強迫體位下諧振對腰部椎間盤組織形態(tài)學(xué)影響的實驗研究＊

張智慧，黃昌林，王 帥

振動是引起下腰痛的重要危險因素，流行病調(diào)查研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)駕駛員中腰痛的患病率比其他不接觸振動的人們要高很多，并且其差異有統(tǒng)計學(xué)意義［1］。國外Pope等實驗研究車輛振動可以使駕乘人員腰椎產(chǎn)生垂直和水平運動，并且下腰椎的水平位移最大，腰椎的諧振區(qū)在4～6 Hz，當(dāng)振動頻率與腰椎的諧振區(qū)重疊，產(chǎn)生諧振時可加大對腰部的損傷［2］。腰椎間盤是引起下腰痛的主要部分已廣為人知，但研究諧振對腰椎間盤組織的影響情況卻鮮有報道。本課題通過觀察諧振頻率對兔腰椎間盤組織的形態(tài)學(xué)影響，以期探討振動對椎間盤組織產(chǎn)生損傷的機制，并進一步為振動所致椎間盤源性下腰痛尋找積極有效的預(yù)防方法。

1 材料和方法

1.1 研究對象和實驗造模 新西蘭大白兔90只，雌雄不限，體重 1.5～2 kg，8 月齡，隨機分為 5 組，分別為：正常對照組；造模對照組；振動4 Hz組；振動5 Hz組；振動6 Hz組。每組各18只，各組在同一條件下分籠飼養(yǎng)。分別在實驗2、4、6周隨機抽取6只動物處死。

正常對照組動物進行自由活動；造模對照組動物模仿駕駛員強迫直立臀位坐于固定籠中，無振動；振動組（振動4 Hz組、振動5 Hz組、振動6 Hz組）實驗動物模仿駕駛員姿勢強迫直立臀位坐于特制振動籠中，以保證振動時實驗動物臀部完全接觸振動。振動時間2 h，1次/d。振動時造模對照組動物置于固定籠中，時間2 h，1次/d。其他非振動時間，各組動物處于同一環(huán)境條件下進行喂養(yǎng)。

1.2 主要試劑 甲醛溶液，由鄭州化學(xué)三廠提供；蘇木素染液、伊紅染液，均由福州邁新生物技術(shù)開發(fā)公司提供。

1.3 主要實驗儀器 振動臺，由天津宏達試驗儀器有限公司提供；操作臺，由洛陽新思路電氣有限公司提供；BM－VII型生物組織包埋機，由孝感市宏業(yè)醫(yī)用儀器有限公司提供；Tissue－Tek VIPTM 5Jr型全封閉組織自動脫水機，由日本櫻花公司提供；賽默飛世爾自動染色機，由Thermo公司提供；RM 2128型切片機，由LEICA公司提供；光學(xué)顯微鏡BX－40型，由OLYMPUS公司提供。

1.4 標(biāo)本采集及處理 每組分別于實驗第2、4、6周隨機抽取6只實驗動物，采用耳源靜脈空氣栓塞法處死，取出腰5～6椎間盤，修剪整齊后，生理鹽水進行清洗；椎間盤標(biāo)本組織置于10%甲醛溶液固定72 h，置入10%硝酸脫鈣液3 d脫鈣后，切開修材，流水沖洗，自動脫水機脫水；12 h后石蠟包埋，沿正中橫斷面切片，切片厚4 μm，60℃烤箱烤片30 min，放入自動染色機，行常規(guī)HE染色，經(jīng)過60 min染色后，取出切片，中性樹脂封膠。石蠟切片經(jīng)過HE染色后，顯微鏡下觀察椎間盤組織的病理學(xué)改變。

