關(guān)于脊柱生物力學(xué)研究中動(dòng)物模型解剖的研究進(jìn)展

閻容稷，楊鑫，曹凡，胥江品，舒鈞

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院創(chuàng)傷外科，云南 昆明 650000)

1 Introduction

近幾十年以來(lái)，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展迅速，各種新興藥物及手術(shù)方式不斷出現(xiàn)。對(duì)于骨科而言，骨科的發(fā)展離不開(kāi)骨科材 料學(xué)的發(fā)展，各種內(nèi)固定物都在不斷的優(yōu)化。在脊柱外科的發(fā)展過(guò)程中，各種內(nèi)固定方式層出不窮，其間出現(xiàn)了Harrington 裝置[1]、Luque 裝置[3]、CD(Cotrel-Dubousset Instrumentation)系統(tǒng)[4]、TSRH、Isola 系統(tǒng)等等，直至近年來(lái)常用的椎弓根螺釘系統(tǒng)。這些內(nèi)固定器械的發(fā)展推動(dòng)了脊柱外科的發(fā)展，使我們面對(duì)各種脊柱創(chuàng)傷、畸形、疾患時(shí)擁有了我們自己的武器。在本篇文章中，我們將對(duì)在內(nèi)固定系統(tǒng)研制過(guò)程中建立動(dòng)物生物力學(xué)模型時(shí)關(guān)于動(dòng)物種類的選擇及其與人類脊柱的解剖學(xué)特點(diǎn)對(duì)比的最新研究進(jìn)展予以綜述。

2 常用動(dòng)物模型的種類

在各種內(nèi)固定器械的研制過(guò)程中，人體新鮮標(biāo)本固然是最好的實(shí)驗(yàn)材料。但是由于人體新鮮標(biāo)本在使用過(guò)程中需要顧及其倫理、道德、法律等問(wèn)題，同時(shí)要獲取符合標(biāo)準(zhǔn)的青年新鮮健康脊柱標(biāo)本也存在一些困難，故在實(shí)際使用過(guò)程中常使用動(dòng)物脊柱模型代替人體新鮮標(biāo)本。因?yàn)樾枰紤]到脊柱椎體大小的相似性，小型動(dòng)物脊柱一般不適合用于生物力學(xué)研究，較為常用的動(dòng)物模型有豬、牛、山羊、綿羊、鹿[5-9]等體型較大的動(dòng)物。有一些人認(rèn)為人類的行動(dòng)方式為直立行走，應(yīng)選用與人類行動(dòng)方式類似的動(dòng)物更為穩(wěn)妥，例如猴子、黑猩猩等動(dòng)物。因?yàn)橄嗨频男袆?dòng)方式下，脊柱的受力載荷的大小及方向也是類似的，生物力學(xué)特點(diǎn)也會(huì)更為相似。而四足動(dòng)物的行走方式與人類相差較大，故四足動(dòng)物脊柱載荷與人類脊柱載荷方式不同。但是這種觀點(diǎn)在文獻(xiàn)中并未得到證實(shí)，反而與此相反，有幾項(xiàng)研究表明了兩者在解剖學(xué)上存在驚人的相似性[10,11]。故對(duì)于脊柱的生物力學(xué)、解剖學(xué)研究而言，大型四足動(dòng)物脊柱可以作為理想的動(dòng)物模型供我們進(jìn)行選擇[6]。

3 常用動(dòng)物模型的解剖學(xué)特點(diǎn)

3.1 豬

豬作為脊柱外科實(shí)驗(yàn)研究中最常用的動(dòng)物模型，其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)與人類相似性較高。Hamid Abbasi , Ali Abbasi 等人在研究了豬脊柱的解剖特點(diǎn)及其在X 線照射下成像特點(diǎn)，于人類脊柱特點(diǎn)比較后得出結(jié)論：可以將豬脊柱作為微創(chuàng)性脊柱融合術(shù)的教學(xué)材料，雖然其解剖特點(diǎn)于人類存在一定差別，但是在操作手感、教學(xué)效果等方面對(duì)比人類尸體模型差別并不大，且在造價(jià)、實(shí)用型、便利性等方面遠(yuǎn)超人類尸體模型[12]。

