L3-4不同運動范圍對鄰近運動節(jié)段的生物力學(xué)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(xué)第三醫(yī)院初步統(tǒng)計情況：國人LBP發(fā)生率高達60%。當(dāng)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(rèn)可并迅速得到廣泛應(yīng)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(yuǎn)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(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)和應(yīng)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(dǎo)致ASD和動力性固定預(yù)防ASD的生物力學(xué)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(xué)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(biāo)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(biāo)本以雙層塑料袋密封并保存在-20℃冰箱內(nèi)。實驗前，將標(biāo)本置于室溫下9小時進行徹底解凍。 實驗中主要應(yīng)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(yīng)變儀、直徑5mm微型壓力傳感器、電阻應(yīng)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(biāo)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(yán)格按照要求處理和粘貼應(yīng)變片：應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)變片數(shù)值減去各個運動狀態(tài)中立位時對應(yīng)的IDP值和應(yīng)變片數(shù)值，以降低各個傳感器的殘留效應(yīng)對實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(xué)方法對椎弓根加載-應(yīng)力線性關(guān)系進行分析；所有數(shù)據(jù)資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，用兩個重復(fù)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(fù)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(yīng)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(xué)意義的判定標(biāo)準(zhǔn)。

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(yīng)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(xué)分析方法處理，結(jié)果提示：電阻應(yīng)變片的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)效應(yīng)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(yīng)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(dān)，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(xué)影響主要與其所受生理載荷有關(guān)。 4、椎弓根上粘貼應(yīng)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(fù)性和靈敏性，可作為衡量脊柱后柱載荷的有效方法