胸腰椎体椎基静脉孔的相关研究

2021-08-05   文章来源:浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科   作者:​赵凤东,张旭阳,李生鋆,王翀妍,刘军辉,赵兴,陈意磊,范顺武 点击量:4016 我要说

赵凤东,张旭阳,李生鋆,王翀妍,刘军辉,赵兴,陈意磊,范顺武

浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科

基金项目:国家自然科学基金面上项目(No.31270997)—椎基静脉孔与胸腰椎骨折椎体后上缘骨块或椎体内裂隙征的关系

天地有圆有方,脊柱有柔有刚,作为中轴骨的脊柱具有负重、减震、保护和运动等功能,其功能的发挥依赖其和谐的刚柔并济。椎体决定了脊柱的刚,过刚易折,比如强直性脊柱炎;而椎间盘等软组织决定了脊柱的柔,过柔易屈,比如软骨病,健康的脊柱方能屈能伸。对称的异形结构完美支持了脊柱所需承担的各种功能,而其功能发挥同时需要正常的血液循环和神经支配。除小滋养孔外,椎体后壁中央、两个椎弓之间存在一个皮质缺损区域,它是动静脉和神经进出椎体的主要通道。

笔者查阅相关中文教科书没有发现该结构名称,国外文献或书籍称之为basivertebral foramen(BF),浙江大学邵逸夫医院赵凤东教授将其称为椎基静脉孔,并在国内率先开展了关于该结构解剖特征、临床功能和生物力学性质的研究。以下,我们将对赵凤东教授及其团队对椎基静脉孔的系列研究进行综述,全面系统地描述椎体的阿喀琉斯之踵——椎基静脉孔。

一、椎基静脉孔的解剖学特征

椎基静脉孔(图1)位于椎体后壁正中,两个椎弓之间,该处椎体皮质缺损,内松质骨稀疏,是椎基静脉、腰动脉分支、脊神经返支等结构进出椎体的天然孔道(图2),在椎体大体标本、磁共振和CT等影像学上均能观察到其存在。

图1 椎基静脉孔(a椎基静脉孔示意图;b CT矢状位重建椎基静脉孔;c 椎体脱完钙后的椎基静脉孔位置解剖图;

d 新鲜大体标本上椎基静脉孔的位置解剖图)

图2 经椎基静脉孔的神经血管结构(A腰动脉分支;B椎基静脉;C脊神经返支)

哺乳动物不同物种均存在该结构,可因物种的差异而发生结构的差异。如图3所示,黄色的是人椎基静脉孔,为椎体后壁中央单个较大的孔隙。绿色为猴的椎基静脉孔,表现为椎体后壁中央两个稍小的孔隙结构。蓝色为猪的椎基静脉孔,表现为椎体后壁中央较小的孔隙结构。灰色为鼠的椎基静脉孔,表现为椎体后壁中央两个较大的孔隙结构。结构的差异可能由直立和爬行对椎体造成的负荷差异造成,直立行走对椎体造成较大的压力负荷,需要调节椎体血供功能范围更大,因此需要更大的孔隙结构。

图3 不同物种椎基静脉孔结构(A人;B猴;C猪;D鼠)

同时椎基静脉孔的结构差异在人群中同样存在。赵教授团队对36例健康成人胸腰段椎体进行螺旋CT薄层扫描,并对每个节段单独进行正中矢状位和横断位重建研究。在重建图像上,测量BF宽(BFW)、深(BFD)、高(BFH)的绝对值和相对值,测量BF距椎体左右边缘和上下终板的距离。见图4。


图4 椎基静脉孔相关参数测量方法

结果显示,①形状上:共分为3种类型(图5):三角型(65%)、梯型(24%)、不规则型(11%),其中不规则型中6%BF内部出现骨性间隔。②尺寸上:椎基静脉孔平均高度为9.2±2.5mm,平均深度是4.4±1.6mm。相同测量节段的BFW、BFD和BFH最大值接近或超过同一测量平面椎体宽、深和高的1/3,平均宽、深和高接近或超过同一测量平面椎体的25%。③位置上:与下终板相比,椎基静脉孔更接近上终板。另外BF在不同个体的物理参数存在较大差异,受年龄、性别、体重指数等影响。年龄是各因素中权重最高的,随着年龄增大,BF的高度变大,深度变浅。女性腰椎的BF高度和深度相对较大。重体力劳动者可导致BF高度降低。

