張志敏，蘇 峰，張春林，馬朋朋

（1.河北北方學院研究生部，河北 張家口075000；2.河北北方學院附屬第一醫(yī)院，河北 張家口075000）

通常由于在臨床研究實驗中存在很多的非控制性因素，造成非實驗因素對研究結(jié)果的干擾[1－2]，而離體研究可以深入研究實驗因素的作用。新鮮、年輕、健康的成人尸體標本本來是離體研究最理想的模型，但近年來，由于受倫理、法律及其他社會因素的影響，人的尸體捐獻源遠遠滿足不了醫(yī)學科研和臨床的發(fā)展需要，而應(yīng)用動物標本進行生物力學試驗再度引起人的重視。采用動物模型，可以較為方便的控制動物的種類、年齡、性別、體重等非實驗因素，個體間差異小，能夠取得準確的實驗結(jié)果。

1 實驗動物的選擇

常用的動物模型包括牛、羊、豬、猴等，其脊柱解剖學和脊柱節(jié)段三維運動范圍與人類的脊柱有很大相似性，常應(yīng)用于脊柱的生物力學研究或脊柱器械的應(yīng)用研究。

1.1 牛

小牛脊柱在幾何結(jié)構(gòu)、骨密度及運動范圍等方面均與人體脊柱相似，Wilke等[3]人研究發(fā)現(xiàn)，出生12～16周小牛的椎間盤彈性及椎間運動范圍和人體脊柱相類似。出生1周內(nèi)的小牛胸腰椎椎體及椎間盤大小小于成年人，需要選擇合適大小的內(nèi)固定規(guī)格。王新偉等[4]認為小牛胸腰椎形態(tài)及大小可滿足前路內(nèi)固定模型的需要，以小牛標本作為體外非破壞性生物力學實驗?zāi)Ｐ途哂锌尚行浴?/p>

1.2 羊

脊柱研究中常用模型包括綿羊和山羊，己經(jīng)有文獻表明綿羊腰椎為人體腰椎提供了一個好的生物力學模型[5]。Wilke等[6]應(yīng)用羊脊柱標本與人脊柱標本進行解剖學和脊柱節(jié)段三維運動范圍測試，指出兩者有很大相似性，建議可替代人脊柱標本模型，且綿羊脊柱作為研究模型，己被廣泛應(yīng)用于人脊柱關(guān)節(jié)生物力學研究。綿羊椎間關(guān)節(jié)的解剖和功能和人類相似，椎間盤的形態(tài)學和綿羊腰椎肌肉組織的解剖也和人類相似。田勇等[7]人認為在形態(tài)計量學方面，羊做為脊柱動物模型與人類相比具有良好的相似性，Sandhu等[8]認為綿羊是一種能夠有效控制的動物模型。且羊標本易于采集，價格相對低廉，這在標本需求量日益增大的今天，意義更加突出。綿羊模型可用于前路的頸椎融合、腰椎融合（側(cè)后方腰椎融合，椎間孔椎間融合）及內(nèi)窺鏡胸腰椎融合。山羊是頸椎前路椎間融合研究中最理想的實驗動物。

1.3 豬

豬的脊柱標本來源廣泛，豬的年齡范圍相對狹小，比人的標本具有更好的均一性，在選擇標本時容易控制，豬的脊柱解剖形態(tài)及尺寸與人有一定的相似性。豬標本最常用于頸椎、胸椎和腰椎的前路脊柱融合。胡一平等[9]在實驗中證實正常豬與人的椎間盤造影圖像具有相似性，丁曉琳等[10]認為利用成年豬脊柱制作胸腰段后凸畸形模型進行脊柱三維運動實驗是可行、簡便、有效的，樊嶸、于曉華[11]通過對年輕豬腰椎間盤髓核摘除術(shù)后疲勞載荷實驗，表明年輕的椎間盤無論髓核摘除與否，在承受疲勞載荷后并不易造成纖維環(huán)的嚴重損傷。

1.4 猴

在所有實驗動物模型中，猴脊柱，尤其是腰椎的解剖結(jié)構(gòu)、形態(tài)、毗鄰關(guān)系以及承受的負荷也與人類最為接近，由實驗數(shù)據(jù)得出的結(jié)論也最為可靠。吳天秀等[12]用獼猴為實驗對象，對第3，4腰椎行生物力學實驗，結(jié)果顯示力學性能與人相當接近。利用活體恒河猴實驗，表明腰大肌是腰椎運動和維持腰曲的主要肌肉，在維持腰椎力學平衡方面起著重要作用[13－14]。但是由于猴比較珍貴，飼養(yǎng)困難，限制了它的廣泛應(yīng)用。

