腰椎人工髓核植入对上位邻近节段椎体椎间盘影响的生物力学研究

　　作者：徐红伟,何晓君,龚遂良　　作者单位：浙江省嘉兴市第二医院

　　【摘要】 目的 探讨腰椎人工髓核植入对邻近节段腰椎稳定性的生物力学影响。方法 新鲜小牛腰椎脊柱标本8具，分别制备成正常组、腰椎髓核摘除组、人工髓核植入组模型，自体对照，分别记录髓核摘除后、人工髓核植入与正常组对腰椎邻近节段的应变及应力改变，以此评估其对腰椎生物力学稳定性的影响。 结果 单纯髓核摘除术后病变节段上方相邻节段椎体的应变明显下降(P<0.05);人工髓核植入后其相应部位的应变与正常相比仅有数值上的增加，无统计学意义(P>0.05);髓核摘除后上位节段邻椎的椎体、椎间盘的应力均有增加，髓核植入后其应力基本恢复正常。　结论 人工髓核植入能有效维持上位相邻腰椎椎间盘、椎体的正常应力以及应变水平，维持脊柱正常的生物力学，延缓上位邻近椎体、椎间盘的退变。

　　【关键词】 腰椎,人工髓核,邻椎病,生物力学

　　【Abstract】 Objective To evaluate the biomechanical changes on the annuli fibrosis and vertibral body of the adjacent segments on the condition of PDN implantation. Methods To measture the variety of stress of 8 model made of fresh cow lumbar spine on three conditions:normal, nucleotomy, PDN implantation. Each group was measured under the loading of states of vertical compression ,flexion ,extention, and lateral bending. Results Afer nucleotomy the stress of the adjacent segments decreased significantly while it increased after implantation of PDN.The pressure of vertebral body and intervertibral disc increased after nucleotomy. Conclusions PDN implantation can correct the biomechanical disorders of spine after nucleotomy and decrease the degeneration of adjacent vertebre.

　　【Key Words】 Lumbar PDN Fixation of lumbar Biomechanics Faced joints 腰痛是腰脊柱疾患中最普遍的症状之一。而腰椎间盘源性疾病又是腰痛发生的主要原因。因此，临床上常将腰痛综合征与椎间盘病变联系起来加以考虑。以往认为腰椎椎间盘髓核退行性变是腰椎间盘突出症的核心病理基础，腰椎椎间盘向后突出引起坐骨神经痛。但目前也有影像学检查证明无椎间盘突出的腰痛患者，总结为盘源性疼痛。虽然目前大部分学者认为腰椎间盘源性疾病的病因尚未完全明了，但有充分迹象表明，椎间盘在生化方面的改变以及脊柱在力学方面的过载均是不可忽视的因素[1]。近年来，对人工髓核置换术的研究不断深入并逐渐应用于临床，可是对于人工髓核在生物力学方面对脊柱稳定性影响的基础研究甚少，为此作者自2007年5至8月从生物力学角度分析研究人工髓核植入对邻近节段脊柱稳定性的影响，为临床开展此类手术提供基础理论依据。

　　1 材料和方法

　　1.1 标本来源与制作 　　本实验应用标本为新鲜小牛腰椎标本8具。均属随机取样，并排除病理标本，正侧位摄X线片显示正常，取实验样本后先仔细剔除肌肉，保留主要韧带、小关节等结构完整，于自然位用双层塑料袋密封放置于-40°冰柜内保存，测试前逐渐解冻。　　标本置于实验平台上，上下用聚甲基丙烯酸甲脂骨水泥固定，以便于加载生理运动，提高测量精度。　　标本分组：　　将标本分为正常完整标本组(A组)，椎间盘髓核摘除组(B组)，人工髓核(PDN)植入组(C组)，各2具，对照组2具，共计8具标本。

　　1.2 腰椎生物力学实验模型建立与实施[2] 　　所有腰椎标本在标本制作、模拟、材料力学性质、几何尺寸、手术制作、载荷等诸方面均保持一致，以提高检测精度。腰椎标本的力学性质预先进行测量，其结果绘制成表。腰椎载荷以分级载荷加载0.100～500N，加载速率1.40mm/min，在准静态下平稳加载，加载方式为轴向压、前屈、后伸、侧屈4种方式，最后进行扭转试验。　　腰椎的应变测量以应变式传感器测量，应变范围2500με±2%，灵敏度<2με，位移测量采用(KG-101型)高精度数字显示光栅位移传感器，精度0.01%。

　　实验方法：　　所有实验按照实验应力分析要求进行精心制作，标本安装于WE-5液压万能材料试验机上，安装所有测力、位移传感器，所有引线接入YT-4数字应变仪上，上端使用加载盘与滚珠对准中心加载，每项试验应予加载，去除脊柱的蠕变、松弛等时间效应影响，然后按4种腰椎生理运动方式等级加载，每次实验30s内采集1次数据，重复加载测量，直至结束。

