施長城，姚海

1. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院 太赫茲技術(shù)研究中心，重慶400714；

2. 克萊姆森大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，克萊姆森市，美國 南卡羅萊納州，29634；

3. 南卡羅萊納醫(yī)科大學(xué)骨外科系，查爾斯頓市，美國 南卡羅萊納州，

29425

退化性椎間盤疾病診斷與治療技術(shù)的研究進(jìn)展

施長城1,2，姚海2,3

1. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院 太赫茲技術(shù)研究中心，重慶400714；

2. 克萊姆森大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，克萊姆森市，美國 南卡羅萊納州，29634；

3. 南卡羅萊納醫(yī)科大學(xué)骨外科系，查爾斯頓市，美國 南卡羅萊納州，

29425

作者介紹：施長城

施長城，助理研究員，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院太赫茲技術(shù)研究中心。研究方向為生物組織與材料中傳輸學(xué)的建模和基于多模態(tài)圖像技術(shù)的測量。

作者介紹：姚海

姚海，副教授，克萊姆森大學(xué)/ 南卡羅萊納醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合生物醫(yī)學(xué)工程研究中心主任。該研究中心的任務(wù)是加速基于生物醫(yī)學(xué)工程的新材料，技術(shù)和方法向臨床診斷和治療的轉(zhuǎn)化，同時滿足高質(zhì)量研究生教育的需要。研究方向包括軟骨組織和細(xì)胞的生物力學(xué)和生物傳輸學(xué)的建模和測量，及其在軟骨組織退化的診斷和再生中的應(yīng)用。

退化性椎間盤疾?。―egenerative Disc Disease, DDD）是嚴(yán)重影響人們正常生活的重大疾病之一。隨著人類現(xiàn)代生活方式的改變，其已呈現(xiàn)了發(fā)病率逐年遞增與發(fā)病人群年輕化的趨勢。因此，針對該疾病的診斷與治療技術(shù)亟需不斷提高與完善。本文簡單介紹了人體椎間盤的解刨學(xué)基礎(chǔ)與其組織中的生化成分和功能，著重分析了針對該疾病的各種醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，包括傳統(tǒng)的分級評價系統(tǒng)以及各種定量化磁共振成像技術(shù)，重點介紹比較了現(xiàn)今臨床上兩種主要的手術(shù)治療方法——脊柱融合術(shù)與全椎間盤置換術(shù)，并最終在總結(jié)診斷與治療方法研究中所存在問題的基礎(chǔ)上，對未來研究的發(fā)展趨勢提出展望。

退化性椎間盤疾?。蛔甸g盤退化分級評價系統(tǒng)；基于擴(kuò)散的磁共振成像；脊柱融合術(shù)；全椎間盤置換術(shù)；組織再生

0 前言

下腰痛（Low Back Pain）是一種主要的公共健康問題，并且影響到較廣泛的人群。美國衛(wèi)生研究院于2005 年報道，在美國，超過四千萬病人被診斷為下腰痛。該疾病主要發(fā)生于30～50 歲的人群，但近年有趨于年輕化的表現(xiàn)，其中男女性受其影響的比例均等。與其相關(guān)的醫(yī)療與保險花費估計每年達(dá)到500 億美元[1]。

椎間盤退化性疾病與下腰痛有較強(qiáng)的相關(guān)性[2]，并與坐骨神經(jīng)痛，椎間盤突出和脫出緊密相關(guān)。 退化改變了椎間盤組織的高度以及整個脊柱的力學(xué)性能。隨著椎間盤的退化，其他脊柱結(jié)構(gòu)（例如：肌肉與韌帶）的行為很有可能受到負(fù)面的影響。該影響若長期發(fā)展可導(dǎo)致椎管狹窄，這也是造成老年人下腰痛和殘疾的罪魁禍?zhǔn)?。近年來，椎間盤退化性疾病的發(fā)病率隨著人口結(jié)構(gòu)的變化呈指數(shù)上升，同時病患的年齡群體也在增加。此外，相對于其他肌肉骨骼組織，椎間盤的退化會發(fā)生在較小的年紀(jì)。研究發(fā)現(xiàn)早期的尾椎間盤退化發(fā)生于11～16 歲的年齡組中，并且約20% 的人會在10 多歲的時候表現(xiàn)出輕微的椎間盤退化[3]。隨著年齡的增加，退化程度會大幅度增加，并且男性患者表現(xiàn)更為明顯。因此，大約10% 的50 歲與50% 的70 歲患者的椎間盤會有較為嚴(yán)重的退化[4]。

椎間盤的退化將會引起其組織細(xì)胞外間質(zhì)的生物化學(xué)變化。例如， 糖胺多糖（Glycosaminoglycan, GAG） 含量會在退化過程中急劇下降，為此引起膨脹傾向，滲透壓梯度以及電化學(xué)效應(yīng)（包括流動勢能與流動電流）的關(guān)聯(lián)變化[5-6]。有關(guān)細(xì)胞生物合成與重建的強(qiáng)調(diào)節(jié)因子（Potent Regulator）也會隨之受到影響[7-8]。此外，與椎間盤退化相關(guān)聯(lián)的另一因素是其生長的營養(yǎng)環(huán)境。由于營養(yǎng)供給下降所引起的氧含量，葡萄糖含量與酸堿度的降低會影響到椎間盤細(xì)胞活性、分裂速率、能量代謝、合成與維持細(xì)胞外間質(zhì)的能力，因此可能最終導(dǎo)致椎間盤的退化。