2 測量方法

2.1 接觸性測量

對于接觸式測量，主要指的是傳感器測量法，其中電傳感器使用較多，分為線位移傳感器與旋轉(zhuǎn)位移傳感器。測量精度高，精確度可達到1微米。測試時需將位移傳感器安放在脊柱相關(guān)位置上，只能對脊柱1個節(jié)段進行測量。由于固定的傳感器與標本接觸，對脊柱的自由運動有一定的影響，而且脊柱運動方向不一定和測量方向完全一致。

2.2 非接觸性測量

目前對脊柱三維運動測量比較常用的方法是立體光學測量術(shù)，由兩個互成角度的平面光學測量系統(tǒng)采集脊柱表面標記運動信息，通過計算機圖像處理技術(shù)采集實驗數(shù)據(jù)，并分析運動軌跡。Panjabi等[15]應(yīng)用這種原理自行設(shè)計、研制了腰骶椎加載及測量系統(tǒng)。這種方法精度高、不影響標本運動，可進行多節(jié)段測量，使用廣泛，但因造價往往較高，限制了其在國內(nèi)的應(yīng)用情況。光電測量系統(tǒng)融合了光電子技術(shù)，計算機技術(shù)和攝影測量技術(shù)，具有定位精度高、可進行多節(jié)段測量及自動化程度高等優(yōu)點，但圖像信息處理測量軟件費用高。Pan Li等[16]介紹了多光點三維動態(tài)實時檢測系統(tǒng)，用于對運動中的脊椎進行實時的三維定位，可實現(xiàn)多節(jié)段動態(tài)測量。

3 加載方法

實驗加載的目的就是為了模擬人體在生理或病理狀態(tài)下的受載情況，測量脊柱三維運動。使測量結(jié)果更能真實的反映活體運動，故給予實驗對象施加合理的加載方式至關(guān)重要。以往多采用逐級加載測試，后來人們經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)采用持續(xù)加載方式更能代表生理負荷狀況。例如Lttile等[17]通過實驗發(fā)現(xiàn)逐級加載比連續(xù)加載方式下，標本發(fā)生蠕變的速度要快，說明持續(xù)加載能減少蠕變對三維運動測試結(jié)果的影響。測試過程中人們研制了很多裝置來產(chǎn)生純力矩，Gunzhurg等[18]將自由端固定橫棒、利用橫棒上施加垂直重量的方法產(chǎn)生純力矩，季偉等[19]對此進行了改進，加載裝置增加了旋轉(zhuǎn)鎖定功能，可以使脊柱標本在各種測試位置間快速轉(zhuǎn)換，簡化了操作過程，提高了效率。

4 研究內(nèi)容

4.1 發(fā)生機制

目前，鄰近節(jié)段退變發(fā)生的確切機制尚未完全明了。但多數(shù)學者認為，椎體融合后鄰近椎體生物力學的變化是導致本病的重要原因[20]。其中應(yīng)力、鄰近節(jié)段活動度、關(guān)節(jié)面載荷和椎間盤內(nèi)壓力的改變等在病程發(fā)展中起著重要的作用。

腰椎融合術(shù)后，生物力學性質(zhì)將發(fā)生改變，腰椎活動未能均勻分布于未融合的各節(jié)段，而是在融合節(jié)段相鄰的上下節(jié)段存在應(yīng)力集中，從而加速了相鄰節(jié)段的退行性改變。體外試驗研究表明椎間盤內(nèi)壓力的增加會導致或加速椎間盤退變。王學文等[21]應(yīng)用恒定加壓裝置模擬人類脊柱坐位前屈壓力加壓大鼠尾椎可迅速建立大鼠椎間盤退變模型。說明椎間盤內(nèi)增加的壓力可導致椎間盤退。融合術(shù)后相鄰節(jié)段、尤其是小關(guān)節(jié)的壓力增加。這也是速鄰近節(jié)段退變的因素之一。但有學者認為ASD只是椎間盤正常的退行性變過程，而并非是繼發(fā)于生物力學改變的特殊病變。Hoogendoorn等[22]利用已建立腰椎融合模型的山羊進行長期隨訪觀察，應(yīng)用大體觀察、MRI及組織學檢查分析相鄰節(jié)段椎間盤的表現(xiàn)，結(jié)果表明鄰近及居中椎間盤未見顯著差異。盡管研究結(jié)果報道不一，考慮可能與研究模型，實驗條件和隨訪時間的差異有關(guān)。但目前大多數(shù)學者公認生物力學因素在ASD發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。

