， ， ，， ， ， ，王軍*

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

椎間盤退變(Interbody Disc Degeneration,IDD)性腰痛的因素有許多，異常壓縮應力則是主要因素之一[1]。國內外學者認為異常的壓縮應力負荷主要通過影響椎間盤的營養(yǎng)供應，從而加速IDD，引發(fā)一系列癥狀[2]。為了探尋軸向壓縮應力與IDD之間的聯系，構建了鼠、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，分別從影像學與組織學上觀察到了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，在進行影像學觀察時能更清晰的辨認IDD征象，并且山羊椎間盤與人體椎間盤結構相似度更高[5]，因此，在探索軸向壓縮應力與IDD關系的研究中，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。本研究在此基礎上，自行研制了一套軸向加壓裝置(可控應力器)對山羊腰4/5椎間盤進行軸向加壓，定期觀察可控應力對山羊IDD的影像學變化，現報告如下。

1 材料與方法

1.1可控應力器的結構可控應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(圖1)。 量化平臺由數顯式推拉力計調節(jié)座，固定扣，量化平臺底板構成。數顯式推拉力計，由揚州中科技量儀器有限公司生產(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 可控應力裝置實物圖A：克氏針， B：伸縮固定臂，C：連接扣，D：內六角螺桿

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：數顯式推拉力計調節(jié)座， E：數顯式推拉力計

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六角，順時針旋轉可使螺桿上的連接扣帶動二根克氏針變窄，克氏針發(fā)生形變產生壓縮應力并通過上下椎體對椎間盤進行軸向加壓，壓縮過程中應保持左右兩側連接扣的間距一致。

應力量化：在量化平臺上固定一個與山羊體內結構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，一根固定在數顯式推拉力計上(圖3C)。在進行壓縮應力量化時，應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構完全相同。(2)一邊順時針旋轉雙側伸縮固定臂的螺桿，一邊觀察數顯式推拉力計所顯示的數值為40N時，平行克氏針彎曲形變，相向壓縮,停止旋轉雙側伸縮固定臂螺桿，測量并記錄兩個連接扣間距，調節(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椎體產生壓縮應力。(3)由于山羊體內與量化平臺上的可控加壓裝置結構完全相同，因此兩平行克氏針給山羊椎體施加壓縮應力也是完全相同的。當量化平臺上推拉力計顯示壓縮應力為40N時，量化到山羊體內可控加壓裝置的壓縮應力也是40N。

1.3動物實驗及影像學檢查選取6～8個月成年健康山羊16只(由南華大學動物部提供)，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橫突外側根部與椎體交界處向下1 mm為進針點，兩根克氏針經皮橫穿椎體，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力大小調至40 N，對照組僅安裝加壓器，不予加壓。術后均予青霉素預防感染，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生影響，所有實驗動物采用陸眠寧(南華大學動物學部提供)肌肉注射麻醉[6]，麻醉成功后取右側臥位與俯臥位分別進行X線與MRI檢查(南華大學附屬第一醫(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：可控應力裝置成功安裝大體照； C：量化平臺量化可控應力

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 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)計學意義。兩組DHI比較結果見表1，兩組MRI片Pfirrmann分級統(tǒng)計結果見表2、3。

表1 兩組術后DHI比較(%)

與對照組相比，aP<0.05

表2 兩組術后第4周Pfirrmann分級結果比較

與對照組相比，aP<0.05

表3 兩組術后第8周Pfirrmann分級結果比較

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力為壓縮應力，當壓縮負荷過高時，則會影響營養(yǎng)物質在椎間盤內的擴散，從而影響椎間盤的代謝，進而出現一系列細胞生物行為學的變化，例如基質合成減少，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力器，通過產生一種可控的、量化的軸向壓縮應力誘導山羊椎間盤發(fā)生退變，通過影像學(X線和MRI)觀察其IDD征象。