豬脊柱存在7 個(gè)頸椎椎體，15 個(gè)胸椎椎體，6 個(gè)腰椎椎體。Iris Busscher · Joris J. W. Ploegmakers · Gijsbertus J. Verkerke ·Albert G. Veldhuizen 等人選取了6 具人尸和6 具豬尸的新鮮冷凍脊骨。人類標(biāo)本取自6具男性尸體(平均死亡年齡72歲，范圍：55 歲-84 歲，平均總身高182cm，范圍：175-192 厘)，豬的脊骨標(biāo)本選取為4 個(gè)月左右大小的家豬，平均體重為40 公斤(范圍：37-44 公斤)。選取其脊柱的C3-L5/6 節(jié)段，在CT 下掃描對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：在脊柱長(zhǎng)度(C3-L5/6 總長(zhǎng)度)方面，人類脊柱長(zhǎng)度為569.4mm±17.67mm，豬脊柱569.5mm±16.19mm，對(duì)比二者平均長(zhǎng)度，差距僅為0.1mm。然而，減去豬脊柱多出的4 個(gè)椎體后，其全長(zhǎng)大概為471.7mm；其平均椎體高度要小于人體脊柱。在脊柱角度方面，人類脊柱的頸椎前凸較少(20.1°vs 43.8°)，而胸部后凸較多(34.5°vs 15.6°)，腰椎前凸較多(29.2°vs 7.9°)[13]。

在比較豬椎體與人椎體具體解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，我們常規(guī)測(cè)量幾個(gè)解剖學(xué)參數(shù)進(jìn)行具體對(duì)比。(見(jiàn)圖1)

圖1 解剖參數(shù)的測(cè)量[2]

無(wú)論是豬椎體還是人類椎體，其中部椎體高度都要小于前方及后方椎體高度，但是這種差異在人類椎體上更為明顯。這就表明，人類椎體終板大多為凹型，而豬椎體終板更為平整。從C3 到L5 椎體，人類椎體的VBWu 與VBDu 在逐步增大，其中VBWu 從27.7mm 增加到54.0mm，VBDu 從16.5mm 增加至36.7mm，豬 椎 體VBWu 從20.0mm(C3) 增 至28.0mm(L6)，VBDu 從14.4mm(C3)至14.1(L6)，兩者尺寸較為相似的節(jié)段主要集中于胸椎。對(duì)于椎管寬度來(lái)說(shuō)，人類與豬的椎管最寬的部分均位于頸椎和腰椎區(qū)域，其變化大小變化趨勢(shì)是類似的，而且椎管形狀也是類似的，在頸椎椎管呈類三角形，胸椎椎管變?yōu)轭悎A形，腰椎椎管再次回歸類三角形。當(dāng)椎體大小類似時(shí)，豬椎管大小較人椎管小，其大小最接近節(jié)段也位于胸椎。對(duì)于椎弓根大小來(lái)說(shuō)，人與豬的椎弓根高度相似。對(duì)于PW 來(lái)說(shuō)，除去在高位胸椎節(jié)段，人類PW 與豬PW 大小稍有不同，其余節(jié)段在數(shù)值方面均極為接近。人類PH 在頸段是幾乎不變的，在胸椎段逐漸增加，直至T12 節(jié)段達(dá)到最大值，于腰段逐漸減小。豬脊柱也存在類似的現(xiàn)象，但是脊柱大小的顯著增大是從下胸段開(kāi)始的，故兩者PH 大小在頸段及下胸段、上腰段大小較為相似[13]。

總體上來(lái)說(shuō)，在研究脊柱生物力學(xué)的課題中，豬作為最常用的一種動(dòng)物模型，其具體解剖結(jié)構(gòu)與人類脊柱相似度較高，特別是在脊柱胸段，其解剖在各個(gè)方面都與人類脊柱極為相似。且豬脊柱的成本及獲取難度較低，其使用也較為方便，是一種較為理想的選擇。

