脊柱椎管损伤模型建立的试验研究
作者：谢恩，罗卓荆，张鹏飞，张子如
【摘要】 目的 构建一种精确模拟椎体骨折的测试模型，通过试验比较椎管创伤后产生不同的变化和各自的特点，为临床手术提供依据。方法 研究在人脊椎标本应用冲击试验机测量标本,分别测出不同冲击力的椎管直径的试验参数并进行分析。结果 在产生最小的脊柱破裂后增加冲击力和椎管骨质破裂应变有交互作用(R2=0.85，P<0.05)。结论 逐步增量法是构建脊柱外伤的一种可靠的方法。
【关键词】 骨折;椎管;脊柱;生物力学;增量法
Abstract： Objective To construct an accurate simulation of vertebral fractures of the test model and to compare the spinal canal through the trial after the trauma of change and their different characteristics,so as to provide a scientific basis for clinical surgery.Methods Human spinal samples for measurement of impact test specimens were studied and test parameters of the spinal canal diameter with different impact were measured and analyzed.Results There was interaction between the smallest increase in spinal fracture after the impact and the spinal bone fracture strain(R2=0.85,P<0.05).Conclusion Incremental trauma approach is a reliable method in the establishment of fracture of the human spine.
Key words：fracture;spinal canal;spine;biomechanics;incremental trauma approach
脊柱外伤经常发生，在所有外伤中占37.5%~55.2%[1]，其中15%是椎管破裂[1，2]。欧美发生的比例更高，达50%~60%[3]。载荷运动下的脊柱试验是测量脊柱生物力学的一个重要方法，实验性生物力学研究设计并且进行临床脊柱椎管骨质破裂的相关研究是其中的热点之一[4-6]。我们通过建立脊柱椎管破裂模型，采取增量创伤法从特定高度开始标准重量，由一个侧向X射线精确监测结果，实验方法简便可靠。材料与方法
1 一般资料
本组取8具新鲜尸体脊柱标本，男性5例，女性3例;年龄21~74岁。剔除椎旁的软组织,保留韧带及小关节囊完整,双层塑料袋密封,-40℃低温冰箱保存,实验前24小时室温下解冻。所有标本均无破损及畸形。每个脊柱标本用X线检查保证无损伤并有正常的相对应年龄的生理退变。肌肉组织被仔细剔除，韧带和椎间盘正常。实验前，脊柱标本用圆柱形契子嵌入S3上部的一半和L3下部的一半，并保持L1 脊椎水平。另外，为保护脊椎，S4和L2脊椎用环氧树脂紧密包裹(图1)。
2 仪器
MTS?858双轴液压生物材料试验机(西安大学机械结构强度与振动国家重点实验室提供);移动X线机(Italray，型号：BASIC 4003)。
3 测试方法
标本置入冲击试验机进行测试，撞击方向来自脊柱中线正上方。椎管周围用两排直径为2.0mm小钢珠嵌入，一排嵌入后纵韧带，另一排嵌入黄韧带平面(图2)，椎管直径由两排小钢球的位置距离测定，每次实验测量并记录。放置单排小钢球彼此接近，做到既能确定脊椎管外形，又不影响测量结果。小钢球从L1~L2椎间盘放置，利用逐步增量标准化负荷，X线测定脊柱标本外伤后的变化，测量记录椎间管直径的变化。应变(L)为实验后的椎管直径减去其原直径结果并除以原直径。
