可控应力轴向诱导山羊腰椎间盘退变的实验研究

， ， ，， ， ， ，王军*

(1.南华大学附属第一医院疼痛科，湖南 衡阳 421001；2.南华大学附属第一医院脊柱外科)

椎间盘退变(Interbody Disc Degeneration,IDD)性腰痛的因素有许多，异常压缩应力则是主要因素之一[1]。国内外学者认为异常的压缩应力负荷主要通过影响椎间盘的营养供应，从而加速IDD，引发一系列症状[2]。为了探寻轴向压缩应力与IDD之间的联系，构建了鼠、兔等IDD动物模型，Maclean等[3]用Ilizarov-type加压装置对大鼠尾部第8/9椎间盘进行轴向加压，成功构建了大鼠IDD模型。张载清，等[4]自行研制出一套弹簧夹对兔椎间盘进行在体加压，分别从影像学与组织学上观察到了IDD征象。但是鼠、兔等小型动物的椎体、椎间盘较小，通过放射手段获得的IDD影像资料不够清晰，难以辨别。而山羊此类大型动物椎体大、椎间盘面积大，以山羊为对象进行实验，在进行影像学观察时能更清晰的辨认IDD征象，并且山羊椎间盘与人体椎间盘结构相似度更高[5]，因此，在探索轴向压缩应力与IDD关系的研究中，选取山羊作为实验动物较鼠、兔等小型动物有着更大的优势。本研究在此基础上，自行研制了一套轴向加压装置(可控应力器)对山羊腰4/5椎间盘进行轴向加压，定期观察可控应力对山羊IDD的影像学变化，现报告如下。

1 材料与方法

1.1可控应力器的结构可控应力器由可控加压装置和量化平台部份组成。可控加压装置由二根克氏针和二个伸缩固定臂组成，为钛合金材料，每个伸缩固定臂通过连接扣固定在克氏针端头组成平行四方形状,由常州华森医疗器械有限公司生产(图1)。 量化平台由数显式推拉力计调节座，固定扣，量化平台底板构成。数显式推拉力计，由扬州中科技量仪器有限公司生产(SH-200)，是一种小型简便多功能高精度的推力、拉力测试仪器，可测量范围为 0.1-200N(图2)。

图1 可控应力装置实物图A：克氏针， B：伸缩固定臂，C：连接扣，D：内六角螺杆

图2 量化平台实物图A：固定钩， B：拉力钩， C：量化平台底板，D：数显式推拉力计调节座， E：数显式推拉力计

1.2轴向加压与量化方法

轴向加压：可控加压装置的二根平行克氏针穿过山羊腰椎间盘上下椎体(L4、5)，伸缩固定臂螺杆一端为内六角，顺时针旋转可使螺杆上的连接扣带动二根克氏针变窄，克氏针发生形变产生压缩应力并通过上下椎体对椎间盘进行轴向加压，压缩过程中应保持左右两侧连接扣的间距一致。

应力量化：在量化平台上固定一个与山羊体内结构相同的可控加压装置。可控加压装置的克氏针一根固定在量化平台固定钩上，一根固定在数显式推拉力计上(图3C)。在进行压缩应力量化时，应确保量化平台的可控加压装置的两个连接扣间距与山羊体内可两个连接扣间距完全相同。具体量化步骤如下：(1)可控加压装置安装在山羊的L4、5椎体以后，用卡尺测量相互平行伸缩固定臂、克氏针的间距并记录，然后调整量化平台上的相互平行伸缩固定臂、克氏针的间距使两平行四边形