腰椎椎体成形术后复发性骨折：生物力学风险因素及预测模型

《Current Problems in Surgery》：Recurrent Fractures after Lumbar Vertebroplasty: Biomechanical Risk Factors and a Predictive Model

本研究回顾性分析176例椎体后凸成形术患者数据，发现年龄≥75岁、腰椎BMD T评分≤-3.0、既往椎体骨折史、椎体压缩程度>40%及骨水泥分布不均（III级）是术后复发骨折独立危险因素。构建的预测模型AUC为0.812，风险评分系统可分层管理患者，降低复发风险。

　　本研究围绕腰椎椎体成形术（PVP）后复发性骨折的风险因素进行了深入分析，旨在从生物力学角度探讨其发生机制，并建立预测模型，为临床精准识别高风险患者和制定个体化预防策略提供科学依据。研究对象为2020年1月至2024年12月期间在我院接受PVP治疗的176名骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCFs）患者。根据术后是否发生复发性骨折，患者被分为复发性骨折组（42例，23.9%）和非复发性骨折组（134例，76.1%）。通过回顾性分析，研究团队识别出五项独立风险因素，并构建了一个风险评分系统，以帮助临床医生更好地评估患者复发风险。

### 研究背景与意义

骨质疏松性椎体压缩性骨折是老年人中最常见的骨折类型之一，其终身患病率在50岁以上女性中高达16-18%，男性则为5-8%。这类骨折不仅严重影响患者的生活质量，还可能导致慢性疼痛、脊柱畸形和功能障碍，给个人健康和社会医疗资源带来沉重负担。PVP作为一种微创治疗方法，通过将骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）注入塌陷的椎体，能够迅速缓解疼痛并稳定脊柱结构，具有创伤小、恢复快和治疗效果显著等优点。然而，随着临床应用的广泛和随访时间的延长，PVP术后复发性骨折问题逐渐显现。已有文献指出，PVP术后复发骨折的发生率在12%-52%之间，其中邻近椎体骨折占比高达60%-70%，成为影响长期疗效的重要并发症。

从生物力学角度来看，骨水泥注入后显著增加了椎体的刚度，使其达到正常椎体的2-10倍。这种刚度的改变会重新分布脊柱的载荷传递模式，导致相邻椎体承受更高的应力集中。有限元分析表明，PVP后邻近椎体的应力可增加12%-19%。此外，骨水泥的分布均匀性、注射量以及与椎体终板的距离等因素都会影响局部生物力学环境，从而影响复发骨折的风险。尽管已有研究识别了传统风险因素，如年龄、骨密度（BMD）和既往椎体骨折史，但PVP特有的生物力学因素，如骨水泥分布特征、椎体形态变化和脊柱平衡参数对复发骨折的影响机制仍不明确。目前关于生物力学变化与复发骨折关系的研究多基于有限元建模或小样本观察，缺乏大规模临床验证和系统性风险因素分析。

因此，本研究旨在通过回顾性分析176例PVP患者的数据，深入探讨复发性骨折的生物力学风险因素，建立预测模型，并提供科学证据，以帮助临床医生精准识别高风险患者，优化手术技术，并制定个体化预防策略。

### 研究方法与数据收集

本研究采用回顾性研究设计，收集了176例接受腰椎PVP治疗的OVCFs患者的临床资料。所有患者均来自我院骨科，随访时间平均为24.3±8.7个月。研究获得了医院伦理委员会的批准，并符合《赫尔辛基宣言》的相关要求。

研究纳入标准包括：年龄≥50岁；临床诊断为OVCFs；接受PVP治疗；术前影像学显示单个或多个腰椎压缩性骨折；术后随访时间≥12个月；具有完整的临床和影像学数据；术前骨密度检查数据完整。排除标准包括：病理性骨折（如恶性肿瘤转移、多发性骨髓瘤等）；爆裂性椎体骨折或椎管内骨折；既往腰椎手术史；合并严重心肺功能障碍、凝血功能障碍或其他手术禁忌症；术中或术后出现影响随访的严重并发症；随访数据不完整或失访；合并影响骨代谢的疾病（如甲状旁腺功能亢进、库欣综合征等）。