　　1.3 统计学处理 腰椎生物力学试验数据先进行误差分析，从而得到一个满意的估值和置位区间，然后以线性回归、方差分析，经最小二乘法处理;使用软件SPSS.10.0按数理统计加以检验,计算相关参数,T检验和精度分析，设置显著性水平P<0.05。

　　2 结果

　　2.1 腰椎人工髓核植入对邻近节段椎体应变的影响 根据所有标本的应变测量，A组、B组、C组对上位腰椎椎体的应变结果，见表1所示。 表1 三组在各种状态下上位腰椎椎间盘和椎体的应变变化情况

　　结果表明：　　腰椎间盘髓核摘除后，对腰椎邻近椎体的活动应变有很大影响，使椎体的应变活动能力下降，支承缓冲能力变差。正常时椎体的平均应变能力为482με，髓核摘除后，椎体下塌仅支撑在椎间盘外层纤维环上，应变能力为153με，下降了68%，统计学显示具有显著性差异(P<0.05)。此时的支撑，大部分依靠下部结构。

　　当人工髓核植入后，腰椎椎体才完全恢复原来的支撑功能，此时它的应变为519με，与正常腰椎相比仅相差7%(P>0.05)。说明它已经恢复至腰椎椎体本来的支撑作用，其植入能达到原有的解剖学力学结构。

　　2.2 腰椎人工髓核植入对邻近节段椎体应力的影响 　　人工髓核植入邻近节段是指邻近的椎体以及椎间盘，对椎体本身的应力比椎间盘的应力为大，在承载能力上起着主要的作用。腰椎的椎体承载能力，人体记载的承载重量从上而下不断增加，强度也不断递增的趋势。正常生理载荷<500N，腰椎椎体的平均应力强度是3.98MPa，如果将髓核摘除后，则它的承载能力转移到椎体后部结构上。纤维环只能承受很小的应力与椎体相平衡，故邻近节段椎体的应力仅为1.26MPa，与正常相比相差达68%，有显著性差异，长期会引起应力集中并加速椎体过度受力而导致退变。

　　在髓核摘除后植入人工髓核，对邻近节段椎体的纵向应力会恢复到接近正常水平，平均应力为4.09MPa，同正常相比仅有3%的差异(P>0.05)，达到原来的应力水平，说明髓核植入能对邻近节段起到应力补偿作用，是有效的方法。

　　2.3 腰椎人工髓核植入对邻近节段椎间盘应变的影响 　　人工髓核植入对邻近上节段椎间盘应变的影响结果见表1，从图表中说明：当正常生理载荷500N作用下，邻近节段的椎间盘的应变为943με，与原来节段的椎间盘的应变991με相比，略为有所下降约5%(P>0.05)左右，这是正常人椎体，椎间盘越向下节段应变不断减少的规律相一致，说明测试结果符合人体椎骨解剖结构的力学规律性。当椎间盘中髓核摘除后，可看到邻近椎间盘的应变增加，邻近节段椎间盘代偿作用明显，从原943με变为1962με，增加52%，有显著性差异(P<0.05)，应变的增加长期会引起邻近节段椎间盘的退变。当人工髓核植入之后，邻近节段椎间盘的应变会从摘除髓核后得到恢复，达到1014με[(比原来应变下降48%(P<0.05)]，开始趋向并接近于正常椎间盘的应变943με(P>0.05)，可以说基本上达到了正常椎间盘的应变要求，说明人工髓核植入是有治疗价值的。

　　2.4 腰椎人工髓核植入对邻近节段椎间盘应力的影响 　　正常的标本椎间盘的应力平均为1.42MPa，而本身椎间盘的应力1.49MPa，两者基本一致，仅相差5%左右，这是因为随着节段的下移椎间盘的应力不断变化的结果。椎间盘摘除后，对邻近节段椎间盘的应力同样会引起应力集中，平均为2.26MPa，比正常椎间盘的应力增加了37%，有显著性差异(P<0.05)，如果长此以往，长期的应力集中必然会引起邻近节段椎间盘的退变加剧。而在人工髓核植入后，其椎间盘的应力为1.52MPa，与正常相比仅差7%，无显著性差异。

　　3 讨论

　　从本离体动物标本力学实验引证人体腰椎间盘突出后，椎间盘髓核摘除是现今被采用的手术治疗方法。然而，近来研究表明大约>50%患者最终将罹患上、下腰椎的诸多并发症。另外，脊柱融合能够有效地治疗椎间盘源性疼痛，但会导致相邻或远处节段生物力学改变，进一步造成腰椎结构改变导致的疼痛。因此根据各种生物力学研究分析，假设如果能有类似椎间盘髓核的假体植入，替代人体椎间盘髓核的作用，将能有效减少由于单纯髓核摘除以及脊柱融合所带来的一系列疼痛等并发症。分析以上结果，从腰椎的生物力学角度来说，人工髓核假体(PDN)植入可减轻退变性节段疼痛的症状，同时又能保留腰椎的运动缓冲功能，且不会加重邻近椎体节段的生物力学负荷，可望替代脊柱融合术来达到治疗下腰痛的目的[3]。

