一、研究背景及目的骨质疏松症(Osteoporosis, OP)作为威胁人类健康的全球性问题,已经给国家和人民来了巨大的社会和经济负担。目前全球已有超过2亿的骨质疏松症患者,而且这个数字还会不断增长,预计在2050年达到顶峰。据统计仅在美国,骨质疏松症每年带来的直接经济损失就高达120～180亿美金,而且在未来的几十年,这一数字将会以翻两翻甚至三翻的速度迅速增长,而其间接损失更是不可估量。同时在欧洲,骨质疏松症引起的骨折的并发症而引起的老年人的死亡率已经高于除了肺癌以外的其它癌症的死亡率。其中椎体骨折是骨质疏松症最常见的临床表现。绝经后的老年女性往往因为骨量的减少,骨质量的下降和骨结构的破坏等原因而成为最严重的受害者。由于骨的机械强度明显降低,骨骼失去正常载荷的能力,以致较轻的损伤,甚至躯体自身的重力即可造成骨结构破坏,骨连续中断而发生骨质疏松性骨折。骨质疏松症除了对骨的内部微观结构的损害,引起各部位的骨折,其还对老年患者的躯体运动和功能有不良的影响。如：脊柱正常曲度的改变形成脊柱畸形,同时老年人群躯体平衡能力和活动能力的损害也引起了越来越多的关注。多项研究已经证明骨质疏松症所引起的脊柱畸形和异常的脊柱活动度对老年人的日常生活产生了显著的不良影响。N.Miyakoshi的一系列研究证明骨质疏松症所引起的腰椎后凸曲度的增加是老年人群生活质量下降阴性影响因素,而脊柱活动能力的改善则是其生活质量的重要阳性影响因素。二者可以作为衡量老年人群生活质量的标志。随后的多重回归分析研究进一步证实了脊柱活动中的腰部的活动能力是骨质疏松女性老年人群生活质量的最重要的影响因素。同时S.Imagama等人的研究发现在中年和老年男性骨质疏松人群中也存在类似的现象,研究显示老年男性人群的脊柱腰部的前凸曲度,躯体矢状面的平衡能力和脊柱活动能力与其生活质量密切相关,是其生活质量的重要影响因素。同时其他研究还进一步证明脊柱胸椎曲度的高度后凸可以作为独立的影响因子与降低的脊柱活动能力一起预测老年人群跌倒概率的增加,同时这些骨质疏松症引起的脊柱畸形患者还往往伴随着出现了缓慢的步态改变,降低的身体平衡能力和大幅度身体的摇摆。还有研究证实由于脊柱畸形曲度异常引起了椎体间应力分布的改变,从而增加椎体骨折的概率(Vertebral Fracture Cascade).不仅如此,据报道骨质疏松症所引起的脊柱畸形和异常的脊柱活动度还能引起老年人群慢性的腰痛,患者运动步态的减缓和爬楼梯能力的降低,甚至还可以降低患者的肺活量,而进一步增加了老年人群的死亡率,从而大大降低了老年人群的户外活动和生活满意程度。由此可见骨质疏松症所引起的脊柱畸形对老年人的生活产生了巨大的不良影响。因此对脊柱畸形老年人的康复治疗和干预对于减缓脊柱畸形,从而对改善老年人群的生活质量起到了积极的作用。然而骨质疏松症老年人群所表现出来的脊柱畸形,异常脊柱活动度和平衡能力的下降的原因是复杂和多因素的。Schneider DL等人的研究显示椎体骨折只占严重脊柱畸形老年人群的36-37%,剩下的大部分脊柱畸形的老年人群中并没有椎体骨折的出现,可见椎体骨折并非脊柱畸形形成的主要原因。其他的研究认为可能的原因有：躯体姿势的改变,椎间盘的退变以及椎旁肌肉和韧带的减弱,甚至是基因的突变都可能引起老年人脊柱功能的减弱,从而引起脊柱畸形的出现。