人工腰椎间盘置换后下位关节突关节内压力的变化*★

李康华，肖文峰，胡建中，雷光华

李康华★，男，1953年生，湖南省耒阳市人，汉族，1986年湖南医科大学毕业，硕士，主任医师，教授，博士生导师，主要从事脊柱和骨关节的研究。
Lkh8738@sina.com

湖南省医药卫生科技基金资助项目（2001-Y06）*

中图分类号:R318
文献标识码:A
文章编号:1673-8225
(2008)04-00631-04

Stress changes in inferior facet joint after artificial lumbar disc replacement

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＡＩＭ: Intervertebral disc and facet joint are congenerous to maintain the lumbar stability, and any degeneration may lead to the cataplasia of other two parts. Our goal is to study the changes of stress in the neighboring inferior facet joint after SB Charite artificial lumbar disc replacement (ADR), and provide advanced theoretical evidences for ADR in clinical treatment.
ＭＥＴＨＯＤＳ: The experiment was carried out in the Mechanics Laboratory, College of Aerospace and Material Engineering, the National University of Defense Technology in March 2003.①Ten samples of fresh cadaveric lumbar spine L2-5 segment and intervertebral disc were selected from healthy young adults who died of acute brain death. Those of abnormalities, degeneration and structural destruction were excluded through macroscopic and X-ray observations. Paravertebral muscles and fascia tissues were eliminated to integrate all the ligament, intervertebral disc and articular capsule.②All specimens were divided into L3/4 disc intact group and ADR group, applying different grades of loading-force in axial direction (400-2 000 N), extension, lateral flexion and contralateral flexion (2-10 N·m). A special Ω type miniature sensor was put in the L4/5 facet joint and the stress in it was measured.
ＲＥＳＵＬＴＳ: Ten adult cadaveric lumbar specimens all entered the analysis, without destruction and dislocation. When applied with graded-loading-force in axial, extension, lateral flexion and contralateral flexion conditions, the average stress of inferior facet joint in ADR group was not significantly different, compared with the disc intact group (P > 0.05).
ＣＯＮＣＬＵＳＩＯＮ: ①There are not significantly changes of the stress in the inferior facet joint after ADR.②ADR will not add negative influence to the inferior facet joint when it rebuilds the biomechanical characteristics of lumbar spine.

Li KH, Xiao WF, Hu JZ, Lei GH.Stress changes in inferior facet joint after artificial lumbar disc replacement.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(4):631-634(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-631(ps).pdf]

摘要
目的：腰椎间盘和关节突关节共同维持腰椎的稳定，任何一个部分的退行性变都将引起另两部分的退变。观察SB Charite人工腰椎间盘假体置换对相邻下位关节突关节内压力的影响，以提供人工椎间盘临床应用的生物力学参数。
方法：实验于2003-03在国防科技大学航天与材料工程学院力学实验室完成。①实验材料：10具新鲜成人尸体腰椎标本，包括L2~5椎体及其椎间盘，死者均为急性脑死亡的健康青壮年。肉眼及X射线观察以排除标本无畸形、退行性变及结构性破坏。剔除椎旁肌肉及其筋膜组织，保留所有的韧带、椎间盘及关节囊并维持其完整性。②实验方法及评估：将Ω状微型电阻式压力传感器置入L4/5关节突关节，分别测量L3/4椎间盘完整和人工椎间盘置换两种状态下轴向（400～2 000 N）、后伸、对侧弯和同侧弯(2~10 N·m)载荷4种工况时L4/5关节突关节内的压力。
结果：纳入成人尸体腰椎标本共10具，均进入结果分析，实验过程中标本无破坏和脱落。轴向、后伸、同侧弯及对侧弯加载条件下，人工椎间盘置换组与椎间盘完整组比较，下位关节突关节内压力差异均无显著性（P > 0.05）。
结论：①人工腰椎间盘置换后相邻下位关节突关节内压力与正常时无明显改变。②人工椎间盘置换在重建腰椎生物力学性能的同时不会引起相邻下位关节突关节内压力的改变。
关键词：腰椎；关节突关节；生物力学；人工椎间盘

