脊柱内固定与邻近关节突关节退变程度的关系
作者：辛 兵 侯筱魁 李永刚
单位：辛 兵 徐州医学院附属医院骨科 221002 江苏省徐州市；侯筱魁 李永刚 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科
关键词：脊柱内固定；邻近运动节段；关节突关节；退变
中国脊柱脊髓杂志990607 摘要 目的：研究不同脊柱内固定节段对邻近运动节段关节突关节的影响。方法：设计山羊长节段及短节段脊柱内固定的动物模型，对固定6个月后近头侧两个邻近关节突关节进行光镜、扫描电镜及透射电镜的观察。结果：短节段组出现了软骨基质的破坏，部分软骨细胞呈现出活跃的分泌功能,符合软骨早期退变的表现；长节段组软骨基质的破坏加剧，软骨细胞也出现了较严重的退变表现,符合软骨晚期退变的表现。两组近头侧两个邻近关节突关节都出现了退变现象。结论：脊柱内固定导致了邻近运动节段关节突关节的退变。长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变，相比之下短节段固定后邻近关节突关节的退变程度较轻，出现的时间较晚。
, 百拇医药
The relationship between spinal internal fixation and the degeneration of adjacent facet joint
XIN Bing HOU Xiaokui LI Yonggang
Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1999,9(6):321～323
Abstract Objective:A goat′s model was established to study the degeneration of adjacent joint facet induced by multi-segment and short segment spinal internal fixation.Methed:The light microscops,transmission and scanning electronic microscops were performed on cartilage of adjacent joint facet cephalad to multi-segments and short segmental spinal internal fixation in 10 goats at 6 months postoperatively.Result:Morphological observation showed minor lesion at the matrix of cartilage and a part of chondrocytes had hyperactive synthetic and secretary function in the group of short segmental spinal fixation,this sign accorded with the degeneration at early stage;in the group of multi-segment,the lesion at the matrix were aggravative and most of chondrocytes were degenerative,this sign accorded with the degeneration at later stage.The first and second adjacent facet joint cephalad to spinal fixation were found to have similar morphological evidence of degeneration at each group.Conclusion:This study would suggest that there are different degree of degeneration between the multi-segment and short segment spinal fixation.The degeneration of the joint facet adjacent to multi-segment spinal fixation is more serious than that of short segment.Not less than two adjacent facet joint are found degenerative with multi-segment and short segmental spinal fixation.
, 百拇医药
Author′s address Department of Orthopaedics,Affiliated Hospital of Xuzhou Medical College,Jiangsu,221002
