腰椎终板结构的生物力学研究

【摘要】  目的: 研究腰椎终板不同位点的生物力学特性分布. 方法： 选用人体新鲜腰椎标本30椎，对终板上平面的24个测试点进行压缩加载试验，用直径1.5 mm的半球形压头以12 mm/min的速度垂直终板平面下压，有所得的力-压缩力位移曲线最大压缩力，采用析因分析对实验数据进行统计学处理. 结果： ①L1-L3 与L4-L5 上终板平面最大压缩力差异具有统计学意义（P＜0.05），L1-L2与L3-L5下终板平面最大压缩力的差异具有统计学意义（P＜0.05），腰椎终板平面最大压缩力由上到下有逐渐增大的趋势. ②L1-L5腰椎上终板平面横线a与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05）. 纵线1，6与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05）. 下终板平面横线a与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05）. 纵线3，4线与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05）. ③L3-L5上、下终板的最大压缩力差异均有统计学意义（P＜0.05），余椎体差异无统计学意义. 结论： L1-L5终板平面最大压缩力由上到下有逐渐增大的趋势，腰椎终板平面的后外侧部是椎体生物力学强度最大的部位，外周部的最大抗压力大于中央部，L3-L5椎体下终板平面的最大抗压力大于上终板平面，在进行椎间手术时植入物应尽量放置于终板的后外侧部以减少术后沉陷率.

【关键词】  腰椎 生 终板 生物力学

　　0引言

　　椎体由中央的松质骨和外周的皮质骨组成，终板是位于其上、下面的皮质外层结构，中央较薄，周围增厚隆起，形成一环状骨突.  在前路椎间减压植骨融合的手术中，保留椎体终板能够有效防止植骨块的塌陷，减少后突畸形维持椎间高度，进行椎体和椎间盘切除后通常要在椎体间植入结构性支撑物，如自体骨、同种异体骨、椎间融合器或活动式椎间盘等，这些植入物都是用来维持脊柱前柱结构的生物力学功能，但是临床上经常会出现植入物沉陷到一个或两个椎体的终板内［1］，植入物沉陷可以导致潜在的疼痛，脊柱融合节段的失稳从而造成手术的失败［2］，为防止植入物的下沉，作为植入物与椎体间界面的终板要有足够的强度来承受局部的最大载荷［3］，我们分析人体腰椎不同节段终板表面不同位点的生物力学强度分布规律，为椎间置入物的放置位置、改进椎间融合器的设计及相关临床手术操作提供指导.

　　1材料和方法

　　1.1材料6具新鲜尸体的腰椎标本30椎（L1-L5），经腰椎X线摄像确定椎体完好，无骨质疏松及退行性变. 剔除周围软组织及椎体后侧附件，分离各节段，去除椎间盘及软骨终板，显露骨性终板. 标本置于-20℃冰箱冷冻保存，试验前于室温下解冻. 为保证各点的测试有可比性，在每个终板表面上均建立坐标系. 以椎体的正中矢状径作为纵轴，纵轴的中点为原点O，过原点做纵轴的垂直线定为横轴，用微米游标卡尺精确测量纵轴、横轴的长度，用油性笔分别在纵轴、横轴上标注出5等分点、7等分点，分别过各等分点做纵轴和横轴的垂线，分别得到了4条横线，6条纵线，横线分别命名为a, b, c,d,纵线分别命名为1, 2, 3, 4, 5, 6. 横线与纵线的交点共24个点即为测试点（图1）. 压缩加载试验时并未发现因测试点之间距离太小造成相邻测试点终板破坏而影响试验结果.

　　图1腰椎终板表面生物力学测试的坐标系（横线与纵线的交点即为测试点） （略）

　　1.2方法利用858 mini bionixⅡ材料测试系统（MTS公司、明尼阿波尼斯，美国）对腰椎终板表面各点进行压缩测试，用固定夹具高6 cm，直径10 cm，四周以螺栓固定椎体，固定接触面覆以3 mm厚的胶皮以保护椎体，用直径1.5 mm的半球形压头以12 mm/min的速度垂直于终板表面在每个测试点进行连续压缩加载试验，计算机记录压缩力?位移曲线，在最大压缩力(最大破坏载荷)下降5%后停止加载，于实验机上读取最大压缩力数值.