图5 椎基静脉孔不同形状分型。A 三角型;B梯型;C不规则型;D不规则型中特殊类型之骨间隔型

二、椎基静脉孔对椎体生物力学特征的影响

椎体内骨小梁分布与整个椎体的生物力学特性密切相关,椎体内骨小梁微结构差异决定了椎体不同部位的生物力学性质。当椎体承受最大载荷时,松质骨承担了绝大多数的载荷,占整个载荷的76%-89%,并将其转换成椎体内部的剪切应力,而椎体内部的剪切应力的变异性会随着BV/TV(骨体积分数)的减少而增大,即BV/TV越小,椎体内部剪切应力分布越紊乱,导致椎体内骨小梁脆性增加,这也是Micro-CT评估骨质强度的原理。赵教授团队通过Micro-CT扫描,分别对椎体骨小梁微结构进行了分区域的分析,发现椎体上部、中部、下部的BV/TV分别为0.21±0.14、0.17±0.09、0.22±0.15,其中,上部和中部、中部和下部比较,P均<0.01;上部和下部比较,P>0.05。中部比上部减小20%,比下部减小23%。见图6、7。椎体中部(椎基静脉孔区域)是椎体内部一个力学薄弱区域,椎基静脉孔的存在导致了该处骨小梁分布稀疏,显著影响了此区域椎体的生物力学特性,导致椎体中部的强度相较于上部及下部,更为薄弱(强度最低)。


图6 椎体骨小梁的微结构差异分析示意图


图7 椎体内各区域骨微结构差异统计分布。A、B、C为中层(Middle layer Region 1-9);

D、E、F为上层(Superior layer Region 1-9)

三、椎基静脉孔对胸腰椎骨折的影响

椎基静脉孔的存在导致椎体内部不同区域生物力学特征产生差异,进而导致椎体承受暴力时产生特异性的改变,在骨质疏松椎体中常表现为椎体内裂隙征,而在非骨质疏松椎体中则表现为椎体后上缘骨块。在研究中,赵教授团队通过轴向暴力分别对两类椎体模拟胸腰椎骨折,然后通过暴力前后的影像学资料分析评估骨折类型及其形成机制。

(一)压缩性骨折

在骨质疏松模型当中,椎体一般表现为压缩性骨折,采用轴向压缩应力构建压缩性骨折,并采用疲劳屈伸损伤,模拟椎体内裂隙征形成。如图8所示,压缩性骨折后,原有的骨小梁被破坏,椎体内部的孔隙互相联通,从而形成更大直径的孔隙,因为椎基静脉孔区域的力学薄弱,导致此区域最为严重的骨小梁损伤,产生更多大直径孔隙以及椎体内通道,骨小梁的定量分析也验证了此结论。这从生物力学角度阐明了椎体内裂隙征(Kummell’s 病)形成的机制。


图8 椎体骨质疏松压缩骨折(OVCFs)后不同部位Micro-CT扫描图。A为椎体上部,

B为椎体中部,C为椎体下部,D为椎体正中矢状位扫描图

(二)爆裂性骨折

轴向的撞击暴力可导致椎体爆裂性骨折并形成后上缘骨块。赵教授团队通过重物撞击腰椎,构建爆裂性骨折模型,如图9所示,成功模拟产生后上缘骨折块,骨折块常常位于椎体的后上1/3区,椎基静脉孔上方。后上缘骨折块的骨折线经过椎基静脉孔顶点或上表面,其下表面为全部或部分椎基静脉孔的上表面。最后认为作为骨质缺损区,椎基静脉孔是正常椎体最薄弱的区域,且影响其周边区域的骨小梁分布。当遭受轴向暴力时,其相邻区域最先发生骨折,进而形成后上缘骨折块,骨折块位于椎基静脉孔上方,包括全部或部分椎基静脉孔的上缘。


