C4～5、T11～12、L5～S1椎間盤與相鄰椎體扭轉力學的特性

羅清華，周成亮，白玉和，任園，張樹泉

(1.呼倫貝爾市人民醫(yī)院骨科，內蒙古呼倫貝爾市 021008；2.天津市南開醫(yī)院骨科，天津 300100)

1 引 言

脊柱的功能主要有：(1)在各種體位支持軀干，將頭與軀干的載荷傳遞至骨盆；(2)使軀干能夠進行較大范圍的活動；(3)保護脊髓以及胸腔，腹腔和盆腔臟器[1]。以上功能的完成均要求脊柱具有足夠的穩(wěn)定性。脊柱不穩(wěn)是臨床上經(jīng)常遇到的問題，創(chuàng)傷、蛻變、炎癥、腫痛等均可引起脊柱不穩(wěn)，在診斷脊柱傷病時，往往要對脊柱的穩(wěn)定性做出準確的判斷，選擇最佳的治療方案。椎間盤是脊柱承載系統(tǒng)中關鍵部分。脊柱的功能單位是活動節(jié)段，包括兩個椎體及其間的軟組織，重疊的兩個椎體，椎間盤和縱形韌帶組成活動節(jié)段的前部，椎體主要受壓縮載荷，椎間盤在力學和功能上都很重要[2]。國內外學者們對脊柱的生物力學做了大量的研究，岳壽偉[3]測量了不同體位和動作時L3～4椎間盤所承受的壓力, 發(fā)現(xiàn)它們之間存在很大差異。郭郡浩[4]通過理論計算得出了腰椎前屈不同角度時腰椎間盤受力的情況，結果顯示, 腰椎前屈增加的主要是剪切力, 因此, 腰椎前屈時容易損傷。李建軍等[5]對比分析C5～6、T12～ L1、L4～5椎間盤與相鄰椎體的壓縮力學性質, 取C5～6、T12～L1、L4～5 椎間盤與相鄰椎體標本各13 個,進行壓縮實驗，結果顯示，L4～5 組椎間盤與相鄰椎體最大載荷大于T12～L1 和C5～6 組、 C5～6 組，最大位移大于L4～5 組和T12～L1 組、 L4～5組椎間盤與相鄰椎體最大應力大于C5～6 和T12～L1 組、 C5～6 組椎間盤與相鄰椎體最大應變大于L4～5 和T12～L1 組, 差異顯著(P<0.01) 。得出了C5～6、T12～L1、L4～5 椎間盤與相鄰椎體標本的壓縮力學性質有一定區(qū)別的結論。彭傳剛等[6]對正常國人新鮮尸體C3～4、T9～10、L2～3椎間盤與相鄰椎體進行彎曲實驗研究，取C3～4、T9～10、L2～3椎間盤與相鄰椎體標本各13個進行彎曲實驗，結果表明,L2～3組最大載荷、最大彎距、最大應力大于C3～4、T9～10組,差異顯著(P<0.05),T9～10組最大載荷、最大彎距、最大應力大于C3～4組,差異顯著(P<0.05)，得出了C3～4、T9～10、L2～3椎間盤與相鄰椎體標本的彎曲力學性質有一定區(qū)別,標本的橫截面積越大,承受的載荷和應力越大,但不成正比關系的結論。

以往的研究多為研究腰椎間盤與相鄰椎體的壓縮力學特性居多，L5～S1、T11～12、C4～5椎間盤與相鄰椎體扭轉實驗研究鮮有報道，鑒于臨床實際需要，我們對L5～S1、T11～12、C4～5椎間盤與相鄰椎體進行扭轉實驗研究。得出了三組標本的扭轉最大扭矩、扭轉角、切應力等力學性能指標。觀察了三組標本破壞后的斷口形貌，得出了一些結論，對實驗結果進行分析討論。

2 材料與方法

2.1 材料

實驗標本取自正常國人新鮮尸體13個脊柱標本，由白求恩醫(yī)科大學解剖教研室提供年齡20～30歲，均為男性。人死亡1 h之內，解剖尸體取出C1～S1脊柱。立即裝入塑料袋中密封后置于20℃冰箱內保存。

2.2 儀器

德國萊比錫試驗機廠生產(chǎn)的扭轉試驗機，長春市第三光學儀器廠生產(chǎn)的讀數(shù)顯微鏡。

2.3 扭轉實驗方法

標本存放了3 d后，取出標本，在常溫下解凍后，切取C4～5、T11～12、L5～S1椎間盤與相鄰椎體標本，每組各13個標本。C4～5標高30.2～30.4 mm，直徑20.2～24.6 mm，T11～12標本高40.2～40.4 mm，直徑27.8～28.6 mm，L5～S1標本高44.8～45.2 mm，直徑44.8～48.6 mm。利用讀數(shù)顯微鏡測量試樣的長度、寬度和高度。腰椎松質骨為粘彈性材料；所以必須對試樣進行預調處理，本實驗按文獻[7-10]的方法對每個試樣進行預調處理后實驗。分別將3組試樣裝入夾具內，之后將夾具兩端裝入試驗機夾關內，以5°/min的實驗速度對試樣施加扭矩，實驗結束后，試驗機度盤自動顯示出最大扭矩、最大扭轉角等。