Key words Spinal internal fixation Adjacent segment Facet joint Degeneration
目前多数学者认为脊柱内固定及融合改变了脊柱的生物力学及运动学，并且认为固定融合对邻近运动节段施加额外的应力，而且固定的节段愈长，固定节段的刚度愈强，其邻近节段的应力增加愈大〔1、2〕。为此，我们设计了脊柱内固定的动物模型以研究不同固定节段对邻近关节突关节的生物学影响。
1 材料与方法
1.1 动物模型设计
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选取成年雄性山羊10只，体重20～24kg，随机抽取2只作对照组，其余8只作实验组。随机抽取4只作长节段固定组，其余4只为短节段固定组。对照组仅作脊柱后路皮肤切开，骶棘肌剥离，不作内固定及融合；长节段固定组以棘突根部钢丝Luque氏棒固定L2～L6，同时将骨水泥置于椎板及钢丝与棒连接处；短节段固定组固定L3～L5。固定6个月后处死动物，取近头侧邻近节段两个脊椎的下关节突关节进行光镜、扫描电镜及透射电镜观察。其中紧邻固定区域的脊椎称第一邻近节段，另一称第二邻近节段。
1.2 观察方法
1.2.1 光镜观察 标本在10%中性甲醛中固定48h以后，用Jenkins固定脱钙液脱钙2～3d，作HE染色，采用Olmpus BH-2型生物显微镜作光镜观察。
1.2.2 扫描电镜 在4℃条件下，标本置于5%戊二醛固定液中浸泡24h后，1%四氧化锇后固定2h，乙醇逐级脱水，临界点干燥，定向粘附于载物台上，真空喷金后用JSM-840扫描电镜观察。
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1.2.3 透射电镜 在4℃条件下，标本置于5%戊二醛固定液中浸泡24h，用0.1M二甲砷酸钠缓冲液漂洗24h后在磁力搅伴器上用4.13% EDTA-2Na溶液脱钙，隔天换液1次，约需10d。然后用1%四氧化锇后固定2d，乙醇逐级脱水后用环氧树脂618定向包埋。经醋酸双氧铀及柠檬酸铅双重染色后，用HITACHI-600透射电镜观察。
2 结果
2.1 光镜观察
2.1.1 对照组 软骨表面光滑，由浅至深可分为四层：表浅层，移行层，放射层，钙化层。潮标清晰完整，软骨细胞呈柱状排列。
2.1.2 短节段固定组 第一邻近节段软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，裂隙边缘多个软骨细胞聚集在一起，软骨细胞周围染色脱失。第二邻近节段软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，软骨细胞周围染色脱失。
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2.1.3 长节段固定组 第一邻近节段软骨层变薄，软骨细胞失去正常柱状排列， 软骨表面不光整。第二邻近节段软骨层出现较明显的软骨磨损，软骨层变薄。可见软骨下骨裸露。
2.2 扫描电镜
2.2.1 对照组 正常软骨表面光滑、完整，未见胶原纤维裸露、凹陷和裂隙存在。
2.2.2 短节段固定组 两个邻近关节突关节都出现了软骨下骨的裸露，软骨面呈片状剥离(图1，插Ⅳ)。
图1 短节段固定级6个月，出现软骨下骨裸露，软骨面呈片状剥离(扫描电镜×500)
2.2.3 长节段固定组 两个邻近关节突关节出现了软骨下骨的裸露，在裸露区域邻近的软骨面出现较多较宽大裂隙(图2，插Ⅳ)。
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图2 长节段固定6个月,出现软骨下骨裸露,软骨面裂隙宽大(扫描电镜×500)
2.3 透射电镜
2.3.1 对照组 正常软骨细胞根据其所处层次不同，其形状和结构也有所不同。典型的软骨细胞呈圆形或卵圆形，胞内有丰富的线粒体、高尔基体和粗面内质网，细胞周晕清晰。
2.3.2 短节段固定组 两个邻近关节突关节的软骨细胞核周微丝增多，呈现出旺盛的糖原合成及分泌功能，细胞周晕缩小或消失(图3，插Ⅳ)。
图3 短节段固定6个月,软骨细胞核周有较多的微丝及脂滴,存留较多糖原分泌的遗迹(透射电镜×8000)
2.3.3 长节段固定组 两个邻近关节突关节细胞周晕消失，细胞器减少，细胞核固缩，部分细胞核出现碎裂的表现(图4，插Ⅳ)。
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图4 长节段固定6个月,出现细胞周晕消失,细胞器减少,细胞核固缩并有部分碎裂(透射电镜×8000)
3 讨论
3.1 动物模型已被广泛应用于脊柱固定融合的组织学及生物力学研究，其中犬及羊是两种应用最多的动物模型〔3〕。Ashton等〔4〕运用有限元分析比较了人体与四足动物的差异，结果两者脊柱的力学传导机制有相似性。McAfee〔5〕的实验表明，犬脊柱椎弓根固定器固定后其螺钉的断裂部位与临床随访的结果相似。同时螺钉断裂的力学机制也有相似性，即螺钉通常在屈曲应力或剪切应力下断裂，而不是在压缩应力下断裂。目前多数学者认为羊及犬的脊柱模型与人体有一定的相似性。我们在实验中发现羊腰椎的关节突关节与人体相似，由上下关节突构成，上关节突呈凹面，下关节突呈凸面。因此我们认为本实验所设计的动物模型具有一定的合理性，其邻近节段关节突关节的结构以及力学环境的改变可以较准确地复制人体所发生的变化。
