腰椎關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變機(jī)制的生物力學(xué)研究現(xiàn)狀

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·綜述·

腰椎關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變機(jī)制的生物力學(xué)研究現(xiàn)狀

Progress of biomechanics study on mechanism of facet joint configuration diversity affecting lumbar degeneration

李杰,肖洪,周躍(第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院骨科，重慶 400037)

[關(guān)鍵詞]腰椎；關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)；腰椎退變；生物力學(xué)；有限元分析

腰椎退行性病變導(dǎo)致的腰腿痛是當(dāng)今社會(huì)造成勞動(dòng)力喪失和殘疾的常見原因之一，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，產(chǎn)生了巨大的醫(yī)療費(fèi)用支出。腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)作為腰椎應(yīng)力傳導(dǎo)和運(yùn)動(dòng)控制的重要部分，其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特點(diǎn)決定其在腰椎退變過程中起到了重要作用。關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異可能通過對(duì)關(guān)節(jié)突退變和椎間盤退變的影響進(jìn)而加速腰椎整體退變的進(jìn)程。通過影像學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，這種差異與部分腰椎退行性病變的發(fā)生存在相關(guān)性[1-6]，提示關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異通過特殊的生物力學(xué)機(jī)制影響了腰椎退變的進(jìn)程。而這種機(jī)制也日益受到研究者的關(guān)注，本文就探索這種機(jī)制的生物力學(xué)研究做如下綜述。

1關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特點(diǎn)

腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)為滑膜關(guān)節(jié)，由上下關(guān)節(jié)突以及關(guān)節(jié)囊組成，為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其主要生物力學(xué)作用是對(duì)抗軸向旋轉(zhuǎn)和水平剪切，也參與了部分抗壓縮和抗張力的作用。不同腰椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)與矢狀面的夾角不同，從上至下逐漸增加，該角度的方向性與其維持腰椎的旋轉(zhuǎn)和抗剪切力有關(guān)。椎間盤和兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)構(gòu)成穩(wěn)定的三角支撐關(guān)系，承載腰椎各方向上的耦合運(yùn)動(dòng)。腰椎間盤和小關(guān)節(jié)的退變是脊椎功能單位退變的基礎(chǔ)。理論上，椎間盤高度改變或者關(guān)節(jié)突角度的異常將打破耦合運(yùn)動(dòng)的平衡，從而導(dǎo)致腰椎應(yīng)力分布不均勻，形成應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生改變。生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)的完整性在維持脊柱穩(wěn)定中起到了非常重要的作用[7-8]。

2關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變的影像學(xué)證據(jù)

目前，影像學(xué)研究的腰椎關(guān)節(jié)突相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)角、兩側(cè)關(guān)節(jié)的不對(duì)稱性和關(guān)節(jié)突間距，而CT平掃觀察是最常用的研究手段。測(cè)量的基本方法是在椎體的上終板的CT掃描層面上，測(cè)量上關(guān)節(jié)面前后兩端點(diǎn)連線和該椎體正中矢狀線的夾角，定義為關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)角[9]。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的不對(duì)稱性即兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)角的差值大于7°，7°～15°為中度不對(duì)稱，大于15°為重度不對(duì)稱[10]。

影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)角減小是L2～L3節(jié)段發(fā)生關(guān)節(jié)突骨關(guān)節(jié)炎的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，而成角增大與L4～L5節(jié)段的關(guān)節(jié)突骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率顯著相關(guān)[1-3]。對(duì)于腰椎退變性滑脫而言，關(guān)節(jié)角減小與退變性滑脫的發(fā)生率相關(guān)，同時(shí)這些研究提出的關(guān)節(jié)突不對(duì)稱性和關(guān)節(jié)突間距也是值得關(guān)注的指標(biāo)[4-5]。動(dòng)態(tài)磁共振研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)面矢狀面化的患者在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下骨性的椎管結(jié)構(gòu)更加狹窄[6]。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)角和椎間盤退變的相關(guān)性尚未達(dá)成共識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為不存在關(guān)節(jié)突的不對(duì)稱性與特定節(jié)段的椎間盤突出的相關(guān)性[11-12]，下腰椎高發(fā)椎間盤突出是該部位應(yīng)力集中所致，與關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)方向性無關(guān)。而另一種觀點(diǎn)認(rèn)為這種相關(guān)性是存在的[13-16]，特別是在青少年腰椎間盤突出癥患者中，研究證實(shí)在該群體中腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)不對(duì)稱的發(fā)生率較高。這一結(jié)果從側(cè)面提示了在排除椎間盤自身退變對(duì)椎間盤突出的影響前提下，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)不對(duì)稱性在椎間盤突出發(fā)生中起到了重要的作用。

3關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變的理論基礎(chǔ)

根據(jù)影像學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)，有學(xué)者提出了“關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變”假說[17-18]。理論上，異常關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致腰椎應(yīng)力傳導(dǎo)異常，加劇關(guān)節(jié)軟骨的磨損，加速關(guān)節(jié)突退變過程，從而會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致腰椎退變失穩(wěn)的進(jìn)展[12]。然而，這一假說并沒有獲得充分證據(jù)支持，原因包括幾方面：首先，臨床影像學(xué)研究多采用橫斷面研究設(shè)計(jì)，只能發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)與腰椎退行性病變發(fā)生率之間是否存在相關(guān)性，而不能評(píng)價(jià)異常結(jié)構(gòu)對(duì)于腰椎退變是否起到了加速作用，需要縱向設(shè)計(jì)的影像學(xué)研究來彌補(bǔ)這一缺陷[2-3,16]。其次，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，而在目前的臨床影像學(xué)研究中所納入的指標(biāo)相對(duì)單一，多圍繞上關(guān)節(jié)面成角進(jìn)行，而忽略了關(guān)節(jié)突間距等其他因素對(duì)于腰椎退變的影響。因此，需要綜合多種關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合分析[5]。更為重要的是，由于在實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究中人體標(biāo)本的間盤壓力和關(guān)節(jié)突應(yīng)力難以測(cè)量，同時(shí)不同標(biāo)本擁有獨(dú)特的關(guān)節(jié)突解剖參數(shù)和生物力學(xué)特性，因此實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究難以構(gòu)建參數(shù)化的關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)模型，對(duì)影像研究發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象不能進(jìn)行深入的生物力學(xué)研究，需要借助于有限元分析技術(shù)展開進(jìn)一步的研究[5]。有限元分析方法可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，模擬關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的不同結(jié)構(gòu)，計(jì)算不同模型在不同條件下的生物力學(xué)特點(diǎn)，為研究關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變的生物力學(xué)機(jī)制提供了方法。

