【doc】 颈椎椎间盘退变对终板结构生物力学特性的影响

【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. 参考文献 lEmerySE,BolestaMJ.BanksMA,eta1.Robinsonanterioreervieal fusioncomparisonoftIlestandardandmodifiedtechniques.Spine. 1994.19:66o一663. 2MartinGJ,HaidRW,MachMillanM.eta1.Anterioreervieal diseectomywitIlfreeze一曲edfibulaallograft:Overviewof3l7cases andliteraturereview.Spine,l999,24:852-858. 3KozakJA,HeilmanAE,OBrienJP.Anteriorlumbarfusion options:Techniqueandgraftmaterials.ClinOrthop,1994.(30o): 45-51. 4CloskeyRF,ParsonJR,leeCK,eta1.Mechanicsofinterbody spinalfusion.Analysisofcriticalbonegraftarea.Spine,1993,18: lOl1.1Ol5. 5GrantJP,OxlandTR,DvorakMF,eta1.Theeffectsofbonedensity anddiscdegenerationonthestructuralpropertydistributionsinthe lowerlumbarvertebraleudplates.JOrthopRes,2002.20:lll5一 ll2O. 6NachemsonA.Luntharintradisealpressure:Experimentalstudieson post—mortemmateria1.AetaOrthopscand,1960.43:101.104. 7Shirazi—AdlSA.ShrivastavaSC.AhmedAM.StressallalysisoftIle lumbardisc—bodyunitincompression.Athree—dimensionalnonlinear finiteelementstudy.Spine,l984.9:l20.134. 8FreiH,OxlandTR,RathonyiGC.eta1.Theeffectofnucelotomy onlumbarspinemechanicsincompressionandshearloading.Spine, 20o1.26:2080-2089. (收稿日期:2003-08.18) (供稿编辑:杨子明潘呖)