图9 A、撞击损伤产生的上终板骨折;B、正中矢状面切开,观察后上缘骨折块总体形态;

C-D、累积撞击损伤产生的椎体爆裂性骨折的CT观察,后上缘骨折线位于椎基静脉孔上方

四、椎基静脉孔对胸腰椎骨折临床治疗的指导意义

PKP与PVP因其创伤小,安全性高,缓解疼痛效果好,术后恢复快,已逐渐成为治疗骨质疏松性压缩骨折、椎体转移性肿瘤、骨髓瘤、淋巴瘤等常用的微创治疗方法,在临床中广泛应用。然而其术后的骨水泥渗漏发生率高达25%。赵教授团队通过回顾性研究发现渗漏入椎管(B型)骨水泥漏在伴椎内裂隙征的椎体中更为常见,并通过压缩骨折模型模拟骨水泥漏证实椎内裂隙征和可与椎基静脉孔之间存在通道,从而形成B型骨水泥漏(图10)。


图10 B型骨水泥漏示意图。A为矢状位,B为冠状位,C为漏出层面,D为Micro-CT重建图,红色标出部分为骨水泥

椎体后上缘骨折块的位置、大小对胸腰椎爆裂性骨折治疗方案的选择具有一定的指导作用。赵教授团队研究认为,如果骨折块发生了翻转说明后纵韧带发生了断裂,仅仅通过单纯的后路椎弓根螺钉的牵开复位往往不能获得令人满意的减压和复位;椎体后上缘骨折块向后移位翻转引起脊髓以及马尾神经的压迫,造成椎管狭窄、截瘫和神经功能损伤等,需要手术取出压迫的骨折块来解除对脊髓的损伤,如果后上缘骨折块突入椎管超过了椎管面积50%-75%,则往往需要前路减压。因此对于骨折机制的了解有助于我们评估后纵韧带断裂情况和脊髓损伤情况,是临床治疗方案选择和手术实施的重要依据。

五、小结

椎基静脉孔位于椎体后壁正中、两个椎弓之间,该处椎体皮质缺损,是椎基静脉、腰动脉分支、脊神经返支等结构进出椎体的天然孔道。不同物种、不同个体椎基静脉孔解剖形态存在差异。椎基静脉孔的存在改变了椎体内部骨小梁的分布,使区域骨小梁稀疏,导致该椎体区域形成了一个力学薄弱区。在遭受轴向暴力时产生相应的变化,引起不同骨折改变。骨质正常的椎体遭受撞击暴力后可引起爆裂性骨折,在椎基静脉孔上方形成椎体后上缘骨块;骨质减弱的椎体遭受压缩载荷后可引起压缩性骨折,疲劳损伤导致骨小梁破坏,形成椎体内裂隙征,从生物力学角度解释了Kummell's 病的形成机制。椎体内裂隙征也可与椎基静脉孔相连,引起B型骨水泥渗漏,临床上需重点关注。

六、本团队已发表的椎基静脉孔相关论文

1.赵兴,赵凤东,方向前,范顺武. 胸腰段椎体椎基静脉孔的CT影像学特征及其意义[J]. 中华骨科杂志, 2012, 32(1):58-64.

2. Li S, Wang C, Shan Z, Liu J, Yu T, Zhang X, Fan S, Christiansen BA, Ding W, Zhao F. Trabecular Microstructure and Damage Affect Cement Leakage From the Basivertebral Foramen During Vertebral Augmentation. Spine (Phila Pa 1976). 2017 Aug 15;42(16):E939-E948.

3. Zhang X, Li S, Zhao X, Christiansen BA, Chen J, Fan S, Zhao F. The mechanism of thoracolumbar burst fracture may be related to the basivertebral foramen. Spine J. 2018 Mar;18(3):472-481.

4. Wang C, Zhang X, Li S, Liu J, Shan Z, Wang J, Chen J, Fan S, Zhao F.Mechanism of formation of intravertebral clefts in osteoporotic vertebral compression fractures: An in vitro biomechanical study. Spine J. 2018 Dec;18(12):2297-2301.