4.2 影響因素

4.2.1 內(nèi)固定的使用 內(nèi)固定融合術(shù)后鄰近節(jié)段負荷迅速增加，鄰近節(jié)段對生物力學機制改變適應(yīng)的緩沖期較短，加速了ASD的發(fā)生，而不用內(nèi)固定的融合在融合后應(yīng)力增加緩慢，ASD的發(fā)生相對緩慢。肖克明等[23]的研究表明，腰椎內(nèi)固定術(shù)后，相鄰節(jié)段在影像學上有退變的表現(xiàn)，但其程度與相鄰節(jié)段退變疾病的發(fā)生不平行，行腰椎內(nèi)固定取出術(shù)后，患者相鄰節(jié)段退變速度有一定的延緩趨勢。對于鄰近節(jié)段是頭側(cè)還是尾側(cè)退變明顯，各家報道并不完全一致。顧軍等[24]認為在山羊腰椎內(nèi)固定融合術(shù)中，局部堅強固定可能增加上方未融合節(jié)段的活動度和承受的應(yīng)力，促進椎間盤退行性變，導致鄰椎病的發(fā)生。陳藝[25]等認為隨著螺釘數(shù)的增加，鄰近椎間盤應(yīng)變增加，且上位相鄰椎間盤應(yīng)變增加更為明顯，其退變的可能性大于下位相鄰椎間盤。但Brantiganetal[26]研究顯示，脊柱融合患者同時輔以內(nèi)固定的，下方相鄰節(jié)段的應(yīng)力更加集中，更易發(fā)生退行性變；Ruanetal[27]的研究也得出相同的結(jié)論。

4.2.2 鄰近節(jié)段結(jié)構(gòu)及椎間盤的損傷 國內(nèi)外研究均表明鄰近節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及后柱結(jié)構(gòu)的損傷會導致鄰近椎體不穩(wěn)，退變加速。在置入椎弓根釘過程中，如果對鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)的損傷可能會加速ASD的發(fā)生。Cardoso等[28]對10例尸體標本進行的生物力學測試表明，發(fā)現(xiàn)內(nèi)固定術(shù)后其近端節(jié)段的ROM立即發(fā)生變化，尤其是當雙側(cè)上一節(jié)段關(guān)節(jié)突被破壞后，其變化更加顯著。因此，仔細保留頭側(cè)最上一個關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的完整性對于預防ASD的發(fā)生發(fā)展具有重要作用。陳輝[29]等使用牛腰椎的實驗研究表明腰椎融合內(nèi)固定術(shù)中，后柱 “骨－腱－骨”結(jié)構(gòu)完整性的破壞有增加術(shù)后上位節(jié)段退變的趨勢。有人認為，腰椎融合后，為了代償因融合節(jié)段減少的運動范圍，鄰近節(jié)段的壓力和運動范圍會代償性增加，椎間盤的正常營養(yǎng)供給及代謝產(chǎn)物的排出會因此受到妨礙，從而加速了鄰近節(jié)段的退變[30]。白一冰[31]等則認為椎間盤的退變可能是由于內(nèi)固定術(shù)中椎弓根螺釘角過大，損壞終板，或改變終板了滲透功能，從而影響髓核的營養(yǎng)而引起。有研究發(fā)現(xiàn)固定后鄰近節(jié)段IDP有所升高[32]，并隨固定節(jié)段的增加而升高更明顯[33]。Nachemson等[34]的研究表明，椎間盤內(nèi)壓與該節(jié)段運動角度關(guān)系密切，近來通過大樣本測得的在體椎間盤內(nèi)壓變化結(jié)果也支持這一結(jié)論[35]，但也有學者持不同意見，Rohllmann等[36]對7具尸體脊柱標本所有節(jié)段進行間盤壓力測定，結(jié)果顯示內(nèi)固定對相鄰節(jié)段椎間盤上的應(yīng)力分布和髓核內(nèi)壓力影響均極小，認為內(nèi)固定對于相鄰節(jié)段的椎間盤應(yīng)力及椎間盤壓力影響不大。

