強迫體位下諧振對腰部椎間盤組織形態學影響的實驗研究＊

張智慧，黃昌林，王 帥

振動是引起下腰痛的重要危險因素，流行病調查研究結果發現駕駛員中腰痛的患病率比其他不接觸振動的人們要高很多，并且其差異有統計學意義［1］。國外Pope等實驗研究車輛振動可以使駕乘人員腰椎產生垂直和水平運動，并且下腰椎的水平位移最大，腰椎的諧振區在4～6 Hz，當振動頻率與腰椎的諧振區重疊，產生諧振時可加大對腰部的損傷［2］。腰椎間盤是引起下腰痛的主要部分已廣為人知，但研究諧振對腰椎間盤組織的影響情況卻鮮有報道。本課題通過觀察諧振頻率對兔腰椎間盤組織的形態學影響，以期探討振動對椎間盤組織產生損傷的機制，并進一步為振動所致椎間盤源性下腰痛尋找積極有效的預防方法。

1 材料和方法

1.1 研究對象和實驗造模 新西蘭大白兔90只，雌雄不限，體重 1.5～2 kg，8 月齡，隨機分為 5 組，分別為：正常對照組；造模對照組；振動4 Hz組；振動5 Hz組；振動6 Hz組。每組各18只，各組在同一條件下分籠飼養。分別在實驗2、4、6周隨機抽取6只動物處死。

正常對照組動物進行自由活動；造模對照組動物模仿駕駛員強迫直立臀位坐于固定籠中，無振動；振動組（振動4 Hz組、振動5 Hz組、振動6 Hz組）實驗動物模仿駕駛員姿勢強迫直立臀位坐于特制振動籠中，以保證振動時實驗動物臀部完全接觸振動。振動時間2 h，1次/d。振動時造模對照組動物置于固定籠中，時間2 h，1次/d。其他非振動時間，各組動物處于同一環境條件下進行喂養。

1.2 主要試劑 甲醛溶液，由鄭州化學三廠提供；蘇木素染液、伊紅染液，均由福州邁新生物技術開發公司提供。

1.3 主要實驗儀器 振動臺，由天津宏達試驗儀器有限公司提供；操作臺，由洛陽新思路電氣有限公司提供；BM－VII型生物組織包埋機，由孝感市宏業醫用儀器有限公司提供；Tissue－Tek VIPTM 5Jr型全封閉組織自動脫水機，由日本櫻花公司提供；賽默飛世爾自動染色機，由Thermo公司提供；RM 2128型切片機，由LEICA公司提供；光學顯微鏡BX－40型，由OLYMPUS公司提供。

1.4 標本采集及處理 每組分別于實驗第2、4、6周隨機抽取6只實驗動物，采用耳源靜脈空氣栓塞法處死，取出腰5～6椎間盤，修剪整齊后，生理鹽水進行清洗；椎間盤標本組織置于10%甲醛溶液固定72 h，置入10%硝酸脫鈣液3 d脫鈣后，切開修材，流水沖洗，自動脫水機脫水；12 h后石蠟包埋，沿正中橫斷面切片，切片厚4 μm，60℃烤箱烤片30 min，放入自動染色機，行常規HE染色，經過60 min染色后，取出切片，中性樹脂封膠。石蠟切片經過HE染色后，顯微鏡下觀察椎間盤組織的病理學改變。

1.5 組織病理學評分 采用標準五分法對實驗兔椎間盤組織進行病理學評分以便于進行統計學分析，科學判斷椎間盤組織受損情況。具體方法如下：顯微鏡下（10×40）每張切片隨機選5個視野，觀察椎間盤髓核組織、膠原纖維等的病理學變化并按標準予以評分，取5個視野平均分值為標本得分。病理學評分標準：基質成分多，髓核組織飽滿，形狀規則；膠原纖維纖細，排列致密整齊，評1分；基質成分減少，髓核組織松散，形狀不規則；膠原纖維增粗增多，出現梭形或不規則形態的細胞，排列不規整，評2分；髓核組織干癟，出現裂隙、巨大空泡，距纖維環距離增寬；膠原纖維扭曲，排列紊亂，纖維環出現裂隙，評3分；髓核組織出現寬大裂隙；膠原纖維裂隙寬大，評4分；髓核組織出現斷裂，細胞分布極其散亂，形狀極不規則；纖維環出現斷裂，評5分。

