关键词：椎间盘移位；生物力学；解剖学；对比研究
【摘要】 目的 探讨复合外力在腰椎间盘纤维环破裂中的作用及纤维环破裂的形式。方法 取17具经CT扫描确认无椎间盘退行性病变的新鲜尸体，分成加载组和未加载组，解剖取出T12～S 1脊柱段，保存在-70℃冰柜中。未加载组的椎间盘不经加载实验，直接进行冰冻切片观察；加载组的椎间盘经过屈曲9°，扭曲3°，轴压为0～3500牛顿(N)的复合加载实验，不卸载进行CT扫描，观察冰冻切片组织学改变。结果 在未加载的30个椎间盘中发现纤维环破裂1个；而加载组30个椎间盘中发现纤维环破裂23个，其中环形破裂14个，横形破裂6个，放射形破裂3个。此外还发现髓核型疝1个和纤维环型疝2个。经统计学处理确切概率检验：复合外力作用下的腰椎间盘与未受外力作用的腰椎间盘相比，其纤维环破裂差异有显著性意义(F=2.96，P<0.05)。结论 复合外力是导致纤维环破裂的直接和重要因素，甚至可导致椎间盘疝。纤维环破裂的形式为环形、横形和放射形；纤维环破裂可促进椎间盘的退行性病变。
A research ofbio-mechanics of lumber discs
LOU Mingwu
Department of Medical Tomography，
CHU Lijuan， WANG Yingjiu， et al.
Longgang Central Hospital， Longgang Town， Shenzhen City， Guangdong Province， Shenzhen 518116
【 Abstract 】 Objective To investigate the role ofcomplex force in the pathogenesis of tear of annulus fibrosus and the forms of tear. Methods 17 fresh cadavers withoutdegeneration of lumber disc confirmed by CT scanning were divided into two groups, andpreserved at -70 ℃.The spinal column from the stressed group were bent 9°and twisted 3°， and the values of pressed axiswas 3 500 N. The spinal columns taken from control group were not treated in any way.Frozen sections were taken and compared histologically.Results 23 annulus fibrous tear werefound out of 30 lumber discs in the stressed group,and only one annulus fibrous tear incontrol group. The patterns of 23 annulus fibrous tear showed circular 14, transverse 6and radial 3. The difference in incidence of tear between the 2 groups was obvious ( P<0.05) . Conclusions Complex force is the direct and important cause of annulusfibrous tear which may result in herniated disc. The pattern of annulus fibrous tearexhibits circular, transverse and radial forms, the degeneration of discs can beaggravated by annulus fibrous tear.