所有患者均接受PVP治疗。术前常规进行腰椎正侧位X线、CT和MRI检查，以确定骨折位置、范围和椎管情况。手术在C臂X线引导下进行，患者取俯卧位。局部麻醉后，通过经椎弓根或椎体外侧入路放置工作通道，确认位置后注入骨水泥。注射量根据椎体大小和骨折严重程度确定，通常为2-6ml，确保骨水泥填充椎体前中三分之一，避免向椎管或周围椎体泄漏。术后常规进行腰椎CT检查，评估骨水泥分布情况。所有手术均由具有10年以上PVP经验的主治医师及以上级别医生完成。

### 基于影像的生物力学评估

本研究通过影像学数据定量分析方法评估PVP后的生物力学变化。主要评估参数包括：（1）椎体形态指标：椎体高度、椎体楔形角、局部后凸角；（2）骨水泥分布特征：骨水泥体积分数、骨水泥与终板的距离、骨水泥分布均匀性评分（采用Liebschner分级：I级为均匀分布，II级为轻度不均匀，III级为明显不均匀）；（3）脊柱平衡参数：腰椎前凸角（L1上终板至S1上终板的夹角）、胸腰段后凸角（T12-L2 Cobb角）；（4）邻近椎体应力集中指标：通过测量邻近椎体的松质骨密度变化间接评估应力分布变化。

所有影像参数测量均由两名具有5年以上脊柱影像诊断经验的放射科医生独立完成。关键变量如椎体压缩程度（Genant半定量分级）和骨水泥分布均匀性评分（Liebschner分级）的观察者一致性通过Cohen's κ系数进行评估。结果显示，椎体压缩程度评估的κ值为0.823（95%CI: 0.756-0.890，P<0.001），骨水泥分布均匀性评估的κ值为0.785（95%CI: 0.709-0.861，P<0.001），表明测量结果具有良好的一致性。对于存在分歧的病例，两名评估者讨论并达成共识，最终测量结果取两位评估者的平均值。

### 观察指标

研究观察指标分为基线数据和次要结局指标。

#### 基线数据

基线数据包括：（1）人口学特征：性别、年龄、体质指数（BMI）、吸烟史（有/无，吸烟年限）、饮酒史（有/无）、绝经状态（是否绝经，女性患者绝经后时间）；（2）骨质疏松相关指标：腰椎L1-L4骨密度T值、股骨颈骨密度T值、既往椎体骨折史（有/无，骨折椎体数量）、既往肢体骨折史（有/无）、抗骨质疏松药物使用史（双膦酸盐、活性维生素D药物，有/无）；（3）合并症：糖尿病（有/无，病程年限）、高血压（有/无）、慢性肾病（有/无）、甲状腺功能异常（有/无）、长期使用糖皮质激素（有/无，持续时间≥3个月且泼尼松等效剂量≥5mg/d）；（4）手术相关参数：手术椎体数量（单发/多发）、手术椎体位置（T12、L1、L2、L3、L4、L5）、骨水泥注射总量、术中骨水泥泄漏（有/无）；（5）术前常规实验室指标：血红蛋白、血清白蛋白、血清肌酐、空腹血糖、25-羟基维生素D3（如检查）；（6）术前影像学参数：手术椎体压缩程度（椎体高度损失百分比，采用Genant半定量分级：0级为正常，1级为轻度压缩20-25%，2级为中度压缩25-40%，3级为重度压缩>40%）、腰椎前凸角、邻近椎体完整性（是否存在旧骨折）。

