可控應(yīng)力軸向誘導(dǎo)山羊腰椎間盤退變的實驗研究

， ， ，， ， ， ，王軍*

(1.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院疼痛科，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科)

椎間盤退變(Interbody Disc Degeneration,IDD)性腰痛的因素有許多，異常壓縮應(yīng)力則是主要因素之一[1]。國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為異常的壓縮應(yīng)力負荷主要通過影響椎間盤的營養(yǎng)供應(yīng)，從而加速IDD，引發(fā)一系列癥狀[2]。為了探尋軸向壓縮應(yīng)力與IDD之間的聯(lián)系，構(gòu)建了鼠、兔等IDD動物模型，Maclean等[3]用Ilizarov-type加壓裝置對大鼠尾部第8/9椎間盤進行軸向加壓，成功構(gòu)建了大鼠IDD模型。張載清，等[4]自行研制出一套彈簧夾對兔椎間盤進行在體加壓，分別從影像學(xué)與組織學(xué)上觀察到了IDD征象。但是鼠、兔等小型動物的椎體、椎間盤較小，通過放射手段獲得的IDD影像資料不夠清晰，難以辨別。而山羊此類大型動物椎體大、椎間盤面積大，以山羊為對象進行實驗，在進行影像學(xué)觀察時能更清晰的辨認(rèn)IDD征象，并且山羊椎間盤與人體椎間盤結(jié)構(gòu)相似度更高[5]，因此，在探索軸向壓縮應(yīng)力與IDD關(guān)系的研究中，選取山羊作為實驗動物較鼠、兔等小型動物有著更大的優(yōu)勢。本研究在此基礎(chǔ)上，自行研制了一套軸向加壓裝置(可控應(yīng)力器)對山羊腰4/5椎間盤進行軸向加壓，定期觀察可控應(yīng)力對山羊IDD的影像學(xué)變化，現(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1可控應(yīng)力器的結(jié)構(gòu)可控應(yīng)力器由可控加壓裝置和量化平臺部份組成?？煽丶訅貉b置由二根克氏針和二個伸縮固定臂組成，為鈦合金材料，每個伸縮固定臂通過連接扣固定在克氏針端頭組成平行四方形狀,由常州華森醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)(圖1)。 量化平臺由數(shù)顯式推拉力計調(diào)節(jié)座，固定扣，量化平臺底板構(gòu)成。數(shù)顯式推拉力計，由揚州中科技量儀器有限公司生產(chǎn)(SH-200)，是一種小型簡便多功能高精度的推力、拉力測試儀器，可測量范圍為 0.1-200N(圖2)。

圖1 可控應(yīng)力裝置實物圖A：克氏針， B：伸縮固定臂，C：連接扣，D：內(nèi)六角螺桿

圖2 量化平臺實物圖A：固定鉤， B：拉力鉤， C：量化平臺底板，D：數(shù)顯式推拉力計調(diào)節(jié)座， E：數(shù)顯式推拉力計

1.2軸向加壓與量化方法

軸向加壓：可控加壓裝置的二根平行克氏針穿過山羊腰椎間盤上下椎體(L4、5)，伸縮固定臂螺桿一端為內(nèi)六角，順時針旋轉(zhuǎn)可使螺桿上的連接扣帶動二根克氏針變窄，克氏針發(fā)生形變產(chǎn)生壓縮應(yīng)力并通過上下椎體對椎間盤進行軸向加壓，壓縮過程中應(yīng)保持左右兩側(cè)連接扣的間距一致。

應(yīng)力量化：在量化平臺上固定一個與山羊體內(nèi)結(jié)構(gòu)相同的可控加壓裝置?？煽丶訅貉b置的克氏針一根固定在量化平臺固定鉤上，一根固定在數(shù)顯式推拉力計上(圖3C)。在進行壓縮應(yīng)力量化時，應(yīng)確保量化平臺的可控加壓裝置的兩個連接扣間距與山羊體內(nèi)可兩個連接扣間距完全相同。具體量化步驟如下：(1)可控加壓裝置安裝在山羊的L4、5椎體以后，用卡尺測量相互平行伸縮固定臂、克氏針的間距并記錄，然后調(diào)整量化平臺上的相互平行伸縮固定臂、克氏針的間距使兩平行四邊形結(jié)構(gòu)完全相同。(2)一邊順時針旋轉(zhuǎn)雙側(cè)伸縮固定臂的螺桿，一邊觀察數(shù)顯式推拉力計所顯示的數(shù)值為40N時，平行克氏針彎曲形變，相向壓縮,停止旋轉(zhuǎn)雙側(cè)伸縮固定臂螺桿，測量并記錄兩個連接扣間距，調(diào)節(jié)山羊伸縮固定臂的兩個連接扣，使其間距與量化平臺上兩個連接扣間距相等，這樣山羊體內(nèi)平行克氏針也會相向壓縮彎曲形變，繼而對山羊L4、5椎體產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。(3)由于山羊體內(nèi)與量化平臺上的可控加壓裝置結(jié)構(gòu)完全相同，因此兩平行克氏針給山羊椎體施加壓縮應(yīng)力也是完全相同的。當(dāng)量化平臺上推拉力計顯示壓縮應(yīng)力為40N時，量化到山羊體內(nèi)可控加壓裝置的壓縮應(yīng)力也是40N。