【 Keywords 】 Intervertebraldisk displacement Biomechanics Anatomy Comparative study
椎间盘是脊柱承载系统中的关键部分。在正常生理情况下，腰椎间盘承受了大部分甚至全部脊柱压缩载荷，以及扭转载荷的45%。而椎间盘的退变、损伤，以及由此而产生的椎间盘疝、椎间盘膨隆是临床上的多发病和常见病，这也是腰腿痛的重要原因。虽然腰椎间盘膨隆、椎间盘疝病理及影像学改变已有很多论述[1，2] ，但是腰椎间盘膨隆、椎间盘疝与外力作用的相关性及其病理机制尚不十分清楚。本实验力图通过CT观测椎间盘在生理范围内复合加载前后的椎间盘形态变化，结合组织学观察，探讨腰椎间盘纤维环破裂的力学因素及纤维环破裂和腰椎间盘退行性病变、椎间盘膨隆、椎间盘疝的内在联系。
材料与方法
1.尸体标本：取新鲜尸体25具，对CT扫描确认椎间盘无退行性病变的17具尸体分为两组。其中未加载组7具，男6具，女1具，年龄38.0～56.0岁，平均年龄(49.0±8.6)岁；加载组10具，男8具，女2具，年龄23.0～66.0岁，平均年龄(41.7±14.8)岁。
2.椎间盘标本：解剖取下尸体T 12～S 1脊柱段。贮存在-70℃深低温冰柜中，对未加载组7具尸体的30个椎间盘在进行组织切片前将标本移置-18℃普通冰柜中，贮存24小时。
3.椎间盘试件：对加载组10具尸体的30个椎间盘作为力学实验试件，试件由“运动节段”构成，即椎间盘和相邻的2个椎体组成。试件在实验前移置到-18℃普通冰柜中贮存24小时，取出后在室温下解冻10小时，同时除去试件椎旁的软组织。用钢环套住椎体，并用骨水泥包埋，待骨水泥固化后即刻实验。
4.仪器及使用方法：(1)CT机：选用西门子Somatom CR型全身CT机，扫描参数：125 kV，450 mA。 机架最大倾斜角±25° 。扫描方法：先作数字定位片(topogram)，采用X线束与椎间盘相平行，连续扫描4层，层厚2mm。(2)压力机：用20 mm厚电木板构成侧框，以适合试件在不卸载状态下扫描，上下框用10 mm厚的钢板构成，用2 t千斤鼎作为动力。采用压力轴承与转动杆相连接，组成扭转系统。本压力机自行设计制作，经东北电力学院力学实验室万能材料力学机测试，其技术性能完全达到本实验要求。(3)压力传感器：用40号铬钢制成，并经东北电力学院力学实验室万能材料力学机上测试及标定，应变值0～8000 牛顿(N)成线性。(4)静态电阻应变仪：华东电子仪器厂出品。
5.实验方法：试件固定在压力传感器和动力座之间，连接压力传感器与静态电阻应变仪。压力传感器上所受压力，也就是试件上的压力，并通过电阻应变仪的表盘上读出。采用特制电木角度板，使椎间盘屈曲9°，手动扭转系统使椎间盘产生3°转角轴压值0～3 500 N。此复合加载为人体腰椎间盘生理负荷的极限[3-5] 。主要实验步骤：(1)试件加载实验：手动千斤顶，使压力匀速上升达3500 N。(2)加载试件椎间盘扫描：采用不卸载形式。(3)扫描后去掉试件的钢环，-18℃保存12小时然后用冰冻切片机对椎间盘横轴切片，层厚2mm，尽量保持与CT扫描层面一致。
结果
1.加载前2组椎间盘CT表现：所有椎间盘均在相邻椎体缘内，边缘光滑。L1～ 2、L 2～3、L 3～4、L 4～5椎间盘后缘略凹，L 5～S 1椎间盘后缘平直或略凸。
2.未加载30个椎间盘冰冻切片组织学显示29个椎间盘纤维环完整(图1)；1个椎间盘纤维环环形破裂，3个椎间盘髓核碎裂变色(图2)。
3.加载后试件椎间盘CT表现：(1)28个椎间盘四周均超出相邻的椎体缘0.20～0.60cm；(2)2个椎间盘后外侧缘限局性突出0.25～0.30 cm。
4.加载后试件椎间盘冰冻切片组织学表现：(1)纤维环破裂23个。其中环形破裂4个(图3)，横形破裂6个(图4)，放射形破裂3个(图5)。髓核型疝1个(图6)，纤维环型疝2个(图7)。28个椎间盘髓核呈乳白色，2个椎间盘髓核呈深褐色。