5. Wang C, Fan S, Liu J, Suyou L, Shan Z, Zhao F. Basivertebral foramen could be connected with intravertebral cleft: a potential risk factor of cement leakage in percutaneous kyphoplasty. Spine J. 2014 Aug 1;14(8):1551-8.  

6. Wang Q, Wang C, Fan S, Zhao F. Pathomechanism of intravertebral clefts in osteoporotic compression fractures of the spine: basivertebral foramen collapse might cause intravertebral avascular necrosis. Spine J. 2014 Jun 1;14(6):1090-1.doi: 10.1016/j.spinee.2014.01.051.

7. 陈意磊,张旭阳,邱小明,单治,刘军辉,梅正峰,赵凤东,范顺武. 伤椎椎体后上缘骨块对胸腰椎爆裂骨折手术入路的影响[J]. 中华创伤杂志, 2017, 33(11):998-1004.

作者简介


赵凤东

教授,主任医师,博士生导师,浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科副主任

研究方向:长期致力于腰椎退行性疾病的研究,尤其关注腰椎终板退变的病理生理表现和分子机制、免疫微环境等方面的研究,在该领域取得了国内外较高的知名度和影响力

基金项目:作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目5项,浙江省医药卫生计划重点项目1项,主要内容为终板退变的机制及终板免疫在终板退变中的作用研究

科研成果:荣获浙江省科技进步一等奖1项(3/10),国家专利5项。培养博士、硕士研究生30余名。在Cell Death & Differentiation、J Bone Joint Surg-Am、J Immunol、Free Radic Biol Med、Bone、CORR、Spine J、Spine、Eur Spine J等领域权威杂志发表相关论文60余篇,其中两篇单篇被引次数超100次。荣获2007年《中华骨科杂志》优秀中青年论文奖。主译访学时导师、英国生物力学教授M.A.ADMAS所著的《腰痛的生物力学》论著一部。

学术任职:担任国内外重要学术兼职,包括任北美脊柱协会会员(NASS)、国际腰椎研究协会会员(ISSLS)、中国医师协会脊柱疼痛委员会委员、中国研究型医院基础研究学组委员、浙江省医学会骨科学分会委员,中国康复医学会脊柱脊髓委员会颈椎基础研究学组副组长等

学术交流:多次受邀参加各类国内外会议,在国际腰椎研究协会(ISSLS)年会口头发言汇报7次,特别壁报4次。作为教育部国家留学基金获得者,2003-2004年到英国Bristol大学学习并进行脊柱生物力学研究;2015-2016年学习于美国加州大学戴维斯分校,多次访问学习于美国、欧洲等多个医学中心。2008年获得全英脊柱年会最佳基础研究奖,2017年国际腰椎研究协会年会“Best Discusser”,2018年国际侧路手术研究协会年会优秀论文奖。


范顺武

男,医学博士,教授,主任医师,博士生导师,国内知名脊柱外科专家。浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科主任,浙江大学求是特聘医师,中华医学会骨科学分会委员,中国医教会腰椎分会副主任委员,浙江省医学会骨科分会前任主任委员,《中华骨科杂志》、《中国骨伤》编委,浙江省卫生领军人才,浙江省卫生高层次创新人才,浙江省支撑学科带头人。

获国家发明专利4项。出版专著4部,其中主编或副主编3部。发表论文200余篇,其中SCI论文48篇,其中期刊IF>10.0论文6篇,IF>5.0论文21篇,SCI影响因子累计近达200余分,累计被他引400余次;另有两篇论文在《中华骨科杂志》领跑者5000-2014论文评选中分别获得全国第1名和第10名,1998年至今在《中华骨科杂志》发文数量排全国第5名,带领的团队发文数量全国第11名。获浙江省科技进步一等奖1项、二等奖1项,浙江省医药卫生科技创新一等奖2项。近5年主持科技部国家重点研发计划1项,国家自然科学基金面上项目2项,省级重点项目2项,带领团队承担国家自然科学基金20余项。已培养博导2名、硕导7名、博士25名、硕士99名,培养的学生获挑战杯全国特等奖2人,中国青少年科技创新奖2人,浙江省优秀毕业生5人。

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