1 人體椎間盤的組織結(jié)構(gòu)與生化成分

人體椎間盤是一塊分割椎骨的纖維軟骨，它可使脊柱獲取包括伸展，側(cè)向彎曲及旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的靈活性、強(qiáng)度和大范圍的力學(xué)運動[9]。在脊柱的尾椎區(qū)域，椎間盤大約有7～10 mm 的厚度與40 mm 直徑。不同的生物化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)將其分為三個特征區(qū)域：纖維環(huán)（Annulus Fibrosus, AF），髓核（Nucleus Pulposus, NP）以及軟骨終盤（Cartilaginous Endplates, CEP）（圖1）。以下將分別就三個特征區(qū)域進(jìn)行簡要介紹。

圖1 椎間盤組織的解刨學(xué)與形態(tài)學(xué)示意圖

1.1 椎間盤的組織結(jié)構(gòu)

纖維環(huán)：椎間盤組織中的纖維環(huán)是包含15～25 層薄片狀結(jié)構(gòu)的厚圓環(huán)。每個平行的層結(jié)構(gòu)中包含有整齊排列的膠原纖維束。在每個平行的薄片層中，膠原纖維沿垂直軸向左右各交替約60°。位于薄片層中的彈性纖維可能有助于椎間盤在變形后恢復(fù)到原始的排列狀態(tài)，也或許在它們徑向穿越各薄片層時與之黏粘，使各薄片層連成一體。纖維環(huán)中的細(xì)胞，特別是位于靠外區(qū)域，多傾向于薄而細(xì)長并且平行于膠原纖維排列的似纖維原細(xì)胞，而位于環(huán)內(nèi)側(cè)的細(xì)胞會更多成橢圓形。該區(qū)域細(xì)胞密度大約為9000 細(xì)胞/mm3[10]。 纖維環(huán)與髓核中的細(xì)胞都會有若干個長而薄的胞漿突出（ 長度或會超過30 μm）。它們在椎間盤中的功能至今還未明晰，但據(jù)稱會起到組織中力學(xué)壓力的傳感器與交流器作用[11-12]。

髓核：髓核中部是膠狀結(jié)構(gòu)，其主要包含無序排列及波浪狀的軟骨纖維束和纖維原細(xì)胞。無序排列的膠原蛋白纖維與徑向排列的彈性蛋白纖維（有時會達(dá)到150μm）鑲嵌于高度含水的聚集蛋白聚糖（Aggrecan） 的膠狀物中。髓核中主要包含密度不高的似軟骨細(xì)胞（約5000細(xì)胞/ mm3）[10]，并有時會位于細(xì)胞外間質(zhì)的膜囊中。髓核周圍包裹的是纖維環(huán)，兩者的分界線在年青人中非常明顯[13]。

軟骨終盤：軟骨終盤位于髓核與纖維環(huán)的上下表面。每一終盤為一層薄的透明軟骨（Hyaline Cartilage）。該終盤將椎間盤與椎骨體分開，并具有0.6 ～1.0 mm的厚度，其中心區(qū)域最薄[14]。軟骨終盤覆蓋了整個髓核與中心部分的纖維環(huán)，由于交錯復(fù)雜的纖維環(huán)與終盤纖維，軟骨終盤與椎間盤緊密地粘附在一起。在正常健康的人體中，終盤與其他透明軟骨一樣完全是不含血管與神經(jīng)的。

1.2 椎間盤中的生化成分及其功能

椎間盤主要由水以及大量的膠原蛋白、蛋白多糖（Proteoglycan）和其他間質(zhì)蛋白組成[13,15-16]。 椎間盤的細(xì)胞外間質(zhì)帶有固定的負(fù)電荷，這是導(dǎo)致間盤組織膨脹行為的主要因素。固體間質(zhì)上固定電荷與細(xì)胞間液中的自由離子的相互靜電作用可產(chǎn)生動電效應(yīng)（Electrokinetic Effects）[17]。例如：道南滲透壓與膨脹，流動電勢與電流等。因此，椎間盤中的膨脹與溶液和溶質(zhì)的傳輸特性取決于各種生理化學(xué)的因子，例如：含水量，固定電荷密度以及電解液的類型和濃度等[6]。椎間盤的力學(xué)功能主要由細(xì)胞外間質(zhì)提供，其成分與組織結(jié)構(gòu)決定了椎間盤的力學(xué)響應(yīng)。起主導(dǎo)力學(xué)性能的有兩個主要的元素——膠原蛋白纖維（Collagen Fibers）與聚集蛋白聚糖。

膠原蛋白纖維：膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)約占纖維環(huán)干重的70%，其類型主要為I 型膠原蛋白，而在髓核與纖維環(huán)內(nèi)側(cè)主要分布II 型膠原蛋白，同時也包含一些III，VI，IX 與XI 型膠原蛋白，這些膠原蛋白為椎間盤提供拉伸強(qiáng)度以及與椎骨的固定連接能力。

聚集蛋白聚糖：聚集蛋白聚糖為椎間盤中蛋白多糖的主要類型，主要起到在滲透壓影響下保持組織含水以及吸收壓縮力的作用。髓核中包含大量的透明質(zhì)酸（Hyaluronan）和聚集蛋白聚糖，也存在一定量的其他蛋白多糖，如雙糖鏈蛋白多糖（Biglycan），小分子蛋白多糖（Decorin）和纖調(diào)蛋白（Fibromodulin）等。 髓核中的蛋白多糖與水的含量都要高于纖維環(huán)。