4生物力學(xué)研究方法

通過有限元分析方法研究關(guān)節(jié)突不同結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的生物力學(xué)效應(yīng)在技術(shù)上是可行的。劉耀升等[19]建立L4～L5單側(cè)三維有限元模型，研究關(guān)節(jié)突成角改變聯(lián)合退變椎間盤對(duì)于退變性滑脫的作用，研究證實(shí)關(guān)節(jié)突成角矢狀面化是退變性腰椎滑移的原發(fā)誘因，其內(nèi)在不穩(wěn)定性受椎間盤退變程度的影響。該研究率先將關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)的問題進(jìn)行了有限元分析研究，但因?yàn)槠洳捎脝蝹?cè)有限元模型，未能對(duì)關(guān)節(jié)突不對(duì)稱性等參數(shù)進(jìn)行建模運(yùn)算。Park等[20]通過有限元分析技術(shù)完善了構(gòu)建不同椎間盤退變程度模型的方法，為研究關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異聯(lián)合腰椎間盤退變所造成的生物力學(xué)影響打下了基礎(chǔ)。Niemeyer等[21]的研究指出不同椎體幾何結(jié)構(gòu)將會(huì)影響椎間盤應(yīng)力、節(jié)段活動(dòng)度和關(guān)節(jié)突接觸應(yīng)力，因此需要在研究中將三者作為比較的指標(biāo)。Kim等[22]首次通過有限元技術(shù)構(gòu)建了L2～L3節(jié)段不同關(guān)節(jié)突朝向和對(duì)稱性的模型，研究結(jié)果證實(shí)關(guān)節(jié)突不對(duì)稱性顯著增加了椎間盤的壓力和關(guān)節(jié)接觸面的應(yīng)力分布，同時(shí)也證明了通過有限元方法來探索不同關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特點(diǎn)的可行性。但由于該研究所采用的節(jié)段不是腰椎退變易發(fā)生的部位，同時(shí)未將椎間盤退變納入研究參數(shù)之中，因此得出的結(jié)論向腰椎退變外延的可靠性有限，需要在此基礎(chǔ)上開展更加深入的有限元分析研究。

有限元分析研究方法研究關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)相關(guān)生物力學(xué)特性的研究也存在自身的局限性。該方法是在模型模擬的基礎(chǔ)上，通過改變關(guān)節(jié)突幾何形狀得到不同結(jié)構(gòu)的模型，這種模擬過程忽略了關(guān)節(jié)突以外的椎體結(jié)構(gòu)的幾何形狀改變所產(chǎn)生的效應(yīng)，得到的是一種擬合模型[21-22]。擬合模型與真實(shí)模型在幾何結(jié)構(gòu)上的差異需要進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。同時(shí)，從模型運(yùn)算得到結(jié)果也需要縱向的臨床影像學(xué)研究進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，以進(jìn)一步說明研究結(jié)果的外延性。

5展望

關(guān)于關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)差異影響腰椎退變的生物力學(xué)機(jī)制的研究，下一步方向在于通過有限元分析技術(shù)，針對(duì)不同關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)采用多種方法對(duì)模型和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。因此，需要在研究中納入更多的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)角，關(guān)節(jié)突不對(duì)稱性和關(guān)節(jié)突間距，由單節(jié)段模型擴(kuò)展到雙節(jié)段或者三節(jié)段，同時(shí)將關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)參數(shù)與不同椎間盤退變程度聯(lián)合建模并加以分析。此外，為了突破有限元分析技術(shù)的局限性，需要比較擬合模型和真實(shí)模型的差異?？蓮腃T資料庫(kù)中找出和該參數(shù)匹配的資料，通過該資料構(gòu)建真實(shí)模型，與擬合模型進(jìn)行比較，并分析這種差異帶來的生物力學(xué)特性的改變，分析擬合模型結(jié)果的外延效果，從模型比較的角度進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。此外，還需要通過縱向的影像學(xué)研究來彌補(bǔ)既往橫斷面研究的不足，觀察時(shí)間變化下不同關(guān)節(jié)突結(jié)構(gòu)和腰椎退變之間的關(guān)系[16]。通過臨床影像學(xué)研究方法驗(yàn)證有限元模型結(jié)果的有效性，完善相關(guān)生物力學(xué)機(jī)制的探索，進(jìn)一步揭示關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在腰椎退變發(fā)展中的作用，為腰椎退行性疾病的預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。

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(編輯：楊穎)

[收稿日期]2014-10-11[修回日期] 2014-11-15

[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAI14B02)；重慶市科委重大項(xiàng)目(CSTC2012GG_YYJSB10012)

doi:10.11659/jjssx.07E014016

[中圖分類號(hào)]R318.17；R318.17

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1672-5042(2015)01-0090-03