李康华，肖文峰，胡建中，雷光华.人工腰椎间盘置换后下位关节突关节内压力的变化[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(4):631-634 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-631(ps).pdf]

腰椎间盘退行性疾病是下腰痛的主要原因。传统的手术治疗椎间盘髓核摘除会引起腰椎生物力学的改变。腰椎间盘和关节突关节共同维持腰椎的稳定，任何一个部分的退行性变都将引起另两部分的退变[1]。由于关节突关节的退变与其所承受的压力密切相关，因此，对关节突关节内压力的研究具有重要意义。人工椎间盘置换术被认为是治疗腰椎间盘退行性疾病的有效方法。本实验拟通过测量椎间盘完整时和人工椎间盘置换后在轴向、后伸、同侧弯及对侧弯载荷时下位关节突关节内压力的变化，观察分析人工椎间盘置换对腰椎生物力学的影响，为人工椎间盘的临床应用提供生物力学理论依据。

设计：对比观察。
单位：中南大学湘雅医院骨科。
材料：实验于2003-03在国防科技大学航天与材料工程学院力学实验室完成。10具新鲜成人尸体腰椎标本，死者均为急性脑死亡的健康青壮年，取材时间均在死后1 h 内，男9例，女1例，标本的节段包括L2~5椎体及其椎间盘。肉眼及X射线观察以排除标本无畸形、退行性变及结构性破坏。剔除椎旁肌肉及其筋膜组织，保留所有的韧带、椎间盘及关节囊并维持其完整性。
实验仪器及工具：WDW-1000 Ⅲ型微机控制万能实验机（济南试金集团有限公司济南试验机厂）；EHB-03标准测力仪（天水红山实验机厂）；Z524 Z-3标准测力仪（前苏联）；BLR-1拉压力传感器（武汉天平仪器厂）；LZ 3036型X-Y函数记录仪（四川仪表厂）；Y-B型引伸计检定仪（自贡市计量局试验厂）；YJS-D数字应变仪、特制Ω型微型压力传感器、特制性能实验夹具、五孔带滚珠压力传导垫片（国防科技大学）；SB-Charite Ⅲ型人工椎间盘（德国LINK公司）；骨外科常规手术器械1套。
设计、实施、评估者：实验设计为第一作者，干预实施为第二作者，评估为第三作者。经过正规培训。
方法：
生物力学测试方案：①用甲基丙烯酸甲脂包埋固定腰椎标本上、下椎体的2/3。②显露L4/5左侧关节突关节，切开关节囊后方，用小骨刀凿出部分关节软骨，插入Ω型微型传感器的探头。③用EHB-03标准测力仪、Z524 Z-3标准测力仪分别对YJS-D数字应变仪、BLR-1拉压力传感器和特制Ω型微型传感器进行标准化标定。④将装入传感器探头的标本以性能实验夹具直立固定于WDW-1000 Ⅲ型微机控制万能实验机，连接力学实验机，Ω型微型传感器输出端与数字应变仪连接，加压时以X-Y函数记录仪绘制信号。⑤每具标本按2种状态（L3/4椎间盘完整和L3/4人工椎间盘置换）4种工况（轴向、后伸、同侧弯和对侧弯加载）进行测试，分级轴向载荷为400，800，1 200，1 600，2 000 N，分级扭转力矩载荷为2，4，6，8，10 N·m。⑥整个测试过程中，用生理盐水喷洒使腰椎标本保持湿润。测试环境：温度25 ℃，湿度60%~80%。
主要观察指标：腰椎关节突关节的压力。
统计学方法：由第二作者采用SPSS 11.0软件完成统计处理，实验结果以±s表示，检验水准定位α＝0.05，即当P < 0.05时差异有显著性意义。对样本均数行单因素方差分析，有方差齐性后采用配对t检验。