1.5 組織病理學(xué)評分 采用標(biāo)準(zhǔn)五分法對實驗兔椎間盤組織進行病理學(xué)評分以便于進行統(tǒng)計學(xué)分析，科學(xué)判斷椎間盤組織受損情況。具體方法如下：顯微鏡下（10×40）每張切片隨機選5個視野，觀察椎間盤髓核組織、膠原纖維等的病理學(xué)變化并按標(biāo)準(zhǔn)予以評分，取5個視野平均分值為標(biāo)本得分。病理學(xué)評分標(biāo)準(zhǔn)：基質(zhì)成分多，髓核組織飽滿，形狀規(guī)則；膠原纖維纖細，排列致密整齊，評1分；基質(zhì)成分減少，髓核組織松散，形狀不規(guī)則；膠原纖維增粗增多，出現(xiàn)梭形或不規(guī)則形態(tài)的細胞，排列不規(guī)整，評2分；髓核組織干癟，出現(xiàn)裂隙、巨大空泡，距纖維環(huán)距離增寬；膠原纖維扭曲，排列紊亂，纖維環(huán)出現(xiàn)裂隙，評3分；髓核組織出現(xiàn)寬大裂隙；膠原纖維裂隙寬大，評4分；髓核組織出現(xiàn)斷裂，細胞分布極其散亂，形狀極不規(guī)則；纖維環(huán)出現(xiàn)斷裂，評5分。

1.6 統(tǒng)計學(xué)處理 采用 SPSS14.0統(tǒng)計學(xué)軟件，實驗數(shù)據(jù)以±s表示，組間差異比較采用單因素方差分析，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 動物椎間盤組織病理學(xué)變化 見表1、2、3。

2.2 病理學(xué)評分 采用單因素方差分析，組間具有顯著性差異，其中振動6 Hz組椎間盤組織病理學(xué)評分明顯高于其他組別（P＜0.05），且組內(nèi)每時期病理學(xué)評分隨時間逐漸升高（P＜0.05），在 6周達到高峰；振動5 Hz病理學(xué)評分高于振動4 Hz組及造模對照組，且組內(nèi)每時期病理學(xué)評分隨時間逐漸升高（P＜0.05），在6周達到高峰；振動4 Hz組病理學(xué)評分與造模對照組比較無顯著性差異，但在第四、六周明顯高于同期正常對照組（P＜0.05），見表 4。

表1 2周時實驗動物腰L5～6椎間盤組織病理學(xué)主要表現(xiàn)

表2 4周時實驗動物腰L5～6椎間盤組織病理學(xué)主要表現(xiàn)

表3 6周時實驗動物腰L5～6椎間盤組織病理學(xué)主要表現(xiàn)

表4 各組動物不同時間點椎間盤組織病理學(xué)評分（±s）

表4 各組動物不同時間點椎間盤組織病理學(xué)評分（±s）

注：與同期正常對照組比較，*P＜0.05；與同期造模對照組比較，#P＜0.05；與同期振動 4 Hz 組比較，△P＜0.05；與同期振動 5 Hz 組比較，▲P＜0.05；與同期振動 6 Hz組比較，★P＜0.05。 與同組前時期比較，☆P＜0.05

組別 2周 4周 6周正常對照組 1.12±0.08#△▲★ 1.14±0.11#△▲★ 1.13±0.11#△▲★造模對照組 1.18±0.10*▲★ 1.58±0.16*▲★☆ 2.02±0.18*▲★☆振動 4Hz 組 1.23±0.09▲★ 1.66±0.15*▲★☆ 2.16±0.29*▲★☆振動 5Hz 組 1.58±0.10*#△★ 2.19±0.20*#△★☆ 3.26±0.36*#△★☆振動 6Hz 組 1.86±0.13*#△▲ 2.98±0.14*#△▲☆ 4.03±0.25*#△▲☆