3.2 牛

在一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，有些人會(huì)傾向與使用牛脊柱來(lái)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆颖荆瑢?duì)于牛脊柱而言，首先我們需要考慮的是其椎體大小問(wèn)題。成年牛有49-51 節(jié)椎骨，不包括尾巴有35 節(jié)，其中存在7 節(jié)頸椎，13 節(jié)胸椎，6 節(jié)腰椎及18-21 節(jié)尾椎。成年牛脊柱長(zhǎng)度平均為2800mm，平均比成年人類脊柱長(zhǎng)209cm。若要先擇與人類脊柱長(zhǎng)度相似的牛脊柱，我們需要選擇6-8 周大小的牛犢[14]，此年齡段的牛犢脊柱與人類脊柱特點(diǎn)才比較有意義，故我們主要討論此年齡段的牛犢。不同于人類脊柱的頸椎、胸椎、腰椎曲度，牛脊柱沒(méi)有明顯的生理曲度，取而代之的是一個(gè)貫穿整個(gè)脊柱全長(zhǎng)的逐漸增大的生理彎曲(見(jiàn)圖2)。牛脊柱整體的活動(dòng)性較人類低，其主要原因可能是牛脊柱椎間盤較矮(占脊柱全場(chǎng)的10%，而正常成年男性脊柱椎間盤約占其脊柱全場(chǎng)的25%左右)，對(duì)其脊柱的活動(dòng)度存在一定的影響，其脊柱最活動(dòng)度最佳部位位于胸段T13 附近，Sue-A-Quan 等人曾報(bào)道說(shuō)牛椎間盤的構(gòu)成與人類椎間盤相似，同樣為一個(gè)髓核，其周圍圍繞纖維環(huán)。在頸段與腰段其椎間盤形態(tài)與人類類似，同為雙凹形，但是在胸段，牛椎間盤變得不同，呈凹凸形(人體與牛胸腰椎比較[6]。故如果想要使用牛胸椎椎間盤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，需要考慮其形態(tài)學(xué)上的差異。

牛脊柱椎體形態(tài)上與人脊柱中的相應(yīng)椎體差別較大(見(jiàn)圖2、3)，Paul C. Cotterill, J. P. Kostuik 等人選取了牛脊柱中形態(tài)最為典型的T6、T12、L3 三個(gè)節(jié)段與人類椎體進(jìn)行比較[14](見(jiàn)表1)。

從這些數(shù)據(jù)中我們可以看出，6-8 周大小的牛犢較成人脊柱椎體高度更高，但是終板面積更小。而對(duì)于終板面積而言，牛高位胸段椎體終板面積與人更為相近。其中高度與人類脊柱最為相似的是T12 椎體，寬度與長(zhǎng)度人脊柱最為相似的是T6椎體。牛的椎管大小及形態(tài)整體與人類椎管相似。牛椎弓根整體較人椎弓根更粗。對(duì)于椎弓根寬度來(lái)說(shuō)牛T6 椎體椎弓根寬度要遠(yuǎn)大于人類，但是T12 與L3 椎體椎弓根寬度與人類類似。且牛的生長(zhǎng)速度較快，所以一些體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究也不適合用牛來(lái)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｎ覀冊(cè)诳紤]使用牛脊柱作為實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，首先需要仔細(xì)選取年齡合適的牛犢，此外還需要選取實(shí)驗(yàn)所需要的合適的節(jié)段及區(qū)域，這樣才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果在人脊柱上也存在一定的意義。

圖2 整體人脊柱與牛脊柱側(cè)面觀

圖3 整體人脊柱與牛脊柱正面觀

表1 牛脊柱T6、T12、L3 椎體與人脊柱的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比[12]

3.3 綿羊

許多實(shí)驗(yàn)者選擇使用綿羊脊柱來(lái)建立動(dòng)物模型，用于研究一些例如椎間盤退變模型[15]、新型內(nèi)固定系統(tǒng)[16]等課題。在某些節(jié)段，綿羊脊柱存在其獨(dú)特的特點(diǎn)，所以在某些課題研究中，綿羊脊柱可作為人類脊柱最好的替代物進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。