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3.2 不少学者认为脊柱固定融合对邻近运动节段施加了额外的应力。Lee〔1〕认为后路固定融合后，由于固定区域的刚度增加以及旋转中心的移位，使邻近关节突关节的应力明显增加。Chow〔2〕、Luk〔6〕认为邻近节段的应力增加虽未超过其生理极限，但邻近节段的关节突关节经常处在高负荷状态下工作。目前的研究证实高应力环境下软骨的退变首先表现为软骨基质的丧失，而软骨细胞呈现出活跃的分泌功能。随着软骨基质破坏的加剧，软骨细胞出现了严重的退变，两者相互影响从而加剧软骨的退变〔7〕。我们的研究结果表明，邻近节段关节突关节的退变与其力学环境的变化相一致。数位学者认为固定的节段愈长，固定节段的刚度愈强，其邻近节段的应力增加愈大。我们的结果发现虽然邻近节段处在高应力环境，但由于固定节段的不同其邻近关节突关节的退变程度是不一致的。在相同的固定时间内，短节段固定组虽然出现软骨表面的裂隙，但在裂隙周围多个软骨细胞聚集在一起。透射电镜同时也发现具有旺盛分泌功能的软骨细胞，胞浆内出现活跃的糖原合成及分泌，粗面内质网明显扩张，符合软骨早期退变的表现〔8〕。而长节段固定组光镜下可见软骨细胞失去正常柱状排列，部分软骨细胞固缩并有空陷窝出现。同时可见较大的软骨缺损区域，软骨下骨裸露。透射电镜下显示细胞周晕消逝，细胞器减少，细胞核固缩并有碎裂的表现，显示出一种晚期退变的征象〔8〕。因此，我们认为无论是长节段固定还是短节段固定都导致了邻近关节突关节的退变，长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变，相比之下短节段固定后邻近关节突关节的退变程度较轻，而且出现的时间较晚。
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虽然生物力学研究表明固定及融合后邻近节段的应力及运动都增加，但尚未确定受到影响的邻近节段的范围。临床随访发现部分病例出现了两个邻近节段的退变〔9、10〕。我们的实验发现，长、短节段固定都导致了两个邻近关节突关节的退变。由于未能观察更多的邻近节段，因此我们不能确定可能受到影响的邻近节段的范围。
参考文献
1 Lee CK,Langrana NA.Lumbosacral spinal fusion:a biomechanical study.Spine,1984,9:574.
2 Chow DHK,Luk KDK,Evans,et al.Effect of short anterior lumbar interbody fusion on biomechanics of neighboring unfused segments.Spine,1996,21:549.
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3 Schimandle JH,Boden SD.The use of animal model to study spinal fusion.Spine,1994,19:1998.
4 Ashton-Miller JA,Phillips WA,McGlashen KM.Musculoskeletal response to an induced scolisis in the canine spine.Orthop Trans,1989,13:106.
5 Mcafee PC,Farely ID,Sutterlin CE, et al. The effect of spinal implant rigidity on vertebral bone density.Spine,1991,16(23):190.
6 Luk KD,Chow DHK,Evans JH,et al.Lumbar spinal mobility after short anterior interior interbody fusion.Spine,1995,20:813.
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7 顾延,戴戎,裘世静,等.异常高应力导致关节软骨退变机理的形态学研究.中华外科杂志,1995,33:597.
8 毕五蝉,王亦璁,万毅,等.关节软骨退变的超微结构观察.中华外科杂志,1988,26:429.
9 Zdeblick TA.A prospection, randomized study of lumbar fusion.Spine,1993,18:983.
10 Schlegel JD,Smith JA,Schleusener RL.Lumbar motion sement pathology adjacent to thracolumbar,lumber,and lumbosacral fusion.Spine,1996,21:970.