細(xì)胞外間質(zhì)：椎間盤的細(xì)胞外間質(zhì)是一個完全動態(tài)的結(jié)構(gòu)，各種間質(zhì)大分子的生物合成，分解與積聚間的平衡決定了細(xì)胞外間質(zhì)的質(zhì)量與完整性，從而決定了椎間盤的力學(xué)行為。間質(zhì)的完整性也對健康椎間盤保持無血管與無神經(jīng)組織起到了非常重要的作用。

2 退化性椎間盤疾病的臨床診斷

退化性椎間盤被認(rèn)為是引起下腰痛疾病的主要力學(xué)因素，其疼痛致病機(jī)理可能包括三個方面：① 由于纖維環(huán)的膨出（Bulging）所導(dǎo)致的對后方神經(jīng)的壓力；② 由于軟骨終盤偏斜而激發(fā)疼痛產(chǎn)生因子（Pain Generator）；③ 由于間盤內(nèi)部破裂而流出的糖胺多糖和乳酸。因此可以認(rèn)為退化性椎間盤疾病中的疼痛是由對其周圍神經(jīng)的化學(xué)與力學(xué)刺激而產(chǎn)生[18]。此外，營養(yǎng)供給的不足也被認(rèn)為是一個關(guān)鍵的導(dǎo)致椎間盤退化的因素。在退化過程中，通常伴隨著椎間盤組織形態(tài)、生物化學(xué)成份、功能與材料性能的改變。其中，最為顯著的生物化學(xué)變化是蛋白多糖的流失[4,19]，這也會引起滲透壓與組織含水量的減少[20]，從而導(dǎo)致了椎間盤負(fù)重支撐能力的缺失[21]以及影響到重要營養(yǎng)分子在其間的正常傳輸[10]。以上所提到的在退化過程中的變化特征也成為針對該疾病臨床診斷的重要指標(biāo)。

2.1 分級診斷系統(tǒng)

計算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography, CT）與磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是最為常用的診斷退化性椎間盤疾病的醫(yī)學(xué)技術(shù)。近年來，隨著MRI 技術(shù)的不斷發(fā)展，它已成為診斷椎間盤退化性疾病最精確的檢查手段之一，并具備可定量化、診斷準(zhǔn)確率高、無輻射與無損傷等優(yōu)點[22]。傳統(tǒng)的MRI 診斷方法主要依靠Pfirrmann分級系統(tǒng)[23]，以T2 加權(quán)的MRI 矢狀位信號圖像與椎間盤結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)對其退化程度進(jìn)行分類。值得一提的是，該分級系統(tǒng)是在早期Thompson 分級系統(tǒng)[24]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，并且根據(jù)髓核，纖維環(huán)以及軟骨終盤的整體形態(tài)學(xué)信息分為與Thompson 分級系統(tǒng)相對應(yīng)的5個等級（圖2）。

圖2 Thompson與Pfirrmann分級系統(tǒng)

Griffith 等人[25]在5 等級Pfirrmann 分級系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對椎間盤退化情況進(jìn)行了更加細(xì)致的分級，發(fā)展成為8 等級的改良Pfirrmann 分級系統(tǒng)，新系統(tǒng)更加適合于診斷并區(qū)分中老年病患的椎間盤退化程度。與此同時，Watanabe 等人[26]發(fā)展了一種基于軸向T2 加權(quán)MRI 圖像的椎間盤退化分級系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的分級系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以更好地對早期的退化病變進(jìn)行診斷。

2.2 定量化診斷方法研究

除各種分級診斷系統(tǒng)外，各種定量化診斷椎間盤退化程度的方法同時也在被深入研究，這些方法包括T1ρ，T2與T2* 弛豫時間（ Relaxation Times）與成圖技術(shù)（Mapping Techniques）[27-32]。該類方法可定量測量椎間盤區(qū)域的各項MRI 參數(shù)數(shù)值，并可進(jìn)行可視化與定量化的對比，與傳統(tǒng)的Pfirrmann 分級系統(tǒng)建立了緊密的相關(guān)聯(lián)系。 更有意義的是Auerbach 與Marinelli 等人[27,29]發(fā)現(xiàn)了T1ρ 與T2 弛豫時間數(shù)值與椎間盤組織的蛋白多糖與水含量的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步為該類定量化診斷方法提供了生理與病理學(xué)依據(jù)。

2.3 基于擴(kuò)散磁共振成像（Diffusion MRI）的診斷方法研究

基于擴(kuò)散的磁共振成像技術(shù)主要包括擴(kuò)散加權(quán)成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI） 與擴(kuò)散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）。它們都是通過對水分子擴(kuò)散運動的測量來診斷人體組織在病變過程中的生化成分與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化。 例如，在DWI 技術(shù)中可用表觀擴(kuò)散系數(shù)（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）來描述水分子在椎間盤組織中的綜合微觀運動情況，該參數(shù)通常會隨著組織含水量的降低而減小，而椎間盤退化的早期表現(xiàn)之一即為組織含水量的降低。因此，DWI 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于椎間盤退化疾病的早期診斷研究中。

