【doc】 颈椎椎间盘退变对终板结构生物力学特性的影响
颈椎椎间盘退变对终板结构生物力学特性
的影响
?1330?2004年11月第42卷第2l期ChinJSurg,November2O1.42.
颈椎椎间盘退变对终板结构生物力学
特性的影响
李鉴轶赵卫东朱青安原林李敏林荔军张美超
【摘要】目的研究颈椎椎间盘对终板结构生物力学特性的影响.方法50节颈椎标本,采用
Nachemson椎间盘分级
将标本分为4组,正常组(n=22),I度退变组(n=10),?度退变组(n=
9),?度退变组(n=9),对每一终板平面上20个特定的测试点进行压缩实验,直径2mm的半球形压
头以0.03mm/s的速度垂直于终板平面下压2mm,由所得的力一位移曲线计算出最大压缩力及刚
度,采用单因素方差分析,析因分析,SNK检验及相关分析对实验数据进行统计学分析.结果颈椎
椎间盘退变可导致颈椎终板最大压缩力及刚度的显着性减小(P<0.o1),且存在负相关关系(分别为
r=一0.429,P<O.001;=一0.244,P<0.001);上终板随着椎间盘退变的加重终板平面中央承力逐
渐变弱,外周承力逐渐增强,下终板的力学分布无明显改变.结论颈椎
椎间盘退变是影响终板结构
生物力学特性的重要因素,在进行颈椎前路融合术时应警惕由于椎
间盘退变引起的”植人物沉陷”.
【关键词】椎间盘;颈椎;下丘脑;生物力学
Theeffectofdiscdegenerationonthestructuralpropertydistributionsinthecervicalvertebral
endplatesLIJian—yi’,ZHAOWei一如,ZHUQing-an,YUANLin,LIMin,
删Li-ju~,ZHANGMei—
chao.’KeyLaboratoryofMedicalBiomechanicsofPeoplesLiberationArmy,NanfangMedicalUniversity,
Guangzhou510515,China
【Abstract】
objeetiveTostudytheeffectofdiscdegenerationonthestructuralproperty
distributionsinthecervicalvertebralendplates.MethodsA2mm—diameter
hemisphericalindenterwas
usedtoperformindentationtestsat0.03mm/stothedepthof2mmat20normalizedlocationsin50bony
endplatesofintacthumancervicalvertebrae(C,,
C7).Theresuhingload—displacementcurveswereusedto
extractthefailureloadandstiffnessofeachtestsite.GradeofdiscdegenerationWasdeterminedusing
NachemsonSgradingscale.One—wayANOVA,factorialanalyses,SNKtes
tsandcorrelateanalyseswere
usedtoanalyzetheresultdata.ResultsBoththefailureloadandstiffnessdecreasedwithdisc
degenerationinthecervicalendplates(P<0.001,both),andcorrelatedsignificantlywiththedisc
degeneration(rs=一0.429andr.=一
0.244,respectively).Onlythedistributionofsuperiorcervical
endplatechangedwithdiscdegeneration,butthatofinferiorcervicalendplatechangedlittle.Conclusions
Thestructuralpropertydistributionsinthecervicalvertebralendplateschangesignificantlyinthedegenerated
discs.Itsuggeststhatdiscdegenerationisanimportantfactortoevaluatetheintervertebralimplant
subsidenceinanteriorcervicalfusion.
【Keywords】
Intervertedraldisc;Cervicalvertebrae;Hypothalamus;Biomechanics
颈椎椎体或椎间盘切除后通常需要在椎体间植
入结构性支撑物,如自体骨,同种异体骨,椎间融合
器或活动式椎间盘等’,以维持脊柱前柱结构的
生物力学特性.但是,在临床上经常会出现植入物
“沉陷”入相邻椎体的终板内,,严重的植入物”沉
基金项目:广东省科技攻关项目(99B06703G)
作者单位:510515广州,南方医科大学医学生物力学重点实验
室(李鉴轶,赵卫东,朱青安,原林,张美超);南方医科大学珠江医院
骨科(林荔军);江苏省无锡市南长区人民医院口腔科(李敏)
.