　　Schelegel[4]认为:脊柱的支撑、运动、保护功能决定了脊柱解剖结构具备足够的稳定性,特别是胸腰段在脊柱中担负着承上启下应力集中的作用。由于胸腰段脊柱的生理和生物学特征,使其成为最易发生损伤以及退行性变的部位。在腰椎间盘突出症患者采取胸腰段内固定术后,下腰痛和脊柱活动范围减小等并发症的报道很多。自1988 年Lee[5]首先报道了一组腰椎融合术的患者,出现了邻近节段的退变症状,其后,陆续有国内外学者报道脊柱融合术可造成邻近节段的退行性变。Kumanlor等[6]也报道:可能因为邻近节段的退变,出现相邻节段的病理变化或不发生椎管狭窄和小关节肥大,甚至椎间盘严重退变导致继发性滑移,而上方邻近节段常比下方更易出现病变,加速退变现象更为严重。由此邻近椎体病变这个概念逐步进入国内专家学者的思考范畴，也越来越被临床骨科医生所关注。

　　我国脊柱外科近几十年来取得了很大的进展,由最初的单纯髓核摘除术，逐渐根据不同的病情形成了腰椎内固定融合等一系列手术方法。但髓核单纯摘除后脊柱生物力学稳定性的改变导致邻近椎体椎间盘退变的加速以及腰椎内固定融合后发生的腰部疼痛和由此引发的上位脊柱的退变尚未引起足够的重视。国外长期的临床随访证实了这一点[7，8]。而经过大量文献调查,国内关于这方面的临床随访报道较少。为此,有关脊柱内固定对邻近节段的影响、生物力学性质改变以及单纯髓核摘除术对腰椎退变的研究具有重要意义。

　　以往腰椎间盘突出症手术，常规仅摘除退变髓核，髓核摘除后,纤维环的完整性被破坏,椎间盘内压骤减,导致纤维环张力降低而变得松弛,改变了腰椎节段的承重强度和延展性。作者的实验也证实了这一点，同时由于髓核摘除，椎间高度下降，致使关节突承受非正常的压力，也易导致小关节退变。同时，由于病变椎间盘的摘除，上位相邻椎体、椎间盘的应变与应力也相应发生了改变，最终结果必将由于脊柱生物力学的改变而引起上位椎体退变。

　　人工髓核植入是一门新构思和新技术，相关实验证实其优点在于保留了椎间盘的功能，恢复了椎间高度，承担椎间负荷，维持椎间盘稳定，同时很好的维持了病变节段脊柱的生物力学稳定性。既往众多生物力学方面的研究也仅体现了脊柱的稳定性等少数几方面[9]，尚未见关于人工髓核植入对上位相邻椎体及椎间盘应变改变方面的研究，而作者的实验恰好补充了这方面的不足。

　　当然本实验仅从生物力学角度出发评价髓核摘除、椎间融合及人工髓核手术对上位相邻椎体、椎间盘的影响，但未考虑神经肌肉等结构对腰椎稳定的作用，虽然在相等条件下的自体对照从统计学上可忽略这一点。而且,体外模型实验只能评价术后的早期状况,难以评价其长远效果，相对而言，仍存在较大的局限性,需在今后的基础实验与临床随访中不断验证与完善。

　　【参考文献】

　　1 苏立，卢世壁，解英俊，等. 关于人体腰椎间盘生物力学的实验研究. 中国生物医学工程学报，1989，8(3):137～143.

　　2 吴靖平，曹成福，陈统一，等. 人工髓核植入对腰椎稳定性影响的生物力学研究. 中国临床医学，2003，10(4)：482～485.

　　3 李康华，雷光华，胡懿合，等. 人工腰椎间盘植入手术适应症探讨. 中国矫形外科杂志，2002,10(12):1149～1151.

　　4 Scelegel JD, Smith JA, Schleusener RJ. Lumbar motion segment pathlolgy adjacent to thoracolumbar, Lumbar and lumbosacral fusion. Spine, 1996,(21)8∶970～981.

　　5 Brinckmann P, Grootenboer H. Change of disc height, radial discbulge, and intradiscal pressure from discectomy. An in vitro investigation on human lumbar discs. Spine, 1991 ,16 (6) :641～646.

　　6 Aota Y,Kumano K, Hirabayashi S. Posifusion instability　　　at the adjacent segment after tigid pedicle screw fixation　　　for degenerative lumbar disorders . J Spinal Disord ,　　　1995 ,8 (6) ∶464.

　　7 Klara PM,Ray CD.Artificial nucleus replacement:clinical exper-ience.Spine, 2002, 27 12 :1374～1377.

　　8 Mizuno H Roy AK Vacanti CA et al. Tissue engineered composites of anulus fibrosus and nucleus pulposus for intervertebral disc replacement. Spine 2004 29 1290-1297.

　　9 陈博, 刘浩. 人工髓核置换的研究与临床应用，颈腰痛杂志，2006，27(5)：412～415.