Kerttula 等人[33]首先運用1.5T 磁共振成像儀測量了健康年青志愿者椎間盤中的ADC 值，并發(fā)現(xiàn)胸腰椎間盤的平均ADC 值為（1.5 ± 0.3）×10-3mm2/s，而在腰椎間盤中，頭尾方向（ Craniocaudal Direction）的ADC 值（ADCZ）遠(yuǎn)高于與之正交的兩個方向上的ADC 值 (ADCX 與ADCY)，其結(jié)果揭示了椎間盤中水分子擴(kuò)散的各向異性。該小組進(jìn)一步比較了正常與退化的椎間盤中ADC 值的差異并發(fā)現(xiàn)，較之正常椎間盤，退化椎間盤中的ADCX 與ADCY 值會降低，該研究為椎間盤退化疾病的早期臨床診斷提供了新的方法[34]。Antoniou 等人[35]運用相似的方法，發(fā)現(xiàn)了椎間盤髓核中ADC 值的降低與其水和糖胺多糖含量降低之間的相關(guān)性。Kealey 等人[36]同樣發(fā)現(xiàn)相對于正常椎間盤，退化椎間盤中的ADC 值有統(tǒng)計意義上的顯著降低，更有意思的是，他們發(fā)現(xiàn)ADC 值也會隨著其所處人體部位的降低而減少，例如，尾椎間盤的ADC 值會低于胸椎間盤。Beattie等人[37]通過對相同病人的重復(fù)DWI 測量發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以穩(wěn)定而準(zhǔn)確地測量髓核中的ADC 值，該技術(shù)或許能被發(fā)展成為一項診斷椎間盤退化疾病的有效技術(shù)。2009 年，Niinimaki等人[38]在對228 位男性中年志愿者的研究中發(fā)現(xiàn)中度（四級）退化椎間盤的ADC 值低于正常椎間盤4%，而重度（五級）退化椎間盤的ADC 值反而高于正常椎間盤5%，這可能是由嚴(yán)重退化椎間盤的裂痕中存在自用移動的水分子所致。因此，該研究小組推薦在現(xiàn)有的磁共振技術(shù)下，擴(kuò)散加權(quán)磁共振成像技術(shù)可能更適用于椎間盤退化流行病學(xué)的研究，而非臨床診斷研究。

DTI 技術(shù)是在DWI 技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的新的磁共振成像技術(shù)，它可在測量活體組織中水分子ADC 數(shù)值的同時對其擴(kuò)散的方向性進(jìn)行三維測量，而這種方向性通?？梢杂糜诙棵枋鼋M織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征（例如膠原纖維的分布）。因此，Hsu 和Setton[39]于1999 年首先運用擴(kuò)散張量成像技術(shù)刻畫了豬椎間盤中的纖維環(huán)薄層結(jié)構(gòu)與三維各項異性的（Anisotropic）水分子擴(kuò)散性質(zhì)。Carballido-Gamioa等人[40]運用臨床磁共振成像儀（1.5T與3.0T）驗證了擴(kuò)散張量成像技術(shù)在椎間盤中的應(yīng)用可行性，并發(fā)現(xiàn)DTISSFSE（DTI with single-shot fast spin-echo）可成為診斷椎間盤的候選DTI臨床測量序列，其單次測量時間＜4min。最近，Zhang 等人[41]對30位不同年齡的健康志愿者（25 至67 歲）中85 個椎間盤進(jìn)行臨床DTI（3 T）測量并發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，平均擴(kuò)散系數(shù)（Mean Diffusivity）下降11%，而部分各向異性（Fractional Anisotropy）值增加20%。他們同時發(fā)現(xiàn)這些與老年化相關(guān)的椎間盤變化在傳統(tǒng)的T2 加權(quán)成像技術(shù)中無法獲得。因此，隨著磁共振成像技術(shù)的不斷發(fā)展，DTI 或?qū)⒊蔀樵缙谠\斷椎間盤退化疾病的一項有效技術(shù)。

最新的擴(kuò)散峰度成像技術(shù)（Diffusional Kurtosis Imaging，DKI）是DTI 技術(shù)的一個延伸。其主要技術(shù)特點在于采用了非正態(tài)的概率分布函數(shù)來刻畫水分子的運動，而DTI 技術(shù)中僅假設(shè)水分子運動滿足正態(tài)概率分布[42]。DKI 技術(shù)中的重要參數(shù)之一，峰度值（Kurtosis）可用來描述水分子運動偏離正態(tài)分布的程度，它可對人體組織內(nèi)部各項異性的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，由此可定量化地對組織病變進(jìn)行診斷。Jensen 與Helpern 等人認(rèn)為，在探測組織微觀結(jié)構(gòu)變化方面，DKI 技術(shù)擁有比DTI 技術(shù)更高的靈敏度，可用于中風(fēng)和老年癡呆的早期臨床診斷[43-45]。DKI 技術(shù)用于診斷退化性椎間盤疾病的研究工作還處于非常初期的階段，但隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展與相關(guān)研究的不斷深入，DKI 技術(shù)或有希望也成為一項針對該疾病的有效診斷技術(shù)。

3 退化性椎間盤疾病的治療方法

現(xiàn)今針對退化性椎間盤疾病的治療方法主要分為保守治療與手術(shù)治療。其中保守治療通常包括各種物理療法，休息與藥物的結(jié)合。而一般在保守治療不能帶來對病癥的緩解時，醫(yī)生會推薦病人考慮進(jìn)行手術(shù)治療。 最常用的手術(shù)治療包括脊柱融合術(shù)（Spinal Fusion）與全椎間盤置換術(shù)（Total Disc Replacement）。

