C4～5、T11～12、L5～S1椎间盘与相邻椎体扭转力学的特性

罗清华，周成亮，白玉和，任园，张树泉

(1.呼伦贝尔市人民医院骨科，内蒙古呼伦贝尔市 021008；2.天津市南开医院骨科，天津 300100)

1 引 言

脊柱的功能主要有：(1)在各种体位支持躯干，将头与躯干的载荷传递至骨盆；(2)使躯干能够进行较大范围的活动；(3)保护脊髓以及胸腔，腹腔和盆腔脏器[1]。以上功能的完成均要求脊柱具有足够的稳定性。脊柱不稳是临床上经常遇到的问题，创伤、蜕变、炎症、肿痛等均可引起脊柱不稳，在诊断脊柱伤病时，往往要对脊柱的稳定性做出准确的判断，选择最佳的治疗方案。椎间盘是脊柱承载系统中关键部分。脊柱的功能单位是活动节段，包括两个椎体及其间的软组织，重叠的两个椎体，椎间盘和纵形韧带组成活动节段的前部，椎体主要受压缩载荷，椎间盘在力学和功能上都很重要[2]。国内外学者们对脊柱的生物力学做了大量的研究，岳寿伟[3]测量了不同体位和动作时L3～4椎间盘所承受的压力, 发现它们之间存在很大差异。郭郡浩[4]通过理论计算得出了腰椎前屈不同角度时腰椎间盘受力的情况，结果显示, 腰椎前屈增加的主要是剪切力, 因此, 腰椎前屈时容易损伤。李建军等[5]对比分析C5～6、T12～ L1、L4～5椎间盘与相邻椎体的压缩力学性质, 取C5～6、T12～L1、L4～5 椎间盘与相邻椎体标本各13 个,进行压缩实验，结果显示，L4～5 组椎间盘与相邻椎体最大载荷大于T12～L1 和C5～6 组、 C5～6 组，最大位移大于L4～5 组和T12～L1 组、 L4～5组椎间盘与相邻椎体最大应力大于C5～6 和T12～L1 组、 C5～6 组椎间盘与相邻椎体最大应变大于L4～5 和T12～L1 组, 差异显著(P<0.01) 。得出了C5～6、T12～L1、L4～5 椎间盘与相邻椎体标本的压缩力学性质有一定区别的结论。彭传刚等[6]对正常国人新鲜尸体C3～4、T9～10、L2～3椎间盘与相邻椎体进行弯曲实验研究，取C3～4、T9～10、L2～3椎间盘与相邻椎体标本各13个进行弯曲实验，结果表明,L2～3组最大载荷、最大弯距、最大应力大于C3～4、T9～10组,差异显著(P<0.05),T9～10组最大载荷、最大弯距、最大应力大于C3～4组,差异显著(P<0.05)，得出了C3～4、T9～10、L2～3椎间盘与相邻椎体标本的弯曲力学性质有一定区别,标本的横截面积越大,承受的载荷和应力越大,但不成正比关系的结论。

以往的研究多为研究腰椎间盘与相邻椎体的压缩力学特性居多，L5～S1、T11～12、C4～5椎间盘与相邻椎体扭转实验研究鲜有报道，鉴于临床实际需要，我们对L5～S1、T11～12、C4～5椎间盘与相邻椎体进行扭转实验研究。得出了三组标本的扭转最大扭矩、扭转角、切应力等力学性能指标。观察了三组标本破坏后的断口形貌，得出了一些结论，对实验结果进行分析讨论。

2 材料与方法

2.1 材料

实验标本取自正常国人新鲜尸体13个脊柱标本，由白求恩医科大学解剖教研室提供年龄20～30岁，均为男性。人死亡1 h之内，解剖尸体取出C1～S1脊柱。立即装入塑料袋中密封后置于20℃冰箱内保存。

2.2 仪器

德国莱比锡试验机厂生产的扭转试验机，长春市第三光学仪器厂生产的读数显微镜。

2.3 扭转实验方法

标本存放了3 d后，取出标本，在常温下解冻后，切取C4～5、T11～12、L5～S1椎间盘与相邻椎体标本，每组各13个标本。C4～5标高30.2～30.4 mm，直径20.2～24.6 mm，T11～12标本高40.2～40.4 mm，直径27.8～28.6 mm，L5～S1标本高44.8～45.2 mm，直径44.8～48.6 mm。利用读数显微镜测量试样的长度、宽度和高度。腰椎松质骨为粘弹性材料；所以必须对试样进行预调处理，本实验按文献[7-10]的方法对每个试样进行预调处理后实验。分别将3组试样装入夹具内，之后将夹具两端装入试验机夹关内，以5°/min的实验速度对试样施加扭矩，实验结束后，试验机度盘自动显示出最大扭矩、最大扭转角等。