1.6 統計學處理 采用 SPSS14.0統計學軟件，實驗數據以±s表示，組間差異比較采用單因素方差分析，P＜0.05為差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 動物椎間盤組織病理學變化 見表1、2、3。

2.2 病理學評分 采用單因素方差分析，組間具有顯著性差異，其中振動6 Hz組椎間盤組織病理學評分明顯高于其他組別（P＜0.05），且組內每時期病理學評分隨時間逐漸升高（P＜0.05），在 6周達到高峰；振動5 Hz病理學評分高于振動4 Hz組及造模對照組，且組內每時期病理學評分隨時間逐漸升高（P＜0.05），在6周達到高峰；振動4 Hz組病理學評分與造模對照組比較無顯著性差異，但在第四、六周明顯高于同期正常對照組（P＜0.05），見表 4。

表1 2周時實驗動物腰L5～6椎間盤組織病理學主要表現

表2 4周時實驗動物腰L5～6椎間盤組織病理學主要表現

表3 6周時實驗動物腰L5～6椎間盤組織病理學主要表現

表4 各組動物不同時間點椎間盤組織病理學評分（±s）

表4 各組動物不同時間點椎間盤組織病理學評分（±s）

注：與同期正常對照組比較，*P＜0.05；與同期造模對照組比較，#P＜0.05；與同期振動 4 Hz 組比較，△P＜0.05；與同期振動 5 Hz 組比較，▲P＜0.05；與同期振動 6 Hz組比較，★P＜0.05。 與同組前時期比較，☆P＜0.05

組別 2周 4周 6周正常對照組 1.12±0.08#△▲★ 1.14±0.11#△▲★ 1.13±0.11#△▲★造模對照組 1.18±0.10*▲★ 1.58±0.16*▲★☆ 2.02±0.18*▲★☆振動 4Hz 組 1.23±0.09▲★ 1.66±0.15*▲★☆ 2.16±0.29*▲★☆振動 5Hz 組 1.58±0.10*#△★ 2.19±0.20*#△★☆ 3.26±0.36*#△★☆振動 6Hz 組 1.86±0.13*#△▲ 2.98±0.14*#△▲☆ 4.03±0.25*#△▲☆

3 討 論

3.1 椎間盤組織的解剖基礎 椎間盤主要是由中央的髓核、周圍圍繞的纖維環及上下兩層軟骨板組成的一個密封體，承擔著傳導和緩沖壓力負荷的功能，保持著脊柱的穩定性。中央髓核是一種彈性膠狀物質，髓核中含有蛋白多糖及大量水分。蛋白多糖分子通過與水分子結合保持髓核內的水分。椎間盤周圍纖維環主要由膠原纖維、軟骨細胞及細胞外基質組成，纖維環的纖維束相互斜行交叉重疊，使纖維環成為堅實的組織，和細胞基質共同維持著椎間盤的壓力平衡，承受負荷，使椎間盤具有良好的黏彈性和抗壓性［3，4］。 人體在振動環境中，動態載荷對脊柱組織間產生的應力與應變是同樣大小靜態載荷所產生的應力與應變的2～3倍［5］。當其振動頻率與人體組織的振動頻率相同或接近時，會發生諧振，使組織的振動幅度越來越大，最終造成組織撕裂、出血等損傷或其他功能性傷害［6］。