3.1 脊柱融合術(shù)

脊柱融合手術(shù)是在全部切除退化椎間盤后植入融合物或使用骨釘與骨板將上下椎骨固定的手術(shù)。該手術(shù)往往只能減少由于椎間盤突出引起的疼痛，而對于恢復(fù)椎間盤的力學(xué)功能沒有太多幫助，同時還可能由于對脊柱力學(xué)性能的改變而導(dǎo)致鄰近節(jié)段椎間盤的進(jìn)一步退化（此為脊柱融合術(shù)最主要的并發(fā)癥）[46]。 近年隨著接受脊柱融合治療病人數(shù)量與年齡的增加，治療過程中的并發(fā)癥有增加的趨勢，相關(guān)報道指出該治療方法需要加強(qiáng)對術(shù)中與術(shù)后對病人并發(fā)癥與康復(fù)的重視與防治[47]。

3.2 全椎間盤置換術(shù)

全椎間盤置換術(shù)是在全部切除退化椎間盤后植入人工椎間盤假體（Artificial Intervertebral Disc）并將其與椎骨固定。該手術(shù)相對于脊柱融合術(shù)最大的優(yōu)點是最大限度地保持脊柱的運動力學(xué)特性與降低對鄰近節(jié)段椎間盤的不利影響。美國食品與藥物監(jiān)督局分別于2004 年10 月以及2006年1月通過了對兩種人工椎間盤假體用于臨床治療的審批，這兩種人工椎間盤假體分別為Charité III（Depuy 公司，馬塞諸塞州）與ProDisc II（Synthes 公司，賓夕法利亞州），見圖3。這些人工假體可以為病人脊柱帶來一定的靈活性，但無法承受持續(xù)性的壓力加載，這可能會引起椎骨上的壓力屏蔽，從而導(dǎo)致人工假體的植入失敗[48]。

Charité III 與ProDisc II 人工椎間盤假體都有兩部分相似的結(jié)構(gòu)組成：① 兩片與上下椎骨表面相連的由鈷鉻合金制成的終盤；② 一片合于兩終盤之間的超高分子質(zhì)量的聚乙烯（Ultra-high Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE）核心。其中，UHMWPE 核心與終盤可幫助重建正常椎間盤在兩椎骨之間的生理高度，而核心中的半球形結(jié)構(gòu)可以允許在植入體部位的靈活移動。

圖3 人工椎間盤假體

用于全椎間盤置換術(shù)的Charité III 與ProDisc II 人工椎間盤假體之間的主要區(qū)別包括初始固定原理、手術(shù)技術(shù)，植入方法以及器械的運動學(xué)特性等。首先，Charité III 人工假體在每個終盤表面擁有6 個起到固定作用的尖釘（圖3.a）而ProDisc II 僅擁有1 個用于固定的中心龍骨（圖3.b），這些不同的固定原理揭示了兩個假體在初始固定力度，器械移位與失敗率方面的區(qū)別；其次，在手術(shù)技術(shù)方面，兩者也存在著相對的不同，例如假體插入手術(shù)鉗上不同的傾斜手柄等；此外，在器械動力學(xué)方面，不同的器械約束原理或會為脊柱小平面關(guān)節(jié)（Facet Joints）帶來不同的應(yīng)變與加載，從而導(dǎo)致位于置換節(jié)段的小平面關(guān)節(jié)在長期有不同程度的退化，退化程度也會因植入器械的不同而各異[49]。

近來，Kishen 等人[50]在對比研究脊椎融合術(shù)與全椎間盤置換術(shù)的基礎(chǔ)上建議這兩類針對椎間盤退化性疾病的治療手段都應(yīng)在各種保守治療無效的前提下考慮實施。從短期臨床效果來看，兩種手術(shù)方法有相近的功效，但全椎間盤置換術(shù)在減少鄰近節(jié)段椎間盤退化方面有潛在的優(yōu)勢，該優(yōu)勢需要有長期隨訪研究來進(jìn)一步分析驗證[51]。

4 問題與展望

4.1 問題

隨著現(xiàn)代化生活方式的改變，電腦相關(guān)使用量的增多以及人口老齡化，退化性椎間盤疾病的發(fā)病率有逐年遞增與年輕化的趨勢。因此，與該疾病相關(guān)的診斷與治療方法研究亟需不斷提高。首先在致病機(jī)理方面，創(chuàng)傷與長期不正常的力學(xué)加載都會引起椎間盤的退化，椎間盤營養(yǎng)供給的不足同樣也被認(rèn)為是導(dǎo)致其退化的主要因素之一，但其根本的導(dǎo)致椎間盤組織退化的原因還未被徹底揭示，因此，這需要有各學(xué)科（如：生物力學(xué)，傳輸學(xué)，生物化學(xué)與分子生物學(xué)等）進(jìn)步一地聯(lián)合深入研究。