#### 次要结局指标

次要结局指标包括：（1）疼痛评估指标：使用视觉模拟量表（VAS）评估低背痛程度。VAS为0-10的连续量表，0表示无痛，10表示最严重的想象中疼痛。疼痛评分在术前和术后12个月记录；（2）功能评估指标：采用Oswestry功能障碍指数（ODI）评估腰椎功能状态。ODI包括10个维度：疼痛强度、个人护理、提举、行走、坐位、站立、睡眠、性生活、社交生活和旅行，每个维度评分0-5分，总分50分，以百分比形式表达（实际得分/50×100%），0-20%为轻度功能障碍，21-40%为中度功能障碍，41-60%为重度功能障碍，61-80%为严重功能障碍，81-100%为完全功能障碍。功能评分在术前和术后12个月记录；（3）影像参数变化：椎体高度恢复率（术后椎体高度-术前椎体高度）/(正常椎体高度-术前椎体高度)×100%、局部后凸角变化，分别在术前、术后立即和术后12个月测量；（4）骨水泥分布指标：采用Liebschner分级评估骨水泥分布均匀性，I级为均匀分布，II级为轻度不均匀，III级为明显不均匀。骨水泥分布评估在术后立即和术后12个月进行；（5）骨水泥相关并发症：术后12个月内发生椎间盘泄漏、椎管内泄漏、椎旁软组织泄漏以及临床有症状的肺栓塞发生率；（6）生活质量评估：采用SF-36健康调查量表评估患者生活质量。SF-36包括8个维度：身体功能（PF）、身体疼痛（BP）、一般健康（GH）、活力（VT）、社会功能（SF）、角色-身体（RP）、精神健康（MH）、角色-情绪（RE）。每个维度评分范围为0-100分，得分越高表示健康状态越好。各维度得分在术前和术后12个月记录。

### 统计方法

使用SPSS 26.0软件进行统计分析。首先通过Shapiro-Wilk检验验证连续变量的正态性。符合正态分布的连续变量以均值±标准差（x?±s）表示，组间比较采用独立样本t检验；不符合正态分布的连续变量以中位数（四分位数范围）[M(Q1,Q3)]表示，组间比较采用Mann-Whitney U检验。分类变量以人数（百分比）[n(%)]表示，组间比较采用卡方检验或Fisher精确检验。通过单变量逻辑回归分析筛选与复发骨折相关的风险因素，P<0.10的变量纳入多变量逻辑回归分析，采用前进法建立预测模型。通过绘制ROC曲线评估模型的预测效能，并计算曲线下面积（AUC）。使用Hosmer-Lemeshow检验评估模型的拟合优度，P<0.05视为统计学显著。

### 研究结果

本研究共纳入176例接受腰椎PVP治疗的患者。根据是否发生复发性骨折，患者被分为复发性骨折组（42例，23.9%）和非复发性骨折组（134例，76.1%）。两组在多个基线指标上存在显著差异。复发性骨折组患者年龄更大、BMI更低、绝经时间更长、骨密度更低、既往椎体骨折史更常见、多椎体手术比例更高、骨水泥注射量更大、营养状况更差、维生素D缺乏更严重、椎体压缩程度更严重、腰椎前凸角更小、邻近椎体旧骨折比例更高。

在术后随访期间，42例患者（23.9%）发生了复发性骨折，其中29例（69.0%）为邻近椎体骨折，13例（31.0%）为非邻近椎体骨折。复发性骨折的中位发生时间为8.5个月（四分位数范围：5.2-14.8个月）。复发性骨折在术后6个月内发生率最高（35.7%），随后为6-12个月（42.9%），之后为12个月后（21.4%）。按椎体位置分析，L1椎体复发性骨折率最高（12例，28.6%），其次是L2椎体（9例，21.4%）。

### 风险因素分析

通过单变量逻辑回归分析，共识别出16项与复发性骨折相关的潜在风险因素（P<0.10）。随后，使用前进法进行多变量逻辑回归分析，最终确定5项独立风险因素：年龄≥75岁（OR=2.520，95%CI: 1.124-5.649）、腰椎BMD T值≤-3.0（OR=3.175，95%CI: 1.454-6.930）、既往椎体骨折史（OR=2.221，95%CI: 1.025-4.810）、重度椎体压缩（压缩率>40%）（OR=2.380，95%CI: 1.028-5.510）、骨水泥分布不均匀（Liebschner III级）（OR=2.972，95%CI: 1.097-8.049）。模型的ROC曲线下面积（AUC）为0.812（95%CI: 0.745-0.879），敏感度为76.2%，特异度为79.1%，Youden指数为0.553，阳性预测值（PPV）为63.5%，阴性预测值（NPV）为87.6%。Hosmer-Lemeshow检验显示P=0.553，表明模型拟合良好。通过1000次Bootstrap重采样进行内部验证，修正后的AUC为0.798（95%CI: 0.728-0.868），显示模型具有良好的稳定性和预测效能。