3.2 椎間盤組織形態學改變 在顯微鏡下觀察椎間盤組織病理學變化，發現振動組動物髓核組織病變出現較造模對照組早，特別是振動6 Hz組在實驗第2周髓核組織即出現松散、形狀不規則等變化，繼而出現髓核組織干癟、裂隙，甚至斷裂等病變。振動5 Hz組和4 Hz組椎間盤髓核組織在實驗第2周時也出現了明顯的變化，而造模對照組在實驗6周時髓核組織才稍出現松散，形狀不規則。考慮其主要原因可能是振動產生動態應力，極易導致髓核組織壓力增大，髓核細胞代謝紊亂，髓核蛋白多糖及基質降解，髓核內水分流失，繼而導致髓核組織出現松散、裂隙、干癟，甚至斷裂。而造模對照組僅僅是靜態應力，產生的應力作用比較小，椎間盤有一定的承受負荷能力，因而造成損傷程度較輕。

3.3 椎間盤組織病理學評分 本文結果還提示：振動5 Hz組和6 Hz組實驗動物椎間盤組織病理學評分在相同時期明顯高于振動4 Hz、造模對照組和正常對照組，特別是振動6 Hz組椎間盤病理評分最高。主要考慮原因為6 Hz振動頻率與椎間盤組織產生重疊諧振效應最強，5 Hz振動頻率次之。諧振效應會對動物脊柱產生的應力負荷瞬間加大，振動的幅度瞬間加大，超過椎間盤對振動動態負荷的承受力，故而可早期導致椎間盤組織纖維環紊亂甚至斷裂，髓核組織病變。而在振動4 Hz組，其椎間盤組織病理學評分與造模對照組比較無明顯差異，主要考慮由于其振動頻率與椎間盤組織重疊相比較小，產生的動態載荷應力較弱。實驗結果還提示，各振動頻率組病理學評分隨著時間推移逐漸升高，這也提示振動對椎間盤造成的損傷具有持續性以及累積性。

3.4 對軍事訓練的指導意義 振動在交通工具中產生非常普遍，發動機、車輛行駛中均可產生振動，相關軍事訓練人員的下腰痛發病率非常高，大量文獻調查顯示其發病率在 30%～82%［1，5，6］。特別是椎間盤源性下腰痛，近幾年呈上升趨勢，其后遺傷害比較嚴重，嚴重影響了軍隊的戰斗力。本實驗研究了諧振頻率對椎間盤組織的損傷。提示下一步通過研究利用各種物理、化學材料，致使機器產生的振動頻率在傳入人體過程中發生變化，使相關軍事訓練人員避開諧振頻率，是預防椎間盤源性下腰痛的關鍵。

［1］侯樹勛，于 紅，吳聞文，等.高原汽車駕駛員腰痛的流行病學調查［J］.中國臨床康復，2002，6（10）：1460.

［2］ Pope MH，Svensson M，Broman H，et al.Mounting of the transducer in measurement of sequential motion of the spine［J］.J Biomech，1986，19（6）：675－677.

［3］胥少汀，葛寶豐，徐印坎，等.實用骨科學［M］.第3版.北京：人民軍醫出版社，2005.1731－1743.

［4］ Bogduk N.Clinical anatomy of the lumbar spine［M］.3 rd.New York：Churchill livingstone，1997.13－31.

［5］ Keller TS，Colloca CJ，Beliveau JG，et al.Force－deformation response of the lumbar spine： a sagittal plane model of posteroanterior manipulation and mobilization［J］.Clinical Biomechanics，2002，17（3）：185－196.

［6］李 昊，李世軍.淺談振動的危害及其預防［J］.中國個體防護裝備，1997，5（4）：36－40.

［7］王 飛.航空兵部隊機務人員下腰痛34例分析［J］.人民軍醫，2010，53（5）：333.

［8］高明暄，劉興炎.西北高寒區裝甲駐軍部隊腰痛的流行病學調查［J］.現代預防醫學，2006，24（5）：339－342.