其次，準(zhǔn)確、高效而早期地對退化性椎間盤疾病進(jìn)行診斷也是亟待解決的問題。常用的CT 或者M(jìn)RI 技術(shù)通常從形態(tài)學(xué)上進(jìn)行分析診斷，但該類方法只能有效檢測中度與重度的椎間盤退化，對于早期退化病變的探測能力有限，然而基于擴(kuò)散的磁共振成像技術(shù)在這方面有較強(qiáng)潛力。在治療手段方面，針對該疾病無創(chuàng)無損的保守治療方法亟需不斷發(fā)展，以提高該類治療手段對于早中期退化病變的有效治療。手術(shù)治療主要針對較重的退化性椎間盤疾病。在兩類主要的手術(shù)治療中，脊柱融合術(shù)存在局限正常人體力學(xué)與運動學(xué)性能的缺點，而全椎間盤置換術(shù)同樣也存在鄰近節(jié)段椎間盤退化的手術(shù)并發(fā)癥，因此亟需研究更加有效的治療方法。

4.2 趨勢展望

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，工程科學(xué)與材料科學(xué)等的不斷進(jìn)步，針對退化性椎間盤疾病的診斷與治療方法研究將會不斷進(jìn)步。首先，定量化的MRI 診斷方法或會漸漸替代傳統(tǒng)的分級診斷系統(tǒng)，成為臨床主要的診斷方案，而基于擴(kuò)散的MRI 技術(shù)也將被進(jìn)一步研究，并與椎間盤組織生化成分與纖維結(jié)構(gòu)改變相關(guān)聯(lián)，在未來發(fā)展出針對早期退化病變的有效診斷技術(shù)。其次，手術(shù)治療方面的發(fā)展方向包括手術(shù)方案的不斷完善，人工植入假體設(shè)計的不斷合理化以及制作人工假體材料的不斷改進(jìn)，以達(dá)到進(jìn)一步保持脊柱運動學(xué)特性以及降低手術(shù)并發(fā)癥的目的。

更加值得期待的是隨著現(xiàn)代生物工程與再生醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，多種新興的針對椎間盤退化性疾病的治療方法正在進(jìn)行動物試驗與少量的初期臨床試驗研究，這些新的治療方法主要包括生長因子治療（Injection of Growth Factor）[52]、基因治療（Gene Therapy）[53]、組織工程（Tissue Engineering）與再生椎間盤（Regenerated Intervertebral Disc)[54-55]以及細(xì)胞植入治療（Cell Transplantation）[56]等。這些新的治療方法都會明顯地減少由于傳統(tǒng)手術(shù)所帶來的創(chuàng)傷，并降低由于植入人工假體所帶來的不利影響，因此可能會成為未來治療椎間盤退化性疾病的重要突破口。

[1] Andersson GB,An HS,Oegema TR,et al．Intervertebral disc degeneration．Summary of an AAOS/NIH/ORS workshop,September 2005[J]．J Bone Joint Surg Am, 2006,88(4):895-899．

[2] Luoma K,Riihimaki H,Luukkonen R,et al． Low back pain in relation to lumbar disc degeneration[J]．Spine (Phila Pa 1976), 2000,25(4):487-492．

[3] Boos N,Weissbach S, Rohrbach H,et al．Classification of age-related changes in lumbar intervertebral discs:2002 Volvo Award in basic science[J]．Spine (Phila Pa 1976),2002,27(23):2631-2644．

[4] Miller JA,Schmatz C,Schultz AB．Lumbar disc degeneration:correlation with age,sex,and spine level in 600autopsy specimens[J]． Spine (Phila Pa 1976),1988,13(2):173-178．

[5] Gu WY,Mao XG,Rawlins BA,et al．Streaming potential of human lumbar anulus fibrosus is anisotropic and affected by disc degeneration[J]．J Biomech,1999,32(11):1177-1182．

[6] Urban JP,Maroudas A．Swelling of the intervertebral disc in vitro[J]．Connect Tissue Res,1981,9(1):1-10．

[7] Bayliss MT,Urban JP, Johnstone B,et al． In vitro method for measuring synthesis rates in the intervertebral disc[J]．J Orthop Res,1986,4(1):10-17．

[8] Urban JP．The role of the physicochemical environment in determining disc cell behaviour[J]．Biochem Soc Trans, 2002,30(Pt 6):858-864．

[9] Phillips FM,Lauryssen C． The Lumbar Intervertebral Disc[C]．In: Phillips FMaCL Ed．,Illustrated ed:Thieme,2009:305．

[10] Maroudas A,Stockwell RA,Nachemson A, et al． Factors involved in the nutrition of the human lumbar intervertebral disc: cellularity and diffusion of glucose in vitro[J]．J Anat, 1975,120(Pt 1): 113-130．

[11] Marchand F,Ahmed AM． Investigation of the laminate structure of lumbar disc anulus fibrosus[J]．Spine (Phila Pa 1976),1990, 15(5):402-410．

[12] Roberts S,Menage J,Sivan S, et al．Bovine explant model of degeneration of the intervertebral disc[J]．BMC Musculoskelet Disord,2008(9):24-29．

[13] RajPP．Intervertebraldisc:anatomy-physiology -pathophysiology-treatment[J]．Pain Pract,2008,8(1):18-44．

[14] Roberts S,Menage J,Urban JP．Biochemical and structural properties of the cartilage end-plate and its relation to the intervertebral disc[J]．Spine (Phila Pa 1976),1989,14(2):166-174．

[15] Horner HA,Roberts S,Bielby RC,et al．Cells from different regions of the intervertebral disc:effect of culture system on matrix expression and cell phenotype[J]．Spine (Phila Pa 1976),2002,27(10):1018-1028．