论着.
陷”可导致渐进性颈椎生理曲度异常,造成植入手
术的失败.为防止植入物的沉陷,可以通过研究颈
椎终板的最强承力区域改善植入物的设计,使椎体
有足够的强度来承受负载.Grant等发现腰骶椎
终板结构的力学分布与椎间盘退变有密切关系,但
颈椎终板的研究未见报道.我们对颈椎椎间盘退变
对终板结构强度与刚度分布的影响进行了研究,旨
在探讨椎间盘退变的终板的结构力学性能的改变规
律.
生生科艟盘塑—吁llJI银墼盟1】LnJs,-Vr-42-
资料与方法
I标水准备:取9具人体新鲜J怍标本的53节
颈椎(8鼹为C,c.1具为C一c),经11=侧位X
线摄像剔除损坏厦椎骨融合的3甘椎体.余下的50
节颈椎椎体Hj于此研究200c冰箱冷冻保存.
实验前审温下解酥颤椎标本,剔J尉软组.分离
颈椎符节段,采H】Nacht~mson椎M氘分缎粕准分为
4组:l常组.I度退变组,?度退变组,m度退变
自【肉眼观察髓核的形态,光泽,与纤维耶的分界;
纤维环的完整陛或存在裂隙;存在空腔或哥赘等方
面一然后小心去除椎阿盘技其下的软骨.显露骨
性终板沿水平面将预椎分成上下两部分.用聚
基丙烯酸甲酯(polymethyhnethacn,late.PMMA)进行
包埋固定.每一部分的椎体均用薄膜包裹以防止
PMMA侵人椎体内而影响蛮验结果.
为使各点的测试可比性,存每1,终板平面
建市坐标系统(图I)由于颈椎钩锥天的存
在,井能在终板平直接建奇半标系在终板平
面时张白纸.画出其轮廓,取下白纸.在椎体轮廓
的最大横径中处做-垂直此横径的正中矢状线.
将矢状线中点确定为坐标系原点,建立坐标轴按
比例确定了4根横线及6根纵线的他.艏线与横
线之间的距离为坐标纵轴长度的25%,由前至后依
次命名为u,b,c,d(1)纵线与纵线之i’nj的距离
为坐标横轴长度的167%.巾左壁有依次命名为I,
2,34,5,6(幽1),横线与纵线交点且_J为测试点何
置然后再将向纸贴同终板平面.用钢笔在终板平
而上画山测试的位置每个终板平而有2O个测
试点(1中阴影部分),在吏验一}-洲得的C下终
板平面测试点中心之闸的距离为(44?06)mm.
本实验采用直往2[1~111的压头埘终扳平卣垂
缩,实验对颈椎为局部破坏.对临近结构无破坏(I
2)
2压缩实验:利用MTS858型丰{抖测i_【l=系统
(美国MTS公司)对颈椎终板
而并点进行压缩实
骑,用直径2niN1的半球形压虫以003mm/s的
速度在每个删试电处垂直于终板平而下压2….
力及俺移的数据以10Hz的频率进行l录颈椎的
终板均进行r缩实骑.其r1IC无上终板因l们
烈进行下终扳的压缩实验一出一位穆曲线可计算
出压缩实验的虽大雎缩技剐度最大J上缩J的
定标准是J的峰值后下降超过5%,则饿峰值认为
足蛀kl十缩力刚度是指力位移曲线中线性部分
的斜率(罔3)
日2蛳空螗的颈椎垫外
&#f?m)
目3惟终振的埔力曲蠖
3统Il学分析:呆用SPSS100(美国$PSS公
-3)统计软件包对数据进行分析.采用因素方差
分析观察最大压缩l力及刚度与椎M盘退变程度之间
的戈系(双侧005).片对最大压缩力技刚度分
圳与椎问斑退堂程度进行Spem~an}H置分析对
各个不同堪堂分组状态F柚{线,纵线之间最大压缩
力及刚度分别进行析因分析,刘磷线之间纵线之闻
的最大压缩力受刚度进行SNK检验.显着性水甲设
匈烈侧005
结果
椎间蠡退坐程度与最大JJ|缩置剐度的戈
一z一日
2004年11月第42卷第21期ChinJSurg.November2004,Vo1.42,No.21
系:(1)终板的最大压缩力:正常组(127.1?49.8)
N,I度退变组(97.7?50.9)N,II度退变组(74.0?