4.2.3 融合術(shù)式及范圍的影響 一般認為，融合的長度是引起鄰近節(jié)段退變的一個高危因素，Yang等[37]對217例行腰椎融合術(shù)后的患者進行的隨訪研究表明：融合節(jié)段越多，ASD的發(fā)生率越高，鄭曉勇等[38]也贊同這一觀點，并認為腰椎內(nèi)固定融合時，應(yīng)盡量避免多節(jié)段固定融合。崔為良等[39]通過有限元分析認為：節(jié)段融合固定條件下，雙節(jié)段腰椎融合內(nèi)固定比單節(jié)段更易加快鄰近小關(guān)節(jié)退變。然而，有學者反對這一說法，他們認為鄰近節(jié)段上壓力轉(zhuǎn)移才是引起鄰近節(jié)段退變的重要因素，當融合節(jié)段超過2個時，多節(jié)段融合與鄰近節(jié)段退變之間就沒有的必然聯(lián)系了。

不同的融合術(shù)式對融合術(shù)后ASD的影響不同，成俊[40]等利用兔做動物模型研究表明：前路椎體間融合組、后外側(cè)融合組、環(huán)狀融合組3種融合方式均使融合節(jié)段鄰近上節(jié)段運動范圍顯著增加。前路椎體間融合，360°融合使鄰近上節(jié)段屈曲運動范圍增加無統(tǒng)計學差異。后外側(cè)融合使鄰近上節(jié)段屈曲運動范圍增加最少。Esses等[41]利用離體尸體標本進行生物力學研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形融合、單純椎間融合與外側(cè)融合相比，增加了鄰近節(jié)段的活動度，尤其是尾側(cè)節(jié)段更為明顯，但前二者對鄰近節(jié)段退變的影響無顯著性差異。楊東等[42]研究認為后路融合方式更易發(fā)生鄰近節(jié)段的退行性變，認為相比于后路融合，環(huán)周融合并不是發(fā)生ASD的顯著危險因子。側(cè)后方融合是一種相對接近生理的融合方式。

4.2.4 繼發(fā)矢狀位平衡異常 節(jié)段融合術(shù)后腰椎前凸減小、消失甚至出現(xiàn)后凸等矢狀位平衡的異常，引起脊柱三維運動不穩(wěn)，增加了ASD發(fā)生的風險。李忠海[43]等通過體外生物力學實驗評價腰椎矢狀面固定角度對相鄰節(jié)段應(yīng)力強度的影響，從而得出的結(jié)論是：脊柱固定可導致相鄰節(jié)段的應(yīng)力強度增加，并且矢狀面異常固定角度更破壞其生物力學環(huán)境。在腰椎穩(wěn)定重建同時，應(yīng)該獲得正常腰椎前凸角。Kim等[44]根據(jù)對69例行L4～L5單節(jié)段椎間融合術(shù)患者研究顯示，術(shù)后臨床ASD與無癥狀ASD患者相比，臨床ASD患者在L4～L5節(jié)段術(shù)后前凸角很小，從而認為對單節(jié)段融合術(shù)而言，保持術(shù)后前凸角大于或等于20°對預防ASD的發(fā)生有重要的臨床意義。

4.2.5 其他因素 此外，ASD的發(fā)生與個體因素、鄰近椎間盤的狀況等因素有關(guān)。有人發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松嚴重的患者，會出現(xiàn)椎間盤退變表現(xiàn)，且骨質(zhì)疏松越嚴重，椎間盤退變程度越重[45]。閆家智等[46]認為單節(jié)段后路腰椎固定融合不是引起鄰近節(jié)段退變的重要原因；但鄰近節(jié)段的椎間盤如果已經(jīng)發(fā)生退變，則可能是影響形成的重要因素。

5 存在的問題

綜上所述，以往報道所采取的模型及測量方法不同，入選標準不同，得出的結(jié)論并不一致。需要我們精心選擇標本模型，周密設(shè)計，選擇統(tǒng)一標準合理的測量方法，使得單一因素對實驗結(jié)果的影響更可信，明確每個危險因素的作用，并加以改進，從而預防或減少ASD的發(fā)生。

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