　　统计学处理：测试结果用x±s表示，应用SPSS13.0统计软件对数据进行统计学分析，采用析因分析对最大压缩力的分布规律进行统计分析，终板的横线和纵线作为两个因素，分析椎体节段间最大压缩力的差异时将椎体节段作为第三个因素，分析椎体上下终板之间的差异时应用配对t检验进行统计学分析，显著性水平设为双侧α=0.05，对节段、横线、纵线之间的最大压缩力进行SNK检验，显著性水平设为双侧α=0.05.

　　2结果

　　2.1腰椎节段间最大压缩力的分布规律对腰椎各节段上终板平面进行析因分析，发现L1-L3与L4-L5 上终板平面最大压缩力差异具有统计学意义（P＜0.05，图2A），对腰椎各节段下终板平面进行析因分析，发现L1-L2与L3-L5下终板平面最大压缩力的差异具有统计学意义（P＜0.05,图2B），腰椎终板平面最大压缩力由上到下有逐渐增大的趋势.

　　A：上终板平面； B：下终板平面.
　　
　　图2腰椎各节段最大压缩力平均值（略）

　　2.2腰椎终板平面最大压缩力分布规律对腰椎上终板平面各组分进行析因分析，发现L1-L5腰椎上终板平面横线a与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05），纵线1, 6与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05，图3A）. 对腰椎下终板平面各组分进行析因分析，发现L1-L5下终板平面横线a与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05），纵线3, 4线与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05，图3B）. 通过以上的统计学分析可发现腰椎终板平面外周部的最大抗压力大于中央部，由前向后腰椎终板平面最大抗压力有逐渐增大的趋势，腰椎终板的最大抗压力部位应位于终板的后外侧部.

　　A：上平面； B：下平面.

　　图3腰椎终板横点平面最大压缩力分布（略）

　　2.3腰椎各节段上、下终板平面最大压缩力的比较分别对腰椎标本各节段上、下终板平面最大压缩力进行配对t检验分析，结果显示L3-L5上、下终板的最大压缩力差异均有统计学意义（P＜0.05），余椎体差异无统计学意义（表1）.