收稿日期：1998-07-28 修回日期：1999-10-20, 百拇医药
单位：辛 兵 徐州医学院附属医院骨科 221002 江苏省徐州市；侯筱魁 李永刚 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科
关键词：脊柱内固定；邻近运动节段；关节突关节；退变
中国脊柱脊髓杂志990607 摘要 目的：研究不同脊柱内固定节段对邻近运动节段关节突关节的影响。方法：设计山羊长节段及短节段脊柱内固定的动物模型，对固定6个月后近头侧两个邻近关节突关节进行光镜、扫描电镜及透射电镜的观察。结果：短节段组出现了软骨基质的破坏，部分软骨细胞呈现出活跃的分泌功能,符合软骨早期退变的表现；长节段组软骨基质的破坏加剧，软骨细胞也出现了较严重的退变表现,符合软骨晚期退变的表现。两组近头侧两个邻近关节突关节都出现了退变现象。结论：脊柱内固定导致了邻近运动节段关节突关节的退变。长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变，相比之下短节段固定后邻近关节突关节的退变程度较轻，出现的时间较晚。
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The relationship between spinal internal fixation and the degeneration of adjacent facet joint
XIN Bing HOU Xiaokui LI Yonggang
Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1999,9(6):321～323
Abstract Objective:A goat′s model was established to study the degeneration of adjacent joint facet induced by multi-segment and short segment spinal internal fixation.Methed:The light microscops,transmission and scanning electronic microscops were performed on cartilage of adjacent joint facet cephalad to multi-segments and short segmental spinal internal fixation in 10 goats at 6 months postoperatively.Result:Morphological observation showed minor lesion at the matrix of cartilage and a part of chondrocytes had hyperactive synthetic and secretary function in the group of short segmental spinal fixation,this sign accorded with the degeneration at early stage;in the group of multi-segment,the lesion at the matrix were aggravative and most of chondrocytes were degenerative,this sign accorded with the degeneration at later stage.The first and second adjacent facet joint cephalad to spinal fixation were found to have similar morphological evidence of degeneration at each group.Conclusion:This study would suggest that there are different degree of degeneration between the multi-segment and short segment spinal fixation.The degeneration of the joint facet adjacent to multi-segment spinal fixation is more serious than that of short segment.Not less than two adjacent facet joint are found degenerative with multi-segment and short segmental spinal fixation.
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Author′s address Department of Orthopaedics,Affiliated Hospital of Xuzhou Medical College,Jiangsu,221002