于此同时,对于骨质疏松症所引起的脊柱曲度和功能的改变还没有得到充分的认识,在很多方面还存在着争议。比如大部分研究认为腰椎的前凸曲度会随着年龄的增加而减小,而形成腰椎曲度变直,容易诱发老年人的腰背痛,但是Jackson RP等人的研究认为腰椎曲度并不随年龄的增加而改变,而Tuzun C等人认为腰椎曲度是随年龄的增加而增加的。而在Takahashi的研究中有11.9%的老年人腰椎前凸曲度减小,同时4.7%老年人腰椎前凸曲度增加。另外对于骨质疏松症老年人群的脊柱平衡能力和生活质量的决定因素也没有形成统一的认识。有研究认为决定老年人群平衡能力的影响因素是腰椎的后凸曲度,而不是胸椎的后凸曲度；但是其他人的研究结果则恰恰相反,他们认为胸椎的高度后凸曲度是脊柱平衡能力和生活质量的决定性影响因素。因而从包括胸椎和腰椎的整体脊柱曲度变化的角度来研究脊柱畸形及其所引起的活动能力的改变就显得更有意义。由于脊柱的整体性,即使在某一相同的节段发生了相同的曲度变化,但由于脊柱其它节段的代偿和各个节段间的相互作用不同,其对整体脊柱功能和活动能力所产生的影响也是不同的。所以从整体脊柱曲度的变化作为出发点,对其进行分类对比研究将更有临床意义。同时Hongo M等人在比较了美国和日本骨质疏松症老年人群后证明不同的种族之间骨质疏松性老年人群脊柱的曲度变化也是不同的。而国际骨质疏松基金会(IOM)的资料预测显示到2050年,一半多的骨质疏松症所引起的骨折将出现在亚洲。随着亚洲人均寿命的延长和老龄人口的不断增长,骨质疏松症将成为亚洲特别是中国的巨大的经济和社会问题。中国拥有世界上最多的老龄人口数量,骨质疏松症已经成为中国的严重公共健康问题。因此透彻得了解和认识中国老年人群骨质疏松性脊柱畸形及其对脊柱活动功能的影响将会对中国制定相关的应对策略和临床预防康复等工作产生重要的指导性意义。但是目前我国这方面的研究几乎还是空白。因此为了对中国老年人群骨质疏松性脊柱畸形及其对脊柱活动能力和平衡能力的影响做进一步的研究,我们招募了476位骨质疏松性脊柱畸形老年女性,采用先进的无损伤的电子脊柱曲度活动度测量仪(Spinal Mouse, Idiag, Voletswil, Switzerland),根据Satoh的分类方法对其进行了分类对比研究。同时还收集了326名老年女性第一年和第六年的X线数字摄影图像,对骨质疏松性患者的脊柱曲度变化做纵向的跟踪随访研究。此外骨小梁的生物力学特性也是影响骨强度的因素之一,对研究骨骼疾病,骨折及治疗都有着重要的生物和临床意义。在30多年的研究过程中,随着技术的不断进步,对骨组织生物力学性质的定量实验由最早的骨骼褶皱实验到弯曲试验,再衍生出三点弯曲试验,后来又出现超声检测方法,以及发展的超声显微技术,到目前的纳米压痕技术。研究对象也由骨组织精确到骨小梁、板层骨及骨单元等骨细微结构。纳米压痕技术的分辨率高、定位精确、测量数据更为直观、可靠。但是由于骨松质是具有异质性的复合材料组织,其弹性模量和硬度随着解剖部位,年龄和疾病不同而变化,这使其生物力学性质有很大的变异范围。比如,在胫骨近端由于位置的不同,压缩模量可能出现10倍的变化,而骨强度出现5倍的变化。而不同部位和标本之间的差异将更大。同时因为测量技术的不同,所报道的骨小梁的弹性模量也有很大的变化范围：0.76～20GPa。