L3-4不同運動范圍對鄰近運動節(jié)段的生物力學影響.pdf

1、下腰痛（Low Back Pain，LBP）每年的發(fā)病率在美國為60%-80%，根據(jù)北京大學第三醫(yī)院初步統(tǒng)計情況：國人LBP發(fā)生率高達60%。當前治療LBP以手術(shù)療法為主，主要包括堅強內(nèi)固定，動力性內(nèi)固定以及人工腰椎間盤。自1948年腰椎實行后路固定融合率達到90%以后，腰椎的堅強內(nèi)固定的療效得到廣大臨床醫(yī)生的認可并迅速得到廣泛應用。但隨著腰椎融合術(shù)病例數(shù)目的迅速增大以及腰椎融合術(shù)后隨訪時間的延長，鄰近節(jié)段?。ˋdjacent Segm

2、ent Disease，ASD）作為融合術(shù)后的遠期并發(fā)癥慢慢被臨床醫(yī)生及科研工作者發(fā)現(xiàn)并逐漸受到重視。動力性內(nèi)固定是近年來逐漸應用于臨床的新型脊柱內(nèi)固定手術(shù)方式，其基本原理是：治療脊柱疾患同時保留部分脊柱運動功能，從而減緩甚至阻止ASD發(fā)生及進一步發(fā)展。但根據(jù)臨床前瞻性研究資料顯示動力性內(nèi)固定的臨床療效并不一致。這促使科研工作者利用生物力學的方法，從理論的角度給以解釋并對動力性內(nèi)固定器械進行進一步的改進。 本研究擬以自行設(shè)計制作

3、的腰椎單節(jié)段運動控制裝置替代動力性內(nèi)固定器械，在體外腰椎生物力學實驗中將其固定在椎體上，通過控制其前后及左右兩側(cè)的控制桿的長度來約束L3/4節(jié)段的運動，同時測量在腰椎單節(jié)段運動控制裝置的不同運動控制范圍內(nèi)，在逐級加載對抗性力偶矩情況下，其鄰近節(jié)段的終板軟骨-骨界面，即椎間盤壓力（Interdiscal Pressure，IDP）變化，并同時測量鄰近椎體節(jié)段椎弓根下表面的應力變化，并獲取不同椎體節(jié)段在不同處理狀態(tài)中的四個方向上運動范圍（R

4、ange Of Motion，ROM），以期明確在不同ROM下，其鄰近椎體運動節(jié)段的運動學和應力變化。 目的: 本研究擬以對比研究的方法初步確定堅強內(nèi)固定導致ASD和動力性固定預防ASD的生物力學機制，同時明確在何種運動范圍下，對鄰近運動節(jié)段的整體生物力學影響最小，以確定單一腰椎節(jié)段在動力性固定器械植入情況下需保留的最佳ROM，為促進該類器械的進一步完善，并為研發(fā)更為合適的動力性固定器械提供理論數(shù)據(jù)。 材料和方法

5、: 1、主要材料; 六具正常成人腰椎（L1-S1）標本，小心剔除周圍肌肉，保留完整的周圍韌帶和小關(guān)節(jié)完整，取L1-S1節(jié)段，制成完整狀態(tài)的人腰椎骨韌帶功能節(jié)段并包埋。標本以雙層塑料袋密封并保存在-20℃冰箱內(nèi)。實驗前，將標本置于室溫下9小時進行徹底解凍。 實驗中主要應用的儀器：MTS858萬能材料試驗機（Material Testing System，MTS）、三維運動測試儀、激光三維掃描儀、YE2538A程控靜

6、態(tài)應變儀、直徑5mm微型壓力傳感器、電阻應變片，產(chǎn)品型號：BE120-03AA（11），基底尺寸：2.7×2.7mm、數(shù)字化角度測量儀，測量精度：0.01°、腰椎單節(jié)段運動控制裝置，控制范圍：0～10°、α-氰基丙烯酸乙酯、硅膠、無水乙醇、丙酮等實驗試劑及手術(shù)器械。 2、方法; 將6具正常成人腰椎標本按照實驗要求進行肌肉剔除，包埋等基本操作后，首先在L2椎體制備冠狀位的IDP測量骨隧道，然后按照要求正確植入腰椎單節(jié)段運動

7、控制裝置，隨后在L2椎弓根尾側(cè)局部進行平順處理、脫脂。嚴格按照要求處理和粘貼應變片：應變片長軸方向與椎弓根長軸方向平行，并按照實驗中的具體情況選用合適的應變片基底尺寸和連接線方式。實驗中的加載方式選用MTS控制下的對抗性逐級加載方式。實驗中數(shù)據(jù)的采集采用完全電腦自動化采集，提高了數(shù)據(jù)采集的效率以及精確度。其中采集IDP的微型壓力傳感器實現(xiàn)了與MTS匹配接口相連接，可在MTS相關(guān)軟件中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集；Y2385A程控靜態(tài)應變儀通過串

8、行接口實現(xiàn)與電腦相連接，并通過相匹配軟件實現(xiàn)電腦控制與數(shù)據(jù)采集；采集四個方向上ROM的三維激光掃描儀通過USB2.0接口與電腦相連，實現(xiàn)完全自動化的數(shù)據(jù)采集。 3、統(tǒng)計學處理; 由于本實驗中所采集數(shù)據(jù)為相對數(shù)值，故在進行統(tǒng)計分析之前需要對各組數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，具體的優(yōu)化方法為：將在不同控制范圍下、不同載荷下的IDP值及應變片數(shù)值減去各個運動狀態(tài)中立位時對應的IDP值和應變片數(shù)值，以降低各個傳感器的殘留效應對實驗數(shù)據(jù)準確性的影