1.3動物實驗及影像學(xué)檢查選取6～8個月成年健康山羊16只(由南華大學(xué)動物部提供)，雌雄不限，體重25～30 kg，隨機分為加壓組8只，對照組8只，山羊取俯臥位，四肢固定于自制手術(shù)木架上(圖3A)，C臂機定位至山羊L4、5椎體，予鹽酸利多卡因由皮下至骨膜逐層浸潤麻醉，麻醉成功后取L4、L5橫突外側(cè)根部與椎體交界處向下1 mm為進針點，兩根克氏針經(jīng)皮橫穿椎體，克氏針與山羊脊柱的縱軸垂直，且相互平行，穿刺滿意后，在克氏針體外兩端安裝伸縮固定臂(圖3B)，采用1.2所述方法將加壓組8只山羊所受的軸向壓縮應(yīng)力大小調(diào)至40 N，對照組僅安裝加壓器，不予加壓。術(shù)后均予青霉素預(yù)防感染，定期行傷口換藥。2組動物在相同條件下喂養(yǎng)，于術(shù)后第4周、第8周行X線、MRI檢查。為防止實驗動物活動對攝片產(chǎn)生影響，所有實驗動物采用陸眠寧(南華大學(xué)動物學(xué)部提供)肌肉注射麻醉[6]，麻醉成功后取右側(cè)臥位與俯臥位分別進行X線與MRI檢查(南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科)，均以實驗節(jié)段(L4/5)為中心。

圖3 實驗過程A：山羊固定在自制木架上； B：可控應(yīng)力裝置成功安裝大體照； C：量化平臺量化可控應(yīng)力

圖4 椎間隙變化比較A：對照組椎間隙； B：加壓組第4周椎間隙；C：加壓組第8周椎間隙. DHI：椎間盤前中后緣高度之和*2/上下相鄰椎體前中后緣高度之和Pfirrmann分級：分Ⅰ～V級，Ⅰ、Ⅱ級為正常椎間盤，Ⅲ級以上為退變椎間盤，等級越高，退變程度則越高

圖5 磁共振檢查結(jié)果比較(第4周)A：對照組椎間盤矢狀位；B：對照組椎間盤橫斷面；C：加壓組椎間盤矢狀位；D：加壓組椎間盤橫斷面

2 結(jié) 果

所有動物實驗后規(guī)律換藥，均未發(fā)生感染，所有動物存活完好，四肢活動良好，兩組于術(shù)后第4周、第8周行X線、MRI檢查，并進行觀察分析。 對照組第4周DHI(8.87±0.22)，第8周DHI(8.83±0.22)，未發(fā)生明顯變化，未見明顯椎間隙塌陷；兩次MRI結(jié)果表明對照組所有山羊椎間盤Pfirrmann分級均為I級，未觀察到明顯影像學(xué)退變征象。第4周時，加壓組DHI(8.67±0.23)較對照組減小，雖無統(tǒng)計學(xué)差異，但仍能觀察到加壓組椎間隙高度降低，磁共振Pfirrmann分級顯示：Ⅲ級6只，Ⅱ級2只，P<0.05，差異存在統(tǒng)計學(xué)意義；第8周時，加壓組DHI(6.10±0.35)較對照組明顯減小，椎間隙高度明顯下降，P<0.05，差異存在統(tǒng)計學(xué)意義，磁共振Pfirrmann分級顯示：Ⅳ級5只，Ⅲ級3只，P<0.05，差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。兩組DHI比較結(jié)果見表1，兩組MRI片Pfirrmann分級統(tǒng)計結(jié)果見表2、3。

表1 兩組術(shù)后DHI比較(%)

與對照組相比，aP<0.05

表2 兩組術(shù)后第4周Pfirrmann分級結(jié)果比較

與對照組相比，aP<0.05

表3 兩組術(shù)后第8周Pfirrmann分級結(jié)果比較

與對照組相比，aP<0.05

3 討 論

人類的椎間盤所受到的主要應(yīng)力為壓縮應(yīng)力，當(dāng)壓縮負荷過高時，則會影響營養(yǎng)物質(zhì)在椎間盤內(nèi)的擴散，從而影響椎間盤的代謝，進而出現(xiàn)一系列細胞生物行為學(xué)的變化，例如基質(zhì)合成減少，炎性因子分泌增加等等，加速IDD發(fā)展[9]。本研究創(chuàng)新性地采取了大型哺乳動物—山羊為實驗對象，采用自行研制的可控應(yīng)力器，通過產(chǎn)生一種可控的、量化的軸向壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)山羊椎間盤發(fā)生退變，通過影像學(xué)(X線和MRI)觀察其IDD征象。