基于多变量分析结果，研究团队构建了一个复发性骨折风险评分系统：年龄≥75岁（2分）、腰椎BMD T值≤-3.0（3分）、既往椎体骨折史（2分）、重度椎体压缩（2分）、骨水泥分布不均匀（3分）。总分为0-12分，风险分层为：低风险（0-3分，复发率8.3%）、中等风险（4-7分，复发率28.1%）、高风险（8-12分，复发率67.4%）（P<0.001）。

### 讨论

本研究通过对176例接受腰椎PVP治疗的患者的回顾性分析，发现术后复发性骨折率为23.9%，与文献报道的12%-52%范围一致。研究识别出五项独立风险因素：年龄≥75岁、腰椎BMD T值≤-3.0、既往椎体骨折史、重度椎体压缩和骨水泥分布不均匀。构建的复发性骨折风险评分系统具有良好的预测效能（AUC=0.812），能够有效识别高风险患者。

研究发现，复发性骨折主要发生在术后1年内（78.6%），以邻近椎体骨折为主（69.0%），这一结果与已有研究一致。邻近椎体骨折的高发生率可能与PVP后脊柱生物力学环境的改变有关。研究表明，骨水泥增强后椎体的刚度显著增加，导致相邻椎体和椎间盘承受更大的应力。有限元分析显示，PVP后邻近椎体的应力可增加12%-19%。此外，骨水泥的分布均匀性、注射量以及与终板的距离等因素都会影响局部生物力学环境，从而影响复发性骨折的风险。

年龄≥75岁是复发性骨折的独立风险因素（OR=2.520），这与多项先前研究一致。老年患者往往存在更严重的骨质疏松、骨微结构破坏以及骨形成与吸收的失衡。此外，老年患者通常伴有多种慢性疾病，活动能力下降，跌倒风险增加，这些因素共同提高了复发性骨折的发生率。一项回顾性研究也确认了年龄是PVP后新椎体骨折的重要预测因素。

腰椎BMD T值≤-3.0被确认为最强的独立风险因素（OR=3.175），突显了严重骨质疏松在复发性骨折中的核心作用。前瞻性研究发现，BMD T值是术后椎体骨折的重要预测指标。BMD不仅反映了骨质量的减少，更重要的是揭示了骨微结构的破坏和骨强度的下降。近期研究还表明，基于MRI的椎体骨质量（VBQ）评分系统在预测PVP后即刻的新骨折风险方面具有有效性。

既往椎体骨折史作为独立风险因素（OR=2.221）反映了“骨折引发骨折”的流行病学模式。既往骨折不仅是骨质疏松严重程度的标志，还可能表明骨微环境异常和跌倒风险增加。一项研究确认，初始骨折后复发骨折的风险显著增加，特别是在前两年内。这提示临床医生需要更加关注既往骨折史的患者，并采取更为积极的预防措施。

重度椎体压缩（压缩率>40%）作为独立风险因素（OR=2.380）揭示了椎体形态变化对生物力学环境的重要影响。严重压缩的椎体通常伴有更明显的楔形畸形和后凸角增大，导致脊柱平衡障碍。生物力学研究证实，椎体压缩程度与邻近椎体应力呈正相关，每增加10%的压缩率，邻近椎体的应力可增加约15%。此外，骨水泥在严重压缩椎体中的填充往往更为困难，容易导致分布不均。

骨水泥分布不均（Liebschner III级）作为独立风险因素（OR=2.972）强调了手术技术在预防复发性骨折中的重要性。研究表明，骨水泥分布不均会导致椎体内应力集中，特别是在骨水泥与骨组织的交界处，应力梯度可达正常骨组织的3-5倍。相关研究进一步证明，骨水泥体积与椎体体积的比例和分布均匀性是影响邻近椎体骨折的重要因素。

近年来，基于影像的骨水泥分布定量分析方法不断改进。已有研究提出基于平片的骨水泥分布分类系统，与填充率和临床结果密切相关。此外，三维CT重建技术可以更精确地评估骨水泥的体积分布和空间配置。

