的结构,内无细胞,周围可见大量炎细胞；Cem-OsteticTM人工骨浆组可见散乱的骨小梁,周围有大量成骨细胞和破骨细胞,部分骨小梁重构成形。4.经后路椎弓根固定结合椎体撬拨成形,可有效地进行终板下复位,恢复椎体高度和角度,结合椎体内填充不同植骨材料维持复位和生物力学特性,具有简便、经济的特点,是在传统手术治疗基础上的进一步改进和完善,为手术治疗胸、腰椎骨折提供了一种新的术式选择。5.经后方椎旁肌间隙入路与传统手术入路比较保留了后方复合体结构完整,大大减少手术创伤,缩短手术时间。术中直视下操作,不用大量X线透视,与经皮微创手术同一间隙操作且较经皮椎弓根钉系统费用、用时及操作学习曲线方面均小,具有很大的实用性。本术式经解剖研究和临床操作可为T1-L5间骨折提供了一种微侵入的治疗方法。6.通过对自行研制的可调式后凸成形装置体外研究及生物力学测定证实了本装置在治疗椎体骨折伤椎重建中安全可行,操作简单,可重复使用,节约手术成本。可应用于经皮或结合后路椎弓根钉固定治疗骨质疏松性椎体压缩骨折在内的各型骨折的椎体重建。