綿羊的脊椎通常由7 個(gè)頸椎，12-14 個(gè)胸椎和6-7 個(gè)腰椎組成。HANS-JOACHIM WILKE 等人[11]選用5 只3-4 歲的雌性merion 綿羊，體重從57-81kg 不等(平均72±7.0kg)，仔細(xì)測(cè)量其各項(xiàng)椎弓根參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，綿羊椎體最大的特點(diǎn)是其椎體高度較高，這一點(diǎn)在頸椎段體現(xiàn)的尤為明顯。在胸椎及腰椎段，綿羊椎體與人類相似度較高。

綿羊的椎體最大特點(diǎn)是其椎體高度的存在較大變化。從具體數(shù)值上看，綿羊頸椎后方VBHp 從C2 椎體(46.8±1.9)mm逐漸減小，至C7 椎體(27.0±1.1)mm，在高位胸段椎體VBHp 幾乎一直保持為26mm 左右，直至中段胸椎開(kāi)始，VBHp 開(kāi)始緩慢增加，直至L6 椎體VBHp 達(dá)到(41.6±1.1)mm，而L7 椎體較L6 椎體小5.4mm 左右。VBHa 的變化趨勢(shì)類似VBHp，在C2椎體為(56.3±3.1)mm，逐漸減小至C7 為(26.6±1.4)mm，隨后開(kāi)始逐漸增加，在T6(39.4±1.7)mm 椎體最大值。在腰椎節(jié)段，VBHp 平均較VBHa 大3.5mm(9.3%)。胸椎節(jié)段VBHp 同樣要大于VBHa，但是這種現(xiàn)象沒(méi)有腰椎明顯。但是在頸椎區(qū)域卻相反，VBHa 要顯著大于VBHp，其差距最大的是C2 椎體，平均達(dá)到9.5mm(20.3%)。在高位頸椎中，VBWu 一般為25mm，從頸椎下端開(kāi)始逐漸降低，到T3 節(jié)段到達(dá)最小，隨后開(kāi)始緩慢增大，直至L7 節(jié)段達(dá)到(32.7±0.6)mm。C2 節(jié)段為特殊節(jié)段，VBWu達(dá)到了(52.6±1.3)mm。除了C2 節(jié)段以外，每個(gè)椎體VBWl 均大于VBWu，在頸椎節(jié)段及腰椎末端這種差異最大，在L7 節(jié)段VBWl 比EPWu 大7.7mm(23.6%)。在三種參數(shù)中，VBD 是最小的。綿羊的VBD 在整個(gè)脊柱中較為穩(wěn)定，其中最小為 L7椎體(17.7±0.9)mm，其最大值位于C4(26.5±1.2)mm，其余椎體VBD 大小均處于20mm 左右。從以上數(shù)據(jù)中我們可以得知，綿羊椎體整體呈扁圓柱形，同時(shí)羊椎體上終板線外凸起而下終板向內(nèi)凹陷，這種形態(tài)增加了脊柱的抗剪切力作用，這種形態(tài)的產(chǎn)生也許與羊的四足行走方式有關(guān)[17]。這些形態(tài)學(xué)上的差異是嘗試使用山羊進(jìn)行動(dòng)物模型進(jìn)行研究的研究者需要重視的。

綿羊椎弓根高度(PD)在頸椎段逐漸減小，從C2 (38.9±1.6)mm減小至T1(15.3±1.6)mm，然后開(kāi)始逐漸增大至L5(36.8±1.4)mm，L6、L7 椎體PD 又開(kāi)始逐漸減小。而就椎弓根寬度(PW)來(lái)說(shuō)，在C2 至C6 椎體PW 都較小，平均位于(4.7±0.7)mm 至(6.3±0.8)mm之間。在C7 椎體PW 突然增大，為14.4±0.8mm，然后開(kāi)始逐漸減小，直至T13 椎體(7.6±0.8mm)，然后開(kāi)始逐漸減小，到L7 節(jié)段減小至(13.4±1.1)mm。就整體來(lái)說(shuō)，PH 一直是大于PW 的，故綿羊椎弓根呈豎狀橢圓形。