2.1 实验材料数量分析纳入成人尸体腰椎标本共10具，均进入结果分析，实验过程中标本无破坏和脱落。
2.2 不同加载条件下下位关节突关节内压力的变化见表1~4。

人体脊柱结构复杂，具有3方面的基本生物力学功能：①运动功能。②承载功能。③保护功能。椎体、椎间盘及前、后纵韧带主要提供脊柱的支持功能以及吸收对脊柱的冲击能量，而运动主要依靠椎间关节复合体来完成。
椎间盘是一纤维软骨复合体，由纤维环、髓核及软骨终板3部分组成，是连接上下相邻两椎体的重要结构，约占整个脊柱高度的20%~33%。腰椎间盘不仅是椎体间的坚强联系和支持结构，也是脊柱运动和吸收振荡的主要结构，可承受并分散负荷，同时制约过多的活动[2]。腰椎关节突关节属滑膜关节，上腰椎的关节面呈矢状位，下腰椎则近冠状位。关节突关节复杂的结构是与其生物力学功能密切相关，关节突关节的主要功能为导向控制作用，脊柱节段的活动类型取决于关节突关节面的方向。腰椎关节突关节面与水平面垂直、与冠状面呈45°，允许腰椎前屈、后伸、侧弯，但限制腰椎旋转运动。关节突关节除引导节段运动外，还承受压缩、拉伸、剪切、扭转等不同类型的负荷[3]。其承受负荷的多少因不同的负荷而异，在中立位时能承受脊柱约15%的压缩载荷，后伸时承受压缩载荷最大，约占总负荷的33%，前屈时关节突关节则主要承受拉伸负荷。腰椎最大限度前屈时有39%的拉伸负荷由关节突关节承受，而此时关节囊则是负荷的主要载体[4]。当腰椎承受剪切负荷时，关节突关节约承受了总负荷的1/3，另2/3由椎间盘承受，但由于椎间盘的粘弹性，负荷后发生蠕变和松弛，这样几乎所有的剪切负荷均由关节突关节承受。腰椎关节突关节的轴向旋转范围很小，约1°。当轴向旋转范围超过1°~3°，即会造成关节突关节的破坏。因此，限制腰椎的轴向旋转活动被认为是腰椎关节突关节的主要功能。
对于关节突关节内压力的测定方法可大致分为直接法和间接法。直接测量是将仪器放在关节内测量外负荷下或运动中实际受力情况，如压敏光感片法[5-6]、电阻式测压仪测量法[7]。间接法则是通过相关数据推断出关节内的受力情况或通过数学模型进行推断计算，如运用有限元模型等[8-10]。间接测量的优点是不切开关节囊，因此不影响整个关节突关节的完整性。而直接测量法能更真实地反映关节内实际受力情况，间接测量的结果最终都需经关节内测量进行验证[11]。本实验使用改良Ω型微型压力传感器，能直接有效地获取关节内压力随载荷变化的曲线。
腰椎间盘退行性疾病是脊柱外科最常见的疾患，也是导致成人丧失劳动力的主要原因之一，腰椎间盘突出又是腰椎间盘退行性疾病最主要的类型。对于保守治疗无效的患者通常行手术将椎间盘摘除，传统的手术方法包括“开窗法”、半椎板切除、全椎板切除等，后又出现了经棘突间入路法和经椎板间开窗等方法[12-13]。随着微创脊柱外科的不断发展，一系列新型微创技术被应用于椎间盘退变性疾患，如经皮髓核溶解术（PCNL）、经皮激光椎间盘减压术（PLDD）、经皮内镜下椎间盘切除术（ED）等，其创伤更小，对患者的脊柱稳定性影响也相对更小[14-17]。但是不论采用何种手术方式，都不可避免的损伤或摘除了椎间盘。