3 討 論

3.1 椎間盤組織的解剖基礎(chǔ) 椎間盤主要是由中央的髓核、周圍圍繞的纖維環(huán)及上下兩層軟骨板組成的一個密封體，承擔(dān)著傳導(dǎo)和緩沖壓力負荷的功能，保持著脊柱的穩(wěn)定性。中央髓核是一種彈性膠狀物質(zhì)，髓核中含有蛋白多糖及大量水分。蛋白多糖分子通過與水分子結(jié)合保持髓核內(nèi)的水分。椎間盤周圍纖維環(huán)主要由膠原纖維、軟骨細胞及細胞外基質(zhì)組成，纖維環(huán)的纖維束相互斜行交叉重疊，使纖維環(huán)成為堅實的組織，和細胞基質(zhì)共同維持著椎間盤的壓力平衡，承受負荷，使椎間盤具有良好的黏彈性和抗壓性［3，4］。 人體在振動環(huán)境中，動態(tài)載荷對脊柱組織間產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變是同樣大小靜態(tài)載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變的2～3倍［5］。當(dāng)其振動頻率與人體組織的振動頻率相同或接近時，會發(fā)生諧振，使組織的振動幅度越來越大，最終造成組織撕裂、出血等損傷或其他功能性傷害［6］。

3.2 椎間盤組織形態(tài)學(xué)改變 在顯微鏡下觀察椎間盤組織病理學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)振動組動物髓核組織病變出現(xiàn)較造模對照組早，特別是振動6 Hz組在實驗第2周髓核組織即出現(xiàn)松散、形狀不規(guī)則等變化，繼而出現(xiàn)髓核組織干癟、裂隙，甚至斷裂等病變。振動5 Hz組和4 Hz組椎間盤髓核組織在實驗第2周時也出現(xiàn)了明顯的變化，而造模對照組在實驗6周時髓核組織才稍出現(xiàn)松散，形狀不規(guī)則?？紤]其主要原因可能是振動產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力，極易導(dǎo)致髓核組織壓力增大，髓核細胞代謝紊亂，髓核蛋白多糖及基質(zhì)降解，髓核內(nèi)水分流失，繼而導(dǎo)致髓核組織出現(xiàn)松散、裂隙、干癟，甚至斷裂。而造模對照組僅僅是靜態(tài)應(yīng)力，產(chǎn)生的應(yīng)力作用比較小，椎間盤有一定的承受負荷能力，因而造成損傷程度較輕。

3.3 椎間盤組織病理學(xué)評分 本文結(jié)果還提示：振動5 Hz組和6 Hz組實驗動物椎間盤組織病理學(xué)評分在相同時期明顯高于振動4 Hz、造模對照組和正常對照組，特別是振動6 Hz組椎間盤病理評分最高。主要考慮原因為6 Hz振動頻率與椎間盤組織產(chǎn)生重疊諧振效應(yīng)最強，5 Hz振動頻率次之。諧振效應(yīng)會對動物脊柱產(chǎn)生的應(yīng)力負荷瞬間加大，振動的幅度瞬間加大，超過椎間盤對振動動態(tài)負荷的承受力，故而可早期導(dǎo)致椎間盤組織纖維環(huán)紊亂甚至斷裂，髓核組織病變。而在振動4 Hz組，其椎間盤組織病理學(xué)評分與造模對照組比較無明顯差異，主要考慮由于其振動頻率與椎間盤組織重疊相比較小，產(chǎn)生的動態(tài)載荷應(yīng)力較弱。實驗結(jié)果還提示，各振動頻率組病理學(xué)評分隨著時間推移逐漸升高，這也提示振動對椎間盤造成的損傷具有持續(xù)性以及累積性。

3.4 對軍事訓(xùn)練的指導(dǎo)意義 振動在交通工具中產(chǎn)生非常普遍，發(fā)動機、車輛行駛中均可產(chǎn)生振動，相關(guān)軍事訓(xùn)練人員的下腰痛發(fā)病率非常高，大量文獻調(diào)查顯示其發(fā)病率在 30%～82%［1，5，6］。特別是椎間盤源性下腰痛，近幾年呈上升趨勢，其后遺傷害比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了軍隊的戰(zhàn)斗力。本實驗研究了諧振頻率對椎間盤組織的損傷。提示下一步通過研究利用各種物理、化學(xué)材料，致使機器產(chǎn)生的振動頻率在傳入人體過程中發(fā)生變化，使相關(guān)軍事訓(xùn)練人員避開諧振頻率，是預(yù)防椎間盤源性下腰痛的關(guān)鍵。

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