綿羊SCW 在頸段時(shí)最大，在C7 節(jié)段達(dá)到可(17.9±0.8)mm，然后開(kāi)始逐漸減小，至T10 節(jié)段達(dá)到10.9±0.8，然后在腰段緩慢增加，在L7 節(jié)段達(dá)到(17.5±1.2)mm。SCD 同樣也是在頸段最大，在頸椎節(jié)段中C2 椎體最大，達(dá)到(15.2±1.0)mm，然后開(kāi)始逐漸減小至T13 椎體(8.6±0.7)mm，隨后開(kāi)始增加，到T7 椎體時(shí)達(dá)到(10.9±1.2)mm。

綜上所述，綿羊椎體最大的特點(diǎn)是其椎體高度較高，一般椎體高度大于其終板的寬度及深度，且綿羊終板形態(tài)與人類差別較大，抗剪切力能力較強(qiáng)。綿羊的胸椎及腰椎形態(tài)及大小更接近于人類椎體。綿羊腰椎也廣泛用于一些生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中[16]，但是頸椎與人體差別較大，雖然有一些文獻(xiàn)報(bào)道綿羊頸椎可以用于生物力學(xué)研究[18]，但仍需謹(jǐn)慎選擇。

4 討論

以上三種動(dòng)物為目前脊柱實(shí)驗(yàn)中較為常用的三種試驗(yàn)動(dòng)物模型，均廣泛使用于脊柱的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)、新器械研究、椎間盤等實(shí)驗(yàn)之中。各種動(dòng)物脊柱存在不同的特點(diǎn)，例如牛脊柱，6-8 周大小牛犢與人類脊柱長(zhǎng)度相似，其胸椎及腰椎各項(xiàng)椎體數(shù)據(jù)也與人類椎體類似，是一種較好的人類脊柱模擬模型，但是因?yàn)榕ＩL(zhǎng)發(fā)育較快，故對(duì)牛的年齡大小要求較高，獲取難度較大。綿羊體型較小，對(duì)其年齡要求不大，椎體在胸椎與腰椎節(jié)段與人類椎體大小相似，但是綿羊椎體存在其特有特點(diǎn)，其一是綿羊椎體高度較高，其VBH＞VBW＞VBD，整體呈扁圓柱形；其二是綿羊椎體上終板呈凸形，而下終板呈凹陷形，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的存在，使其整體抗橫向剪切力能力較強(qiáng)。若使用綿羊椎體作為動(dòng)物模型模擬人類脊柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，需仔細(xì)考慮其特點(diǎn)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。豬脊柱整體來(lái)說(shuō)最適合作為人類脊柱的實(shí)驗(yàn)替代品，其胸椎各項(xiàng)數(shù)值與人類脊柱較為接近，形態(tài)差異不大。因?yàn)槿祟悶閮勺阈凶邉?dòng)物，脊柱受力主要存在于胸腰段及腰椎，故腰椎椎體類比胸椎，存在明顯的增大，而豬為四足動(dòng)物，腰椎不是主要承重椎體，故其腰椎與胸椎相比變化不大。這種差異的存在導(dǎo)致豬腰椎體大小整體小于人類腰椎，而更類似于人類胸椎椎體。

本文中我們總結(jié)對(duì)比了豬、牛、綿羊三種動(dòng)物脊柱與人類脊柱的解剖學(xué)差異，發(fā)現(xiàn)單從解剖學(xué)上來(lái)看，豬脊柱的胸段、腰段與人類脊柱較為相似。其獲取難度及使用要求均不高，是一種良好的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物選擇。對(duì)于牛、綿羊來(lái)說(shuō)，其使用存在一定的限制條件，在仔細(xì)把控其解剖學(xué)特點(diǎn)后，在某些情況下也是一種不錯(cuò)的選擇。但是本文只是在解剖學(xué)層面上對(duì)比了其差異，并未考慮其骨密度、椎間盤結(jié)構(gòu)、椎間盤細(xì)胞生物學(xué)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在某些實(shí)驗(yàn)，特別是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，存在一定的局限性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了一些使用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行生物力學(xué)分析的方法，例如有限元分析等，其使用方便、快捷，廣泛用于許多生物力學(xué)研究之中，有望在未來(lái)取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)這種研究方法。但是在現(xiàn)狀下，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還存在一定的意義，希望研究者能夠根據(jù)自己的需要，選擇合適的動(dòng)物模型，才能事半功倍。