3.1可控應(yīng)力器軸向誘導(dǎo)山羊IDD 本研究自行研制一套可控應(yīng)力器對山羊腰椎間盤進行軸向壓縮誘導(dǎo)，通過兩側(cè)伸縮固定臂的螺桿旋轉(zhuǎn)縮短帶動兩根克氏針發(fā)生形變，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，應(yīng)力通過椎體傳導(dǎo)至椎間盤，這種間接加壓方法使得椎間盤受力更加均勻，并且可控應(yīng)力器中配套設(shè)計了應(yīng)力量化平臺，可對壓縮應(yīng)力進行調(diào)控和讀取，調(diào)控范圍0～200 N，使軸向壓縮更為精確。本實驗中采用的可控應(yīng)力器與國內(nèi)王琦、張載清等[4]構(gòu)建大白兔IDD模型中所用的可控應(yīng)力外固定器械裝置比較具有以下特點：(1)可控加壓裝置和量化平臺為兩個獨立的構(gòu)件，量化平臺可將兩根克氏針形變所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)化為數(shù)顯推拉力計上具體的數(shù)值，然后再將安裝在山羊椎體上的加壓器調(diào)節(jié)到與之相同的形變量，以此完成對壓縮應(yīng)力的調(diào)控和讀取，這種加壓器不需借助其他動力源，僅靠克氏針形變便能完成加壓，使得山羊椎體上加壓裝置結(jié)構(gòu)簡化、小巧輕便，對動物活動影響較小，山羊安裝后不存在負重生活的情況。(2)可控加壓器為平行四邊形的結(jié)構(gòu)，兩側(cè)伸縮固定臂的螺桿可以通過順時或逆時旋轉(zhuǎn),使克氏針產(chǎn)生方向相反的兩種形變，具有加壓、牽張應(yīng)力的轉(zhuǎn)換功能。當(dāng)兩伸縮固定臂等距離順時旋轉(zhuǎn)時，兩平行克氏針相向彎曲產(chǎn)生壓縮應(yīng)力；當(dāng)兩伸縮固定臂等距離逆時旋轉(zhuǎn)時，兩平行克氏針反向彎曲產(chǎn)生牽張應(yīng)力。(3)可控加壓器材料為鈦金屬，可根據(jù)需要對山羊進行體內(nèi)、體外固定，同時可以不拆除可控加壓裝置直接行MRI檢查。實驗中采用經(jīng)皮穿刺的方法安裝可控加壓裝置(圖3B)，創(chuàng)傷小，手術(shù)風(fēng)險低，降低了術(shù)后感染率，從而提高了實驗成功率。(4)可控應(yīng)力器所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力是通過量化平臺精準(zhǔn)量化后再施加到山羊椎體上的，具有精確性和可調(diào)節(jié)性。在精確性上。張載清，等[4]所研制的可控應(yīng)力外固定加壓裝置是靠不同規(guī)格的彈簧夾子進行加壓，首先在測試平臺上設(shè)定好彈簧壓縮所產(chǎn)生的力，然后通過彈簧夾子對橫穿于實驗動物椎體的克氏針進行壓縮，在這個過程中，除了彈簧夾子所產(chǎn)生的力以外，椎體實際上還受到了克氏針形變所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力，而本研究中所研制的可控加壓器所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力全部來自于克氏針形變，減少了其他因素的干擾，配合量化平臺的使用，在一定程度上提高了加壓器的精確度。在可調(diào)節(jié)性上，兩種加壓裝置均具有可調(diào)節(jié)性，但前者需要通過更換不同規(guī)格的彈簧夾子來完成對壓縮應(yīng)力的調(diào)控，操作較復(fù)雜。本研究所采用的加壓器可直接通過順時旋轉(zhuǎn)兩側(cè)伸縮固定臂即可完成壓縮應(yīng)力的調(diào)控，操作簡單、方便。