3.1可控應力器軸向誘導山羊IDD 本研究自行研制一套可控應力器對山羊腰椎間盤進行軸向壓縮誘導，通過兩側伸縮固定臂的螺桿旋轉縮短帶動兩根克氏針發(fā)生形變，產生壓縮應力，應力通過椎體傳導至椎間盤，這種間接加壓方法使得椎間盤受力更加均勻，并且可控應力器中配套設計了應力量化平臺，可對壓縮應力進行調控和讀取，調控范圍0～200 N，使軸向壓縮更為精確。本實驗中采用的可控應力器與國內王琦、張載清等[4]構建大白兔IDD模型中所用的可控應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件，量化平臺可將兩根克氏針形變所產生的壓縮應力轉化為數顯推拉力計上具體的數值，然后再將安裝在山羊椎體上的加壓器調節(jié)到與之相同的形變量，以此完成對壓縮應力的調控和讀取，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構簡化、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構，兩側伸縮固定臂的螺桿可以通過順時或逆時旋轉,使克氏針產生方向相反的兩種形變，具有加壓、牽張應力的轉換功能。當兩伸縮固定臂等距離順時旋轉時，兩平行克氏針相向彎曲產生壓縮應力；當兩伸縮固定臂等距離逆時旋轉時，兩平行克氏針反向彎曲產生牽張應力。(3)可控加壓器材料為鈦金屬，可根據需要對山羊進行體內、體外固定，同時可以不拆除可控加壓裝置直接行MRI檢查。實驗中采用經皮穿刺的方法安裝可控加壓裝置(圖3B)，創(chuàng)傷小，手術風險低，降低了術后感染率，從而提高了實驗成功率。(4)可控應力器所產生的壓縮應力是通過量化平臺精準量化后再施加到山羊椎體上的，具有精確性和可調節(jié)性。在精確性上。張載清，等[4]所研制的可控應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定好彈簧壓縮所產生的力，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，除了彈簧夾子所產生的力以外，椎體實際上還受到了克氏針形變所產生的壓縮應力，而本研究中所研制的可控加壓器所產生的壓縮應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。在可調節(jié)性上，兩種加壓裝置均具有可調節(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力的調控，操作較復雜。本研究所采用的加壓器可直接通過順時旋轉兩側伸縮固定臂即可完成壓縮應力的調控，操作簡單、方便。

3.2壓縮應力誘導山羊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，如：椎間隙楔形變、椎間隙狹窄、軟骨終板鈣化、骨質增生等，都是IDD的特征性變化。椎間盤由髓核與纖維環(huán)構成，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致椎間盤內營養(yǎng)供應不足，髓核內多糖蛋白、水分等含量降低，髓核細胞體積減小，承擔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線上則體現為椎間隙高度下降，出現椎間隙楔形變以及椎間隙狹窄。長期受壓之后還會出現軟骨終板的鈣質沉積，出現鈣化；加速脊柱退變，在椎體前后緣發(fā)生骨質增生、骨贅形成，甚至椎間隙高度消失，出現相鄰椎體融合的現象。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(DHI)進行分析，發(fā)現在第4周時，加壓組的椎間隙高度指數已經開始下降(表1)，到第8周時，加壓組的椎間隙高度指數較對照組明顯降低，并且在X線片上能直觀的發(fā)現椎間隙狹窄征象(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重。

3.3壓縮應力誘導山羊IDD的MRI征象MRI是臨床上軟組織檢查的首選，T2加權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；嚴重退變者甚至出現“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)出現裂紋，甚至斷裂。MRI能夠更確切的體現出椎間盤發(fā)生的變化，在一定程度上體現出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加權像進行觀察比較，第4周時(如圖5)，加壓組表現為椎間盤變薄，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分級結果：Ⅳ級5只，Ⅲ級3只，此統(tǒng)計結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山羊L4/5椎間盤退變，并從影像學上進行觀察分析，發(fā)現在經過為期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山羊IDD的方法是可行的。但病理學檢查仍是證實IDD的金標準[12]，因此，在加壓實驗完成后，仍需將實驗節(jié)段椎間盤取出，進行組織病理學觀察分析。

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