PVP后的生物力学变化是复发性骨折的根本原因。通过基于影像的生物力学评估，本研究发现复发性骨折组患者的椎体高度恢复率较低，局部后凸角改善较差，表明生物力学重建不足。PMMA骨水泥的弹性模量约为20 GPa，远高于骨质疏松椎体的0.1-2 GPa。这种刚度差异会导致脊柱载荷传递模式的根本变化。在正常生理负荷下，强化的椎体承受的应力显著减少，而邻近椎体和椎间盘则承受相应增加的应力。生物力学测试证实，PVP后邻近椎体的压缩强度下降约30%。

骨水泥进入椎间盘并接触终板，会抑制椎间盘的生物力学缓冲功能，加速邻近椎体的退化。研究表明，椎间盘泄漏与邻近椎体骨折密切相关，泄漏的骨水泥直接接触终板会显著增加邻近椎体的应力集中，使骨折风险增加2.4倍。

部分椎体高度恢复和局部后凸角改善有助于恢复正常的脊柱生理曲度。然而，如果椎体高度恢复不足或后凸角矫正不充分，会导致脊柱平衡障碍，增加邻近节段的代偿性应力。本研究发现，复发性骨折组患者的腰椎前凸角明显小于非复发性骨折组，提示脊柱平衡障碍可能是复发性骨折的重要机制。

本研究建立的风险评分系统具有良好的预测效能（AUC=0.812），能够有效识别复发性骨折的高风险患者。尽管AUC值为0.812表明模型具有良好的区分能力，但在临床决策中，还需进一步探讨不同风险等级对临床管理的指导意义。根据本研究的风险分层结果，建议采取以下临床管理策略：对于高风险患者（8-12分，复发率67.4%），应采取积极的预防措施，包括术后立即启动标准化的抗骨质疏松治疗（如双膦酸盐或地舒单抗）、加强营养支持（补充钙和维生素D）、制定个体化的跌倒预防干预计划、缩短随访间隔（建议术后3、6、12个月进行常规影像学检查）、考虑预防性邻近椎体强化治疗（如有指征）。对于中等风险患者（4-7分，复发率28.1%），建议采取标准化的预防措施，包括标准化抗骨质疏松治疗、定期骨密度监测和生化指标检测、生活方式指导和适度锻炼、术后6个月和12个月进行常规影像学随访。对于低风险患者（0-3分，复发率8.3%），建议采取基础的预防措施，包括基础抗骨质疏松治疗、生活方式干预、每年常规随访。

与以往研究相比，本研究的模型具有以下优势：首先，模型变量均为常规临床检查指标，便于广泛应用；其次，模型考虑了生物力学相关因素，特别是骨水泥分布模式，这是以往预测模型中较少涉及的重要因素；最后，模型通过内部验证显示出良好的稳定性和校准效果。

本研究存在一些局限性。首先，作为一项单中心回顾性研究，可能存在选择偏倚和信息偏倚。其次，随访时间相对较短，可能低估了长期复发骨折的风险。第三，生物力学评估主要基于影像学测量，缺乏直接的生物力学测试数据。第四，本研究仅考虑了基本的脊柱矢状面角度测量（如腰椎前凸角、胸腰段后凸角），未涉及整体脊柱对齐参数（如脊柱矢状位轴SVA、骨盆倾角PT、骨盆入射角PI等）和对脊柱生物力学有重要影响的骨盆参数，这可能影响对整体脊柱生物力学状态的全面评估。最后，预测模型仍需外部验证以确认其推广性。

未来的研究应关注以下几个方面：首先，开展多中心前瞻性队列研究，扩大样本量并延长随访时间；其次，结合生物力学模拟和有限元分析，深入探讨PVP后应力分布模式；第三，评估新型骨水泥材料和改进手术技术对复发骨折的预防效果；第四，探索基于人工智能和机器学习的个体化预测模型。通过生物力学理论，本研究系统分析了PVP后复发性骨折的风险因素，识别出五项独立风险因素，并建立了具有良好预测效能的风险评分系统（AUC=0.812）。研究揭示了23.9%的复发骨折率，其中69.0%为邻近椎体骨折，主要发生在术后1年内。这些发现不仅加深了对PVP后生物力学变化机制的理解，也为临床精准识别高风险患者、优化手术技术和制定个体化预防策略提供了重要的科学依据。通过风险分层管理，临床医生可以对高风险患者采取更积极的预防措施，从而改善长期患者预后并减少复发骨折的发生，具有重要的临床应用价值。