2.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 11.0軟件進行統(tǒng)計分析，計數(shù)資料以x±s表示，采用完全隨機分組單因素方差分析進行數(shù)據(jù)分析。采用t檢驗對2組實驗數(shù)據(jù)進行比較，P<0.05為差異有顯著性意義。

3 結果

3組標本扭轉實驗結果見表1。

4 討論

本實驗得出了C4～5、T11～12、L5～S1椎間盤與相鄰椎體扭矩、扭轉角、扭轉切應力等力學性能指標，目的是對比C4～5、T11～12、L5～S1椎間盤與相鄰椎體的扭轉力學特性。為使實驗結果可靠，采取了如下干預措施：(1)3組椎間盤與相鄰椎體扭轉試樣在相同實驗速度，相同溫度下進行實驗。(2)實驗標本均為青年男性，避免了性別不同，年齡差異大產(chǎn)生的偏倚。(3)以統(tǒng)計分析和t檢驗方法評估實驗數(shù)據(jù)的誤差,通過采取以上干預措施使實驗數(shù)據(jù)誤差降低到最低。實驗結果表明，L5～S1組最大扭矩大于T11～12組和C4～5組，差異顯著(P<0.05)，L5～S1組切應力大于C4～5組，差異顯著(P<0.05)，C4～5組扭轉角大于T11～12組和L5～S1組差異顯著(P<0.05)。本實驗試樣的破壞形式大部分以椎骨和間盤相接處的最外邊緣扭壞。試樣破壞時，扭矩由頸椎至胸腰段逐漸遞增，試樣所承受的扭矩，隨著截面積增大，扭矩不斷增大，但不成正比關系。由于脊柱各活動節(jié)段所處的解剖位置不同，其生理功能不同，所以，其承受的扭矩、扭轉剪應力、扭轉角不同。

表1 椎間盤與相鄰椎體扭轉實驗數(shù)據(jù)

注: L5～S1組、T11～12組、C4～5組最大扭矩數(shù)據(jù)分別配對，t檢驗差異顯著(P<0.05)，L5～S1組、T11～12組、C4～5組扭轉角數(shù)據(jù)配對，t檢驗差異顯著(P<0.05)，L5～S1組、T11～12組、C4～5組切應力數(shù)據(jù)分別配對，t檢驗差異顯著(P<0.05)。

維持脊柱穩(wěn)定的基本單位是活動節(jié)段，也叫脊柱功能單位(functional spinal unit,FSU)[1]，包括相鄰兩節(jié)椎體及其間的椎間盤、小關節(jié)和韌帶結構。FSU是能夠反映脊柱生物力學性質的最小單位，同時也是維持脊柱穩(wěn)定的基本單位。在正常條件下，F(xiàn)SU由于各種外部和內部載荷(應力)的作用而發(fā)生，各組成部分的變形(應變)和這些組成部分之間的相對位移與活動，載荷的形式則有壓縮、拉伸、扭轉、剪切等。FSU的每一組成部分都不同程度地參與了載荷的承受，這些載荷(應力)的作用以及由此導致變形[1]。關于椎間盤的退變原因，有研究認為，髓核通過纖維環(huán)，軟骨板和椎體經(jīng)椎板供給營養(yǎng)的，因此，軟骨板是非常重要的，隨著年齡增長的化學變化，機械損傷能引起軟骨板的功能改變，隨著退變的發(fā)生，纖維環(huán)極易出現(xiàn)斷裂，各纖維環(huán)的斷裂程度不一，但在通常情況下，腰纖維環(huán)由于承載較大，易開裂，但對壓縮負荷而言，纖維環(huán)比椎體強度要高的多，椎間盤破壞常常是軟骨板骨折，但處于扭轉負荷作用下，椎間盤很容易使纖維環(huán)外層開裂[11]。Markolf[12]觀察到椎間盤的抗拉應力低于抗壓應力,認為這是椎間盤內壓的作用所致;彎曲載荷對椎間盤也有明顯影響，纖維的膨出總是發(fā)生在彎曲脊柱的凹側,前屈時向前膨出,后伸時向后膨出。目前認為，脊柱扭轉是引起椎間盤損傷諸應力中的最主要類型。椎間盤的組織解剖學特點決定了其承受扭轉載荷的能力較弱,纖維環(huán)的內外層纖維與椎間盤平面存在30°夾角，因此，椎間盤承受扭轉載荷時承載的僅僅是其中的一部分纖維，強度遠遠低于承受壓縮載荷和拉伸載荷[13]。本實驗結果與文獻[13]觀點一致。

本實驗研究了L5～S1、T11～12、C4～5椎間盤及相鄰椎體的壓縮力學特性。由于標本有限和生物材料個體差異的原因，實驗數(shù)據(jù)有一定的離散性，但對臨床有一定的參考價值。