Key words Spinal internal fixation Adjacent segment Facet joint Degeneration
目前多数学者认为脊柱内固定及融合改变了脊柱的生物力学及运动学，并且认为固定融合对邻近运动节段施加额外的应力，而且固定的节段愈长，固定节段的刚度愈强，其邻近节段的应力增加愈大〔1、2〕。为此，我们设计了脊柱内固定的动物模型以研究不同固定节段对邻近关节突关节的生物学影响。
1 材料与方法
1.1 动物模型设计
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选取成年雄性山羊10只，体重20～24kg，随机抽取2只作对照组，其余8只作实验组。随机抽取4只作长节段固定组，其余4只为短节段固定组。对照组仅作脊柱后路皮肤切开，骶棘肌剥离，不作内固定及融合；长节段固定组以棘突根部钢丝Luque氏棒固定L2～L6，同时将骨水泥置于椎板及钢丝与棒连接处；短节段固定组固定L3～L5。固定6个月后处死动物，取近头侧邻近节段两个脊椎的下关节突关节进行光镜、扫描电镜及透射电镜观察。其中紧邻固定区域的脊椎称第一邻近节段，另一称第二邻近节段。
1.2 观察方法
1.2.1 光镜观察 标本在10%中性甲醛中固定48h以后，用Jenkins固定脱钙液脱钙2～3d，作HE染色，采用Olmpus BH-2型生物显微镜作光镜观察。
1.2.2 扫描电镜 在4℃条件下，标本置于5%戊二醛固定液中浸泡24h后，1%四氧化锇后固定2h，乙醇逐级脱水，临界点干燥，定向粘附于载物台上，真空喷金后用JSM-840扫描电镜观察。
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1.2.3 透射电镜 在4℃条件下，标本置于5%戊二醛固定液中浸泡24h，用0.1M二甲砷酸钠缓冲液漂洗24h后在磁力搅伴器上用4.13% EDTA-2Na溶液脱钙，隔天换液1次，约需10d。然后用1%四氧化锇后固定2d，乙醇逐级脱水后用环氧树脂618定向包埋。经醋酸双氧铀及柠檬酸铅双重染色后，用HITACHI-600透射电镜观察。
2 结果
2.1 光镜观察
2.1.1 对照组 软骨表面光滑，由浅至深可分为四层：表浅层，移行层，放射层，钙化层。潮标清晰完整，软骨细胞呈柱状排列。
2.1.2 短节段固定组 第一邻近节段软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，裂隙边缘多个软骨细胞聚集在一起，软骨细胞周围染色脱失。第二邻近节段软骨表面出现较多裂隙，软骨细胞失去正常柱状排列，软骨细胞周围染色脱失。
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2.1.3 长节段固定组 第一邻近节段软骨层变薄，软骨细胞失去正常柱状排列， 软骨表面不光整。第二邻近节段软骨层出现较明显的软骨磨损，软骨层变薄。可见软骨下骨裸露。
2.2 扫描电镜
2.2.1 对照组 正常软骨表面光滑、完整，未见胶原纤维裸露、凹陷和裂隙存在。
2.2.2 短节段固定组 两个邻近关节突关节都出现了软骨下骨的裸露，软骨面呈片状剥离(图1，插Ⅳ)。
图1 短节段固定级6个月，出现软骨下骨裸露，软骨面呈片状剥离(扫描电镜×500)
2.2.3 长节段固定组 两个邻近关节突关节出现了软骨下骨的裸露，在裸露区域邻近的软骨面出现较多较宽大裂隙(图2，插Ⅳ)。
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图2 长节段固定6个月,出现软骨下骨裸露,软骨面裂隙宽大(扫描电镜×500)
2.3 透射电镜
2.3.1 对照组 正常软骨细胞根据其所处层次不同，其形状和结构也有所不同。典型的软骨细胞呈圆形或卵圆形，胞内有丰富的线粒体、高尔基体和粗面内质网，细胞周晕清晰。
2.3.2 短节段固定组 两个邻近关节突关节的软骨细胞核周微丝增多，呈现出旺盛的糖原合成及分泌功能，细胞周晕缩小或消失(图3，插Ⅳ)。
图3 短节段固定6个月,软骨细胞核周有较多的微丝及脂滴,存留较多糖原分泌的遗迹(透射电镜×8000)
2.3.3 长节段固定组 两个邻近关节突关节细胞周晕消失，细胞器减少，细胞核固缩，部分细胞核出现碎裂的表现(图4，插Ⅳ)。
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图4 长节段固定6个月,出现细胞周晕消失,细胞器减少,细胞核固缩并有部分碎裂(透射电镜×8000)
3 讨论
3.1 动物模型已被广泛应用于脊柱固定融合的组织学及生物力学研究，其中犬及羊是两种应用最多的动物模型〔3〕。Ashton等〔4〕运用有限元分析比较了人体与四足动物的差异，结果两者脊柱的力学传导机制有相似性。McAfee〔5〕的实验表明，犬脊柱椎弓根固定器固定后其螺钉的断裂部位与临床随访的结果相似。同时螺钉断裂的力学机制也有相似性，即螺钉通常在屈曲应力或剪切应力下断裂，而不是在压缩应力下断裂。目前多数学者认为羊及犬的脊柱模型与人体有一定的相似性。我们在实验中发现羊腰椎的关节突关节与人体相似，由上下关节突构成，上关节突呈凹面，下关节突呈凸面。因此我们认为本实验所设计的动物模型具有一定的合理性，其邻近节段关节突关节的结构以及力学环境的改变可以较准确地复制人体所发生的变化。