[16] Setton LA,Chen J．Cell mechanics and mechanobiology in the intervertebral disc[J]．Spine (Phila Pa 1976),2004,29(23):2710-2723．

[17] Donnan FG．The Theory of Membrane Equilibria[J]．ChemRev, 1924,(1):73-90．

[18] Cox JM．Low Back Pain: Mechanism,Diagnosis and Treatment[M]．Sixth Edition Edition．Maryland,Williams &Wilkins,1999:28．

[19] Lyons G,Eisenstein SM,Sweet MB．Biochemical changes in intervertebral disc degeneration[J]．Biochim Biophys Acta, 1981,673(4):443-453．

[20] Urban JP,McMullin JF．Swelling pressure of the lumbar intervertebral discs:influence of age,spinal level, composition,and degeneration[J]．Spine (Phila Pa 1976),1988,13(2):179-187．

[21] Adams MA,McNally DS,Dolan P．'Stress'distributions inside intervertebral discs．The effects of age and degeneration[J]．JBone Joint Surg Br,1996,78(6):965-972．

[22] Majumdar S,Link TM,Steinbach LS,et al．Diagnostic tools and imaging methods in intervertebral disk degeneration[J]．Orthop Clin North Am,2011,42(4):501-511,viii．

[23] Pfirrmann CW,Metzdorf A, Zanetti M,et al．Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration[J]．Spine (Phila Pa 1976),2001,26(17):1873-1878．

[24] Thompson JP,Pearce RH,Schechter MT,et al．Preliminary evaluation of a scheme for grading the gross morphology of the human intervertebral disc[J]．Spine (Phila Pa 1976),1990,15(5):411-415．

[25] Griffith JF,Wang YX,Antonio GE, et al． Modified Pfirrmann grading system for lumbar intervertebral disc degeneration[J]．Spine (Phila Pa 1976),2007,32(24): E708-712．

[26] Watanabe A,Benneker LM,Boesch C,et al．Classification of intervertebral disk degeneration with axial T2 mapping[J]．AJR Am J Roentgenol,2007,189(4):936-942．

[27] Auerbach JD, Johannessen W, Borthakur A, et al． In vivo quantification of human lumbar disc degeneration using T(1rho)-weighted magnetic resonance imaging[J]．Eur Spine J, 2006,15(Suppl 3):S338-344．

[28] Perry J,Haughton V,Anderson PA,et al．The value of T2 relaxation times to characterize lumbar intervertebral disks: preliminary results[J]．AJNR Am J Neuroradiol,2006,27(2):337-342．

[29] Marinelli NL, Haughton VM, Munoz A, et al． T2 relaxation times of intervertebral disc tissue correlated with water content and proteoglycan content[J]．Spine (Phila Pa 1976),2009, 34(5):520-524．

[30] Blumenkrantz G,Zuo J,Li X,et al．In vivo 3．0-tesla magnetic resonance T1rho and T2 relaxation mapping in subjects with intervertebral disc degeneration and clinical symptoms[J]．Magn Reson Med,2010,63(5):1193-1200．

[31] Trattnig S,Stelzeneder D,Goed S,et al．Lumbar intervertebral disc abnormalities:comparison of quantitative T2 mapping with conventional MR at 3．0 T[J]．Eur Radiol,2010,20(11):2715-2722．

[32] Welsch GH,Trattnig S,Paternostro-Sluga T,et al．Parametric T2 and T2? mapping techniques to visualize intervertebral disc degeneration in patients with low back pain: initial results on the clinical use of 3．0 Tesla MRI[J]．Skeletal Radiol,2011,40(5):543-551．

[33] Kerttula LI,Jauhiainen JP,Tervonen O,et al．Apparent diffusioncoefficient in thoracolumbar intervertebral discs of healthy young volunteers[J]．J Magn Reson Imaging,2000,12(2):255-260．

[34] Kerttula L,Kurunlahti M,Jauhiainen J,et al． Apparent diffusion coefficients and T2 relaxation time measurements to evaluate disc degeneration． A quantitative MR study of young patients with previous vertebral fracture[J]．Acta Radiol,2001,42(6):585-591．

[35] Antoniou J,Demers CN,Beaudoin G,et al． Apparent diffusion coefficient of intervertebral discs related to matrix composition and integrity[J]．Magn Reson Imaging,2004,22(7):963-972．

[36] Kealey SM,Aho T,Delong D,et al．Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbar disks: initial experience[J]．Radiology,2005,235(2):569-574．

[37] Beattie PF,Morgan PS,Peters D．Diffusion-weighted magnetic resonance imaging of normal and degenerative lumbar intervertebral discs: a new method to potentially quantify the physiologic effect of physical therapy intervention[J]．J Orthop Sports Phys Ther,2008,38(2):42-49．

[38] Niinimaki J,Korkiakoski A,Ojala O,et al． Association between visual degeneration of intervertebral discs and the apparent diffusion coefficient[J]．Magn Reson Imaging,2009,27(5):641-647．

[39] Hsu EW,Setton LA．Diffusion tensor microscopy of the intervertebral disc anulus fibrosus[J]．Magn Reson Med,1999, 41(5):992-999．

[40] Carballido-Gamio J,Xu D,Newitt D,et al． Single-shot fast spin-echo diffusion tensor imaging of the lumbar spine at 1．5 and 3 T[J]．Magn Reson Imaging,2007,25(5):665-670．