数学公式表达：L%=(Ln-L0)÷L0
Ln和L0分别代表原椎管直径和实验后的椎管直径(图2)。
测试过程中适当用生理盐水喷洒防止标本干燥。标本每次加载测试完毕后,卸载一定时间,预载、调正,再进行下一次加载测定。逐步增量法在初始的冲击力定为28.5N，每次增加17.2N，每次实验后,X线拍取，机计算(图3)。如果结果没有达到设计要求,重复增量17.2N，直到出现等同或者大于实验设计要求。力学测试记录结果、观察内容：冲击速度(m/s)、撞击力量(N)、脊柱受损变形、各临界点的试验参数(表1)。表1 各组脊柱在不同载荷运动状态下载荷?应变比值变化(单位，%)
4 统计学分析
本实验数据以线性回归(最小二乘法)、方差分析、t检验加以处理,采用统计软件SPSS 10.0分析完成,设定P<0.05为有显著差异，研究数据、回归分析冲击力和椎管破裂骨折之间的关系。
实验仪器由电脑控制,有以下特点(图2)：以5.24m/s速度下降，重量可调节，仪器后面有挡杆以防止破坏脊柱标本;由计算机控制电-磁性分离装置。
结 果
1 本试验产生的椎管骨折阈值是28.5~149.2N(平均88.85N,SD),椎管初始骨折的直径也发生改变(4.5%~47.1%，平均23.1N,SD 11.7%)，椎管的直径变化和冲击力之间未发现相关性(R2=0.27)(图4)。
2 根据观察数据分析，从第一次椎管骨折后增加的冲击力和增加的椎管应变之间,回归分析的数据显示有高度相关(R2=0.85,P<0.05)(图5)。
讨 论
脊柱生物力学实验的主要目的是研究脊柱骨折力学因素，以便进行相应临床研究[7]。建立脊柱骨折模型，一直是热点、难点，目前采用的基本测量方法为重物高处坠落法。这种方法有很多弊端，因为标本差异、密度与脊柱周围肌肉、韧带等原因[8]，因此难以掌握控制骨折程度。本实验在寻找脊柱骨折的研究中，设计出了一种新的、有效而精确的可产生脊柱骨折的模型，其设计方法具有自主知识产权，可在医学等领域中广泛应用。在研究脊柱骨折的过程中，发现能得到精确测量脊柱骨折阈值的方法，揭示脊柱骨折微量变化的超高分辨率方法并得以解决。目前国外大部分学者研究脊柱骨折也都采用了类似方法[7]。本实验采用控制试验的外力，逐步增量的冲击力，椎管被严密观测,直至骨折产生。
本实验发现在人脊柱标本发生初始的椎管破裂骨折平均冲击力是88N,因此也代表脊柱椎管骨折阈值。同时发现一组人体脊椎骨标本不仅可以模仿产生唯一接近伤害阈值初始的椎管骨折，也可以模仿不同程度的椎管骨折变化。产生初始的椎管骨折，其撞击力从28.5~149.2N，在产生初始的椎管骨折以后，逐步增量冲击力和椎管变形之间相关变化非常显著。本实验在人体脊椎骨脊柱标本中模拟产生不同程度的椎管骨折成为可能。逐步增量法遵循椎管初始破裂骨折和各种椎管骨折可以精确地模拟这一规律。尽管人体脊椎骨存在大量的变异性，但是按照一定设计要求，椎管骨折的破坏程度是可以模拟产生的。分析认为，脊柱骨折后，通过韧带轴向复位，虽可使与韧带相连的骨块重新排列复位并恢复伤椎外形，但复位后椎体呈“蛋壳”样改变，这种变化非常小。但本实验用小钢球模拟椎管直径,X线分析以达微量准确的检测，则可以避免该微量变化不被检测到。
本实验设计偏心加载力线在躯干的重力线上,同时用小钢球模拟椎管直径,以达到理想的效果。另外,本实验对脊柱所加载荷是模拟人直立行走时腰椎负载的峰值变化(10～16 N)的增量值,符合临床实际情况。本实验采用测量椎管间应变,反映了椎管受损程度，着重研究了外力和椎管间应变关系，通过比较各个运动参数，得出在脊柱骨折发现了在产生最小的脊柱破裂后增加冲击力和椎管骨质破裂应变有交互作用的初步结论， 这项技术使建立更精确的椎体骨折模型成为可能。尽管本实验所采用爆裂性骨折模型的制作方法在生物力学实验中能够被广泛应用，并且也考虑到神经肌肉等稳定结构对脊柱的稳定效果，但是由于体外实验也只能评价机体阶段性局部的状况，仍不能评价整体远期效果。因此，本研究也存在一定局限性，还需临床及生物力学进一步观察及研究 。
【】
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