为了进一步研究骨小梁生物力学性质,我们分别对脊柱不同节段的椎体及椎体的不同部位进行骨小梁生物力学测试,以明确骨质疏松和曲度对骨小梁生物力学性质的影响。二、材料与方法1.骨质疏松性脊柱畸形的分类研究：使用电子脊柱曲度活动度测量仪对450名骨质疏松症老年女性的脊柱曲度、活动度和平衡能力进行在体测量。根据脊柱胸腰椎曲度对其进行分类对比研究。2.椎体骨小梁纳米力学性能的研究：收集骨质疏松性椎体T7和L4,各7个椎体标本。将每个椎体分为前上部,前下部,后上部及后下部四部分。使用纳米压痕仪对各部分的骨小梁生物力学性质分别测试,并做对比研究。3.脊柱曲度六年随访研究：收集326名骨质疏松症老年女性的第一年及第六年的脊柱X线数字摄影图像。通过X线图像对其骨折数量、位置、类型及骨质疏松程度的骨折情况进行统计研究。根据第六年骨折椎体的位置将患者分组对比分析。三、结果1.根据患者脊柱畸形的程度分为五型。二型圆背型和五型亚圆背型所占比例最高,分别为38.44%和29.33%。一型正常组和三型凹圆背型的活动度最大,分别为108.00±21.93°和102.51±23.16°。一型正常组和三型凹圆背型脊柱倾角最小,分别为1.82±3.21°和2.99±5.89°,平衡能力最好。2.使用TI-950型纳米压痕仪在试件中选取典型骨小梁交叉处作为测量点,得到纳米压痕仪测量的压力位移曲线。从该曲线中可以计算得到骨小梁纳米硬度和弹性模量。7具标本的T7和L4椎体骨小梁平均纳米硬度为0.51±0.07GPa；平均弹性模量为14.99±1.33GPa。3.根据椎体骨折的位置将患者分为四组。其中胸腰段出现椎体骨折的一共102人,152个椎体,占总人数的31%,是出现椎体骨折最常见的部位。全部患者的平均胸椎后凸曲度是37.1°,平均腰椎前凸是29.3°。四、结论1.本研究是在全脊柱的基础上,首次对中国骨质疏松症老年人群脊柱畸形和活动能力的首次分类对比研究。其中四型和五型的平衡能力最差。而三型则有较好的平衡和运动能力。今后的临床和科研更应该从全脊柱的角度对老年人群的脊柱运动功能进行研究。我们的研究对今后临床对畸形患者的分类,畸形患者的康复和治疗的干预策略的制定,对患者的跌倒的预防工作,对锻炼和支具的应用去改善患者的生活质量,都成为一个临床简易的方法和标准。因为脊柱活动能力是患者的脊柱的功能和生活质量的最密切的影响因子,所以对于四型和五型的患者我们应给予及时的干预治疗2.纳米压痕技术是一种可直接测量骨微观力学特性的研究方法,在评价骨、软骨及组织工程材料和骨质疏松诊断治疗领域有着良好的发展前景。将纳米压痕技术引入到骨科疾病的诊断治疗中,运用纳米压痕技术并结合其它微组织结构分析技术,建立骨宏观至骨微、纳观力学强度评价体系,能够为临床医师提供一个全新的视角,对疾病的病理变化、治疗效果有着更为深入的认识。对于骨质疏松患者不同节段和椎体内部不同位置的骨小梁生物力学性质相同,与外部的应力和骨密度没有相关性。3.本研究随访了骨质疏松症患者六年的脊柱X线数字摄影结果,证明了骨质疏松症患者的胸椎后凸曲度随年龄的增加而增加,尤其是胸椎出现骨折的患者,其胸椎曲度增加更为明显。而骨质疏松症患者的腰椎前凸曲度虽有所减小,但差异无统计学意义,仍需更大规模的研究进一步明确其变化规律。