5.经确切概率检验：在复合外力作用下的腰椎间盘与未受外力作用的腰椎间盘比较，其纤维环易破裂，两者间差异有显著性意义(F=2.96，P<0.05)。
6.经t检验：未加载组和加载组尸体标本年龄差异无显著性意义(t=1.167，P>0.05)。
讨论
1.复合外力与纤维环破裂:机械损伤对椎间盘病变有重要影响[6] ，为此有研究者提出[5，7] ：(1)压缩载荷使软骨板和软骨下骨疲劳，产生微小骨折。该骨折在愈合过程中形成骨痂，使渗透营养面积减少，加速髓核和纤维环的退变。(2)弯曲、扭转、剪切将引起纤维自身的破坏，或破坏纤维层间的结合。而Youg等[8] 采用生理范围屈曲7°，扭转3°，轴压1 334 N循环复合加载，在切除后部结构的腰椎“运动节段”标本上导致了纤维环破裂和椎间盘疝。后来Gordon等[5] 采用MRI估价“运动节段”标本加载前后椎间盘形态改变，在14个标本中，有10个纤维环型疝，4个髓核型疝。为此本实验 对30个椎间盘采用生理范围内的轴压3500 N、 扭转3°、前屈9°复合加载，并与30个未加载的椎间盘进行对照研究，结果未加载的30个椎间盘仅有1个纤维环呈环形破裂，而加载的30个椎间盘有23个椎间盘纤维环破裂，其中环形破裂14个，横形破裂6个，放射形破裂3个。其纤维环破裂形式与文献报道椎间盘退行性病变纤维环破裂的形式相一致[9，10] 。上述2组实验结果经确切概率检验表明：在复合外力作用下的腰椎间盘与未加载者比较差异有显著性意义(P<0.05)，同时经t检验两组尸体年龄差异无显著性意义(P>0.05)，说明有可比性。实验结果表明，复合外力是腰椎间盘纤维环破裂的直接和重要因素。
2.纤维环破裂与椎间盘疝：近年来根据组织学研究，腰椎间盘疝分为纤维环型疝和髓核型疝[11] 。纤维环的环形破裂易于形成纤维环型疝，而Yu等[10] 的研究表明纤维环放射形破裂构成髓核疝出的通道，是髓核疝的病理基础。本实验在复合外力的作用下，14个椎间盘纤维环呈环形破裂，3个呈放射形破裂。所以笔者认为，椎间盘加载后纤维环破裂是椎间盘损伤的初级阶段，继续加载纤维环可进一步弱化。此时纤维环可能出现限局性突出，当椎间盘内的损伤积累到一定程度时，某种微小外力足以使纤维环产生完全破裂或髓核疝出。本实验发现1个髓核型疝和2个纤维环型疝也说明了这一点。
3.纤维环破裂与椎间盘膨隆：椎间盘膨隆在形态上表现为椎间盘向四周突出超过相邻的椎体缘，早期研究者认为椎间盘膨隆是由于髓核干燥，丧失了膨胀性，易于膨出的结果。Williams等[9] 通过CT与病理相结合的方法，观察到膨隆的椎间盘纤维环存在各种形式的破裂，但外层纤维环完整。Yu等[10] 的研究结果表明膨隆的椎间盘的膨隆指数超过2.5%时，94%的纤维环存在放射形破裂。本实验结果在复合外力作用下的28个椎间盘在CT影像上表现膨隆，然而这并非是真正的椎间盘膨隆。椎间盘是一个富有弹性的组织，在外力的作用下椎间盘变窄，向四周膨隆，当外力消除后椎间盘仍恢复原有的状态。但是由于外力造成纤维环的各种破裂，不但加速了椎间盘纤维环和髓核的退行性病变，最终将导致椎间盘不可逆性膨隆。
综上所述，笔者认为外力可直接导致纤维环的破裂，其破裂形式为环形、横形、放射形。纤维环破裂不但可以加速椎间盘的退行性病变，而且将产生椎间盘膨隆和椎间盘疝[1，2] ，所以外力也是椎间盘膨隆和椎间盘疝的重要因素，甚至可直接导致椎间盘疝。
参考文献
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11 Yasuma T, Koh S, Okamura T, et al. Histological changes in aging lumbarintervertebral discs. Their role in protrosions and prolapses. J Bone Joint Surg [Am],1990, 72: 220-229.
(本文编辑：隋行芳)
(收稿：1999-01-15 修回：1999-05-20) , http://www.100md.com