36.8)N,III度退变组(85.3?44.2)N(F=122.5,
P<0.01).组间两两比较差异均有显着性意义(P<
0.05).(2)终板的刚度:正常组(134.3?60.9)N/
mm,I度退变组(127.2?61.9)N/mm,II度退变组
(107.0?55.0)N/mm,III度退变组(98.5?57.7)
N/mm(F:34.3,P<0.01),其中正常组,I度退变
组与?,?度退变之间存在差异(P<0.05).相关
分析发现最大压缩力,刚度与椎间盘退变均存在负
相关关系(分别为r=一0.429,P<0.001;r.=
一
0.244,P<0.001).
2.骨密度与终板平面最大压缩力及刚度分布
规律的关系:上终板平面横线之间的最大压缩力均
存在差异(P<0.05),而纵线之间均无差异(P>
0.05).4组均是横线d与其余横线在最大压缩力
上存在差异,而其余横线间无差异.同时发现最大
压缩力由前向后有逐渐增大的趋势;纵线之间无差
异.上终板平面横线之间的刚度除椎间盘?度退变
组(P<0.01)外均无差异(P>0.05).纵线之间的
刚度无差异.SNK检验发现除椎间盘?度退变组
的横线的刚度外均无差异.下终板平面析因分析发
现横线之间除正常组的最大压缩力有差异(P<
0.01)外其余3组均无差异(P>0.05),纵线之间4
组均无差异.正常组横线C力量最大,与横线b差
异有统计学意义.下终板平面的刚度除正常组的横
线(P<0.01)外均无差异,纵线之间无差异.正常
组横线C是刚度最大的区域,而横线d是刚度最小
的区域,两者之间差异有显着性意义(P<0.05).
讨论
经典的Wolff理论指出骨的负载改变时,骨组
织会进行改建以适应骨的负载.椎间盘退变后力传
导改变,骨组织改建,使其力学性能也发生相应的改
变.本实验结果显示颈椎椎间盘退变程度对终板的
最大压缩力及刚度的大小有显着影响,提示随着退
变程度的增加,颈椎终板承力能力迅速降低.实验
中观察到?度的最大压缩力较?度有所增加,可能
是由于颈椎的软骨终板退行性骨化,部分?度退变
组的终板平面凹凸不平,导致?度退变组终板的最
大压缩力的增大.
有研究认为当椎间盘退变时椎间盘中央负载的
力量会逐步减少,而椎间盘外周将会承担起额外的
负载剖,本研究发现颈椎上终板平面中央的承力下
降很快,而终板外周相对下降缓慢,而在严重椎间盘
退变时终板外周成为主要的承力部位,这可能与严
重椎间盘退变时终板外周产生骨赘有关.
椎间盘退变对下终板的力学分布有较大的影
响,正常组中终板中部是主要的承力部位,但退变组
中整个终板平面的承力趋于一致.需要指出的是,
颈椎椎间盘退变加重时下终板平面上各点的力学为
均匀减少,因而对下终板平面的力学分布无显着影
响.
本研究发现椎间盘退变使颈椎终板承力强度及
刚度变小,但在终板平面上,椎体后部仍为终板的主
要承力部位.这提示对颈椎椎间盘退变患者行前路
融合术结构性植人物植入时可将植人物稍往椎体后
部放置以提高手术安全性.但应注意:(1)手术时
植入物切勿超出椎体后缘以免压迫脊髓;(2)要警
惕由于椎间盘退变后终板承力强度及刚度变小而引
起的”植入物沉陷”的发生.
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(收稿日期:2003-08.18)
(供稿编辑:杨子明潘呖)