3.2壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)山羊IDD的X線征象X線是臨床上常用的輔助檢查手段，具有經(jīng)濟、方便等優(yōu)勢[10]。X線片的改變往往是診斷IDD性疾病不可缺少的依據(jù)，如：椎間隙楔形變、椎間隙狹窄、軟骨終板鈣化、骨質(zhì)增生等，都是IDD的特征性變化。椎間盤由髓核與纖維環(huán)構(gòu)成，髓核組織富含水分與膠原蛋白，具有彈性，纖維環(huán)包繞髓核，維持髓核形態(tài)，兩者共同發(fā)揮著負重和軸承的作用。在椎間盤受到異常的壓縮負荷初始，髓核細胞能通過形變緩沖壓力，將壓力均勻分散至整個椎間盤，以維持正常的形態(tài)與代謝，但長期的壓縮負荷則會導(dǎo)致椎間盤內(nèi)營養(yǎng)供應(yīng)不足，髓核內(nèi)多糖蛋白、水分等含量降低，髓核細胞體積減小，承擔(dān)及分配壓力的能力降低，因此在退變的椎間盤中，纖維環(huán)成為主要承重部位，且不均勻，最后由于髓核細胞體積的縮小、纖維環(huán)所受壓力增大，椎間盤厚度便薄，在X線上則體現(xiàn)為椎間隙高度下降，出現(xiàn)椎間隙楔形變以及椎間隙狹窄。長期受壓之后還會出現(xiàn)軟骨終板的鈣質(zhì)沉積，出現(xiàn)鈣化；加速脊柱退變，在椎體前后緣發(fā)生骨質(zhì)增生、骨贅形成，甚至椎間隙高度消失，出現(xiàn)相鄰椎體融合的現(xiàn)象。本研究加壓時間為8周，時間較短，在X線上主要觀察到的是椎間隙高度的變化(如圖4)，通過測量并計算椎間隙高度指數(shù)(DHI)進行分析，發(fā)現(xiàn)在第4周時，加壓組的椎間隙高度指數(shù)已經(jīng)開始下降(表1)，到第8周時，加壓組的椎間隙高度指數(shù)較對照組明顯降低，并且在X線片上能直觀的發(fā)現(xiàn)椎間隙狹窄征象(圖4C)，由此也說明了，隨著加壓時間的延伸，椎間盤高度會進一步下降，其退變的程度也更為嚴(yán)重。

3.3壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)山羊IDD的MRI征象MRI是臨床上軟組織檢查的首選，T2加權(quán)像能夠清晰地顯示組織含水量的變化[11]，Pfirrmann分級法則是在此基礎(chǔ)上對椎間盤進行觀察、分級。正常椎間盤其髓核組織在橫斷面上位于椎間盤中心，形狀規(guī)整，由于富含水分，T2象呈白亮高信號；纖維環(huán)呈低信號，兩者界限清晰；退變椎間盤其髓核組織仍位于椎間盤中心，但形狀不規(guī)則，由于水分減少，T2象呈灰色低信號，與纖維環(huán)分界不清；嚴(yán)重退變者甚至出現(xiàn)“黑間盤”征象。在退變早期，由于壓縮負荷的作用，可使椎間盤髓核組織內(nèi)水分溢出，在MRI橫斷面上可觀察到不均勻灰色影；隨著IDD進一步發(fā)展，椎間盤中心高信號影的面積逐漸減小，信號變暗，纖維環(huán)則向四周擴大，矢狀面上觀察到椎間盤整體厚度下降；最終，可觀察到纖維環(huán)出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。MRI能夠更確切的體現(xiàn)出椎間盤發(fā)生的變化，在一定程度上體現(xiàn)出IDD的進展過程，相比之下，MRI較X線在證實IDD上更敏感、更有說服力。兩組實驗動物在第4周與第8周時進行MRI檢查，將兩組的T2加權(quán)像進行觀察比較，第4周時(如圖5)，加壓組表現(xiàn)為椎間盤變薄，但仍呈高信號(矢狀面)，髓核與纖維環(huán)界限存在，但椎間盤中央高信號區(qū)面積明顯縮小(橫斷面)，Pfirrmann分級結(jié)果：Ⅲ級6只，Ⅱ級2只；第8周時(如圖6)，加壓組椎間盤進一步變薄、信號變深(矢狀面)；髓核與纖維環(huán)界限紊亂，甚至向后方突出(橫斷面)，Pfirrmann分級結(jié)果：Ⅳ級5只，Ⅲ級3只，此統(tǒng)計結(jié)果進一步說明了加壓時間越長，退變程度越高這一規(guī)律。

總之，本研究采用自行研制的可控加壓器實驗誘導(dǎo)山羊L4/5椎間盤退變，并從影像學(xué)上進行觀察分析，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過為期8周的壓縮負荷后，可在加壓節(jié)段觀察到明顯的影像學(xué)IDD征象，并且隨著時間的增加，退變程度有所加重，也證明了采用本實驗中自行研制的可控加壓器誘導(dǎo)山羊IDD的方法是可行的。但病理學(xué)檢查仍是證實IDD的金標(biāo)準(zhǔn)[12]，因此，在加壓實驗完成后，仍需將實驗節(jié)段椎間盤取出，進行組織病理學(xué)觀察分析。

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