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3.2 不少学者认为脊柱固定融合对邻近运动节段施加了额外的应力。Lee〔1〕认为后路固定融合后，由于固定区域的刚度增加以及旋转中心的移位，使邻近关节突关节的应力明显增加。Chow〔2〕、Luk〔6〕认为邻近节段的应力增加虽未超过其生理极限，但邻近节段的关节突关节经常处在高负荷状态下工作。目前的研究证实高应力环境下软骨的退变首先表现为软骨基质的丧失，而软骨细胞呈现出活跃的分泌功能。随着软骨基质破坏的加剧，软骨细胞出现了严重的退变，两者相互影响从而加剧软骨的退变〔7〕。我们的研究结果表明，邻近节段关节突关节的退变与其力学环境的变化相一致。数位学者认为固定的节段愈长，固定节段的刚度愈强，其邻近节段的应力增加愈大。我们的结果发现虽然邻近节段处在高应力环境，但由于固定节段的不同其邻近关节突关节的退变程度是不一致的。在相同的固定时间内，短节段固定组虽然出现软骨表面的裂隙，但在裂隙周围多个软骨细胞聚集在一起。透射电镜同时也发现具有旺盛分泌功能的软骨细胞，胞浆内出现活跃的糖原合成及分泌，粗面内质网明显扩张，符合软骨早期退变的表现〔8〕。而长节段固定组光镜下可见软骨细胞失去正常柱状排列，部分软骨细胞固缩并有空陷窝出现。同时可见较大的软骨缺损区域，软骨下骨裸露。透射电镜下显示细胞周晕消逝，细胞器减少，细胞核固缩并有碎裂的表现，显示出一种晚期退变的征象〔8〕。因此，我们认为无论是长节段固定还是短节段固定都导致了邻近关节突关节的退变，长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变，相比之下短节段固定后邻近关节突关节的退变程度较轻，而且出现的时间较晚。
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虽然生物力学研究表明固定及融合后邻近节段的应力及运动都增加，但尚未确定受到影响的邻近节段的范围。临床随访发现部分病例出现了两个邻近节段的退变〔9、10〕。我们的实验发现，长、短节段固定都导致了两个邻近关节突关节的退变。由于未能观察更多的邻近节段，因此我们不能确定可能受到影响的邻近节段的范围。
参考文献
1 Lee CK,Langrana NA.Lumbosacral spinal fusion:a biomechanical study.Spine,1984,9:574.
2 Chow DHK,Luk KDK,Evans,et al.Effect of short anterior lumbar interbody fusion on biomechanics of neighboring unfused segments.Spine,1996,21:549.
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3 Schimandle JH,Boden SD.The use of animal model to study spinal fusion.Spine,1994,19:1998.
4 Ashton-Miller JA,Phillips WA,McGlashen KM.Musculoskeletal response to an induced scolisis in the canine spine.Orthop Trans,1989,13:106.
5 Mcafee PC,Farely ID,Sutterlin CE, et al. The effect of spinal implant rigidity on vertebral bone density.Spine,1991,16(23):190.
6 Luk KD,Chow DHK,Evans JH,et al.Lumbar spinal mobility after short anterior interior interbody fusion.Spine,1995,20:813.
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7 顾延,戴戎,裘世静,等.异常高应力导致关节软骨退变机理的形态学研究.中华外科杂志,1995,33:597.
8 毕五蝉,王亦璁,万毅,等.关节软骨退变的超微结构观察.中华外科杂志,1988,26:429.
9 Zdeblick TA.A prospection, randomized study of lumbar fusion.Spine,1993,18:983.
10 Schlegel JD,Smith JA,Schleusener RL.Lumbar motion sement pathology adjacent to thracolumbar,lumber,and lumbosacral fusion.Spine,1996,21:970.
收稿日期：1998-07-28 修回日期：1999-10-20, 百拇医药