2.4 统计学分析

采用SPSS 11.0软件进行统计分析，计数资料以x±s表示，采用完全随机分组单因素方差分析进行数据分析。采用t检验对2组实验数据进行比较，P<0.05为差异有显著性意义。

3 结果

3组标本扭转实验结果见表1。

4 讨论

本实验得出了C4～5、T11～12、L5～S1椎间盘与相邻椎体扭矩、扭转角、扭转切应力等力学性能指标，目的是对比C4～5、T11～12、L5～S1椎间盘与相邻椎体的扭转力学特性。为使实验结果可靠，采取了如下干预措施：(1)3组椎间盘与相邻椎体扭转试样在相同实验速度，相同温度下进行实验。(2)实验标本均为青年男性，避免了性别不同，年龄差异大产生的偏倚。(3)以统计分析和t检验方法评估实验数据的误差,通过采取以上干预措施使实验数据误差降低到最低。实验结果表明，L5～S1组最大扭矩大于T11～12组和C4～5组，差异显著(P<0.05)，L5～S1组切应力大于C4～5组，差异显著(P<0.05)，C4～5组扭转角大于T11～12组和L5～S1组差异显著(P<0.05)。本实验试样的破坏形式大部分以椎骨和间盘相接处的最外边缘扭坏。试样破坏时，扭矩由颈椎至胸腰段逐渐递增，试样所承受的扭矩，随着截面积增大，扭矩不断增大，但不成正比关系。由于脊柱各活动节段所处的解剖位置不同，其生理功能不同，所以，其承受的扭矩、扭转剪应力、扭转角不同。

表1 椎间盘与相邻椎体扭转实验数据

注: L5～S1组、T11～12组、C4～5组最大扭矩数据分别配对，t检验差异显著(P<0.05)，L5～S1组、T11～12组、C4～5组扭转角数据配对，t检验差异显著(P<0.05)，L5～S1组、T11～12组、C4～5组切应力数据分别配对，t检验差异显著(P<0.05)。

维持脊柱稳定的基本单位是活动节段，也叫脊柱功能单位(functional spinal unit,FSU)[1]，包括相邻两节椎体及其间的椎间盘、小关节和韧带结构。FSU是能够反映脊柱生物力学性质的最小单位，同时也是维持脊柱稳定的基本单位。在正常条件下，FSU由于各种外部和内部载荷(应力)的作用而发生，各组成部分的变形(应变)和这些组成部分之间的相对位移与活动，载荷的形式则有压缩、拉伸、扭转、剪切等。FSU的每一组成部分都不同程度地参与了载荷的承受，这些载荷(应力)的作用以及由此导致变形[1]。关于椎间盘的退变原因，有研究认为，髓核通过纤维环，软骨板和椎体经椎板供给营养的，因此，软骨板是非常重要的，随着年龄增长的化学变化，机械损伤能引起软骨板的功能改变，随着退变的发生，纤维环极易出现断裂，各纤维环的断裂程度不一，但在通常情况下，腰纤维环由于承载较大，易开裂，但对压缩负荷而言，纤维环比椎体强度要高的多，椎间盘破坏常常是软骨板骨折，但处于扭转负荷作用下，椎间盘很容易使纤维环外层开裂[11]。Markolf[12]观察到椎间盘的抗拉应力低于抗压应力,认为这是椎间盘内压的作用所致;弯曲载荷对椎间盘也有明显影响，纤维的膨出总是发生在弯曲脊柱的凹侧,前屈时向前膨出,后伸时向后膨出。目前认为，脊柱扭转是引起椎间盘损伤诸应力中的最主要类型。椎间盘的组织解剖学特点决定了其承受扭转载荷的能力较弱,纤维环的内外层纤维与椎间盘平面存在30°夹角，因此，椎间盘承受扭转载荷时承载的仅仅是其中的一部分纤维，强度远远低于承受压缩载荷和拉伸载荷[13]。本实验结果与文献[13]观点一致。

本实验研究了L5～S1、T11～12、C4～5椎间盘及相邻椎体的压缩力学特性。由于标本有限和生物材料个体差异的原因，实验数据有一定的离散性，但对临床有一定的参考价值。