作为人体脊柱承载系统中至关重要的部位，椎间盘的摘除将对脊柱稳定性产生一系列的影响：①脊柱功能单位作为一个完整的力传导通道，可大致分为前后两部分。当关键性结构椎间盘被摘除后，前部力学通道被打断，后部结构所承受的力必然增加[18]。②髓核摘除后，椎间盘存储能量和分布应力的能力丧失，负荷加载时不能很好的缓冲与分散应力，导致下位脊柱功能单位受到的应力冲击较正常时增大。③椎间盘摘除术后，纤维环内空虚，在重力的作用下椎间隙变窄，椎间孔和椎管相应变小。纤维环松弛或术中其完整性遭到部分破坏，使得手术节段活动增加[19-20]。④椎间盘摘除术后，脊柱功能单位的刚度及强度均发生改变[21]。⑤椎骨、椎间盘、脊柱韧带构成内源性稳定系统，脊柱周围的肌肉、肌腱、腹内压构成外源性稳定系统。椎间盘手术时既摘除了椎间盘，术中又对椎旁肌肉、韧带有或多或少的损伤，甚至还需切除部分或全部椎板、关节突关节。这样内源性和外源性稳定系统同时被破坏，势必导致脊柱的不稳定。
椎间融合虽然可以恢复脊柱前柱及中柱的稳定性，减少或消除节段运动，缓解患者疼痛，但椎间融合后相邻节段活动度代偿性增大，导致应力异常集中于相邻节段的椎间盘和关节突关节[22]。关节突关节退变与关节突关节内压力和活动度改变的关系十分密切，当关节软骨载荷增加或活动度增加时，一方面软骨的胶原纤维网架遭受破坏，软骨细胞失去保护；另一方面应力增加影响滑液分泌以及软骨组织中物质的交换，使软骨细胞失去营养，促使邻近节段发生退变或退变加剧[23]。因此，脊柱融合术后邻近节段退变必然会影响到脊柱融合的远期疗效。
随着对脊柱生物力学机制认识的不断加深及材料科学的发展，人们设计出了人工椎间盘，目的是切除椎间盘后重建手术节段的生物力学功能，缓解疼痛，避免邻近节段的进一步退变。人工腰椎间盘置换手术术中彻底切除了病变的椎间盘组织，不仅解除了突出椎间盘对脊髓或神经根的压迫，而且消除了自身免疫源性物质的来源和退变椎间盘诱发产生的炎症物质对痛觉感受器的刺激，从而缓解椎间盘源性疼痛；此外人工椎间盘置换既填补椎间盘切除后椎体间的空隙，恢复椎间隙的高度，又恢复椎间盘正常的活动度，达到消除椎间盘摘除对脊柱稳定性的不良影响[24]。
自Vau Steenbruggle在1956年首次提出椎间盘假体的设想至今，经过数十年的研究，人工椎间盘置换已经发展到了临床应用阶段。目前已有的人工椎间盘假体很多，其中以SB Charitè假体应用最为广泛，已有超过5 000枚SB Charitè椎间盘假体应用于临床，SB Charitè人工椎间盘假体也是全世界惟一一个通过美国FDA认证的椎间盘假体。目前国内外对于SB Charitè人工椎间盘置换的临床应用及生物力学研究较多，国内外已有关于人工椎间盘置换后腰椎活动度、同位和上位关节突关节内压力、椎间孔孔径变化和下位椎间隙内压实验研究的报道。然而，人工椎间盘置换后其相邻下位关节突关节内压力的变化目前尚未见相关报道。
本实验结果表明，人工椎间盘置换后腰椎在轴向、后伸和侧弯分级载荷时下位关节突关节内的压力无明显增大，与椎间盘完整时比较差异无显著性（P > 0.05）。首次初步体外实验证明人工腰椎间盘置换在重建腰椎生物力学性能的同时不会引起相邻下位关节突关节内压力的改变。

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