9、響。 所有結(jié)果均采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件分析，用曲線擬合的統(tǒng)計學方法對椎弓根加載-應力線性關(guān)系進行分析；所有數(shù)據(jù)資料以均數(shù)±標準差（x±s）表示，用兩個重復測量因素的方差分析對L2/3椎間盤在前屈、后伸及側(cè)彎三種狀態(tài)下的壓力進行統(tǒng)計分析，用三個重復測量因素的方差分析對L2左右雙側(cè)椎弓根在前屈、后伸及側(cè)彎三種狀態(tài)下的應力進行統(tǒng)計分析，不同水平間的兩兩比較采用LSD法。選用P<0.05作為差異具有統(tǒng)計學意義的判定標準。

10、結(jié)果: 前屈運動中，L3/4不同的ROM對鄰近L2/3IDP的影響具有顯著性差異（F=6.574，P=0.008），不同的前屈載荷對L2/3IDP的影響具有顯著性差異（F=28.893，P=0.003）。采用LSD法對運動范圍不同水平之間進行兩兩比較，結(jié)果顯示，L3/4的運動范圍在0-6°和>6°（未加運動控制）時，與正常狀態(tài)相比，L2/3椎間盤壓力顯著性降低（P=0.008和P=0.016），而在0°（堅強內(nèi)固定）、0-2°及

11、0-4°的運動范圍中，與正常狀態(tài)相比，L2/3椎間盤壓力沒有顯著性差異（P=0.933、P=0.220、P=0.209）。采用LSD法對載荷不同水平進行兩兩比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的載荷對L2/3椎間盤壓力的影響均具有顯著性差異，且隨著前屈載荷的增大，L2/3椎間盤壓力呈線性增高（F=29.432，P=0.003）。 后伸運動中，L3/4不同的ROM對鄰近L2/3椎間盤壓力的影響沒有顯著性差異（F=1.378，P=0.303），不同

12、的后伸載荷對L2/3椎間盤壓力的影響具有顯著性差異（F=9.603，P=0.036）。采用LSD法對運動范圍不同水平進行兩兩比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，L3/4的運動范圍不同水平之間對L2/3椎間盤壓力在后伸狀態(tài)的影響無顯著性差異。采用LSD法對后伸載荷不同水平進行兩兩比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后伸加載2NM與后伸加載4NM、6NM和8NM之間，對L2/3椎間盤壓力的影響均具有顯著性差異（P=0.022，P=0.029，P=0.037），后伸加載4NM，6N

13、M與后伸加載8NM之間對L2/3椎間盤壓力的影響均無顯著性差異（P=0.058，P=0.089），但是后伸加載4NM和后伸加載6NM之間對L2/3椎間盤壓力的影響具有顯著性差異（P=0.045）。且隨著后伸載荷的增大，L2/3椎間盤壓力呈增高趨勢（F=9.366，P=0.038）。 側(cè)彎運動中，L3/4不同的ROM對鄰近L2/3椎間盤壓力的影響沒有顯著性差異（F=1.463，P=0.286），不同的側(cè)彎載荷對L2/3椎間盤壓力的

14、影響具有顯著性差異（F=26.242，P=0.006）。采用LSD法對運動范圍不同水平進行兩兩比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，L3/4的運動范圍不同水平之間對L2/3椎間盤壓力在側(cè)彎狀態(tài)的影響無顯著性差異。采用LSD法對側(cè)彎載荷不同水平進行兩兩比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的側(cè)彎載荷對L2/3椎間盤壓力的影響均具有顯著性差異，且隨著前屈載荷的增大，L2/3椎間盤壓力呈線性增高（F=26.497，P=0.007）。 將電阻應變片粘貼在單個L2椎體的左右雙側(cè)

15、未損傷椎弓根外側(cè)面，用50N連續(xù)遞增加載方式，所獲數(shù)據(jù)用曲線擬合的統(tǒng)計學分析方法處理，結(jié)果提示：電阻應變片的應變輸出值會隨外部載荷的增加而增大，具有線性關(guān)系（F=8288.031，R2=0.999）。 在前屈、后伸及側(cè)彎運動中，L3/4不同的ROM水平對鄰近節(jié)段L2椎弓根應力的影響沒有顯著性差異（P=0.592，P=0.627，P=0.767），不同的載荷水平對鄰近節(jié)段L2椎弓根應力的影響都具有顯著性差異（P=0.007，P=0

16、.000，P=0.030），L2的兩個不同椎弓根部位之間應力沒有顯著性差異（P=0.282，P=0.376，P=0.645）。采用LSD法對載荷不同水平對L2椎弓根應力的影響進行兩兩比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的載荷對L2椎弓根應力的影響均具有顯著性差異，且隨著載荷量的增大，L2椎弓根表面應力呈線性增高趨勢（P=0.008，P=0.000，P=0.030）。 結(jié)論: 1、L3/4在<6°的運動范圍下，對其鄰近節(jié)段的生物力學效應具

17、有較小影響。 2、后伸運動中，鄰近L2/3節(jié)段椎間盤壓增加幅度隨載荷的增加而減小，而椎弓根應力隨著載荷的增加而呈線性增加，這些載荷主要由小關(guān)節(jié)承擔，故此持久保持脊柱后伸狀態(tài)可能是小關(guān)節(jié)退變的一個誘發(fā)因素。 3、脊柱單節(jié)段的堅強固定對其鄰近節(jié)段的生物力學影響主要與其所受生理載荷有關(guān)。 4、椎弓根上粘貼應變片方法對不同運動方向上的脊柱后柱載荷可有較好的反映，具有較好的可重復性和靈敏性，可作為衡量脊柱后柱載荷的有效方法