　　表1腰椎各节段上、下终板平面最大压缩力（略）
　　
　　3讨论
　　
　　终板是位于椎体上下面的皮质外层结构. 椎体终板在临床上有着极为重要的意义，椎体的松质骨强度很小，椎间植骨融合时，保留终板非常重要，能有效增加椎体的抗压强度，防止植骨块沉陷，同时还可以减少后突畸形，维持椎间高度. 因而研究终板的生物力学特性对于指导临床手术操作以及改进手术器械的设计具有十分重要的意义. Oxland等［4］认为椎体终板能够将压力平衡分布于其下的松质骨上，从而使椎体的抗压强度增大，如果将终板去除，椎体最大抗压力会下降33%，但这只是将椎体作为一个整体进行垂直压缩，因而无法了解椎体终板表面的生物力学强度. Grant等［5］的研究中选取了65个完整的终板平面（L3-S1），每个终板平面确定了27个测试点，用直径3 mm的半球形压头以0.2 mm/s的速度对终板表面垂直下压，通过最大压缩力?位移曲线确定最大抗压强度，最后得出结论椎体的后外侧部的生物力学强度大于中央部，终板中央部是强度最弱区. Lowe等［6］认为椎体前柱结构的完整在脊柱重建中起着十分重要的作用，而植入物的沉陷现象不仅与椎体终板表面局部区域生物力学性质有关而且与植入物的形状、构造、术中是否保留终板有关，他们通过对尸体胸腰椎标本（T1-L5）分成3组，前两组用不同构造的压入物在终板表面进行生物力学测试，最后一组进行保留与不保留椎体终板的生物力学实验，通过统计学分析后得出结论终板的后外侧区是最能抵抗植入物沉陷的部位，而中央区则是沉陷最易发生的部位，大直径的实心的植入物不易发生沉陷，而中空结构的植入物较易发生沉陷，认为这与中空结构更易传导压力有关，同时又指出部分保留终板更有优势，因为这样既可以提供足够的生物力学强度，又有利于血管的长入以利融合. Kumar 等［7］用2维的有限元模型结合4种常用的融合器样式分析了脊椎融合相邻节段终板表面应力分布，最后得出结论融合器与终板表面的接触面积越大产生的应力越小，要提高手术的成功率应尽可能的使植入物对终板平面的应力接近生理模式. Labrom 等［8］的研究中分别将钛网融合器置于腰骶椎标本（L3-S1）终板平面的不同位置进行压缩试验，统计学分析实验数据后得出结论：终板后外侧区比中央区具有更大的生物力学强度. 我们采用了Grant的实验方法，在每个终板表面直接建立坐标系，避免了因椎体不规则及大小不同对测试点选择的影响，实验更具可比性，总共设置了4条横线，6条纵线，共24个测试点. 采用的半球形压头直径为1.5 mm，速度为12 mm/min，这样即可避免了过快造成骨破坏又可以防止过慢造成骨蠕变的情况发生. 采用直径1.5 mm的半球形压头提高了实验的灵敏性，同时还可以有效防止压头落入血管襻，在试验中未发现点与点之间互相干扰影响实验结果的情况. 本研究结果进一步证实了腰椎终板的生物力学强度外周部大于中央部，同时发现腰椎终板平面生物力学强度由前向后有增大的趋势，因而在设计椎间融合器时或进行自体骨移植手术时可将植入物尽量靠近椎体后方放置，但勿超出椎体后缘以免压迫脊髓. 同时研究还表明下腰椎上终板的生物力学强度小于下终板，因而在进行腰椎前路融合术时尤其要警惕上终板平面植入物沉陷的发生，可以考虑将椎间融合器设计为楔形，这样可以增大融合器与终板的接触以增加界面固定力同时也可以减小对终板的损伤以降低术后沉陷的发生.

【】
  　［1］ Lim TH, Kwon H, Jeon CH, et al. Effect of endplate conditions and bone mineral density on the compressive strength of the graft?endplate interface in anterior cervical spine fusion ［J］. Spine, 2001, 26:951-956.

　　［2］ Adam C, Pearcy M, McCombe P. Stress analysis of interbody fusion?finite element modelling of intervertebral implant and vertebral body ［J］.Clin Biomech, 2003, 18:265-272.

　　［3］ Polikeit A, Ferguson SJ, Nolte LP, et al. The importance of the endplate for interbody cages in the lumbar spine［J］. Eur Spine J, 2003, 12:556-561.

　　［4］ Oxland TR, Grant JP, Dvorak MF, et al. Effects of endplate removal on the structural properties of the lower lumbar vertebral bodies［J］. Spine, 2003,28:771-777.

　　［5］ Grant JP, Oxland TR, Dvorak MF. Mapping the structural properties of the lumbosacral vertebral endplates［J］. Spine, 2001,26:889-896.

　　［6］ Lowe TG, Hashim S, Wilson LA, et al. A biomechanical study of regional endplate strength and cage morphology as it relates to structural interbody support ［J］. Spine, 2004,29:2389-2394.

　　［7］ Kumar N, Judith MR, Kumar A, et al. Analysis of stress distribution in lumbar interbody fusion［J］. Spine, 2005, 30:1731-1735.

　　［8］ Labrom RD, Tan JS, Reilly CW，et al. The effect of interbody cage positioning on lumbosacral vertebral endplate failure in compression［J］. Spine, 2005, 30:E556-561.