[41] Zhang Z,Chan Q,Anthony MP,et al．Age-related diffusion patterns in human lumbar intervertebral discs: a pilot study in asymptomatic subjects[J]．Magn Reson Imaging,2012,30(2):181-188．

[42] Jensen JH,Helpern JA,Ramani A,et al． Diffusional kurtosis imaging: the quantification of non-gaussian water diffusion by means of magnetic resonance imaging[J]．Magn Reson Med,2005,53(6):1432-1440．

[43] Helpern JA,Adisetiyo V,Falangola MF, et al．Preliminary evidence of altered gray and white matter microstructural development in the frontal lobe of adolescents with attentiondeficit hyperactivity disorder:a diffusional kurtosis imaging study[J]．J Magn Reson Imaging,2011,33(1):17-23．

[44] Jensen JH, Falangola MF, Hu C, et al． Preliminary observations of increased diffusional kurtosis in human brain following recent cerebral infarction[J]．NMR Biomed,2011,24(5):452-457．

[45] Jensen JH,Hui ES,Helpern JA．Double-pulsed diffusional kurtosis imaging[J]．Nmr in Biomedicine,2014,27(4):363-370．

[46] Cowan JA,Jr．,Dimick JB,Wainess R,et al．Changes in the utilization of spinal fusion in the United States[J]．Neurosurgery,2006,59(1):15-20．

[47] Pumberger M,Chiu YL,Ma Y,et al．National in-hospital morbidity and mortality trends after lumbar fusion surgery between 1998 and 2008[J]．Journal of Bone and Joint Surgery-British Volume,2012,94B(3):359-364．

[48] Shuff C,An HS．Artificial disc replacement: the new solution for discogenic low back pain? [J]．Am J Orthop (Belle Mead NJ), 2005,34(1):8-12．

[49] Shim CS,Lee SH,Shin HD,et al．CHARITE versus ProDisc:a comparative study of a minimum 3-year follow-up[J]．Spine (Phila Pa 1976),2007,32(9):1012-1018．

[50] Kishen TJ,Diwan AD．Fusion versus disk replacement for degenerative conditions of the lumbar and cervical spine: quid est testimonium?[J]．Orthop Clin North Am,2010,41(2):167-181．

[51] Nandyala SV,Marquez-Lara A,Fineberg SJ,et al．Comparison Between Cervical Total Disc Replacement and Anterior Cervical Discectomy and Fusion of 1 to 2 Levels From 2002 to 2009[J]．Spine (Phila Pa 1976),2014,39(1):53-57．

[52] Chujo T,An HS, Akeda K,et al． Effects of growth differentiation factor-5 on the intervertebral disc--in vitro bovine study and in vivo rabbit disc degeneration model study[J]．Spine (Phila Pa 1976),2006,31(25):2909-2917．

[53] Wallach CJ,Sobajima S,Watanabe Y,et al． Gene transfer of the catabolic inhibitor TIMP-1 increases measured proteoglycans in cells from degenerated human intervertebral discs[J]．Spine (Phila Pa 1976),2003,28(20):2331-2337．

[54] Sakai D,Nakai T,Mochida J,et al．Differential phenotype of intervertebral disc cells: microarray and immunohistochemical analysis of canine nucleus pulposus and anulus fibrosus[J]．Spine (Phila Pa 1976),2009,34(14):1448-1456．

[55] Werner BC,Li XD,Shen FH．Stem cells in preclinical spine studies[J]．Spine Journal,2014,14(3):542-551．

[56] Ganey T,Libera J,Moos V,et al． Dis chondrocyte transplantation in a canine model: a treatment for degenerated or damaged intervertebral disc[J]．Spine (Phila Pa 1976),2003,28(23):2609-2620．

Diagnosis and Treatment Technology for Degenerative Disc Disease

SHI Chang-cheng1,2, YAO Hai2,3
1. Research Center for Terahertz Technology, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China; 2. Clemson-MUSC Joint Bioengineering Program, Department of Bioengineering, Clemson University, Clemson, SC, USA 29634; 3. Department of Orthopaedic Surgery, Medical University of South Carolina (MUSC), Charleston, SC, USA 29425

Degenerative disc disease (DDD) is a major health concern which signi fi cantly a ff ects people’s daily activities due to limited functionality of the spine. Considering modern ways of living and working, the annual incidence of DDD has been continuously increasing as well as afflicting an increasingly younger age group. Therefore, the technologies for the diagnosis and treatment of DDD need to be further developed. The basic anatomy of the human intervertebral disc (IVD) as well as its biochemical components and their related functions are brie fl y introduced in this review. Furthermore, the di ff erent diagnostic techniques for DDD are summarized and compared, including the conventional IVD grading system as well as varied quantitative magnetic resonance imaging (MRI) methods. In addition, two current surgical treatments, e.g., spinal fusion and total disc replacement, were discussed and analyzed. After evaluating the literatures and identifying existing issues involving available diagnostic techniques and clinical treatment options for DDD, the future directions of DDD related research and studies were presented.

degenerative disc disease (DDD); intervertebral disc (IVD) degeneration grading system; diffusion magnetic resonance imaging (diffusion MRI) ; spinal fusion; total disc replacement (TDR); tissue regeneration

R681.5+3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.001

1674-1633(2015)03-0001-07

2014-09-17

2014-10-07

姚海，副教授。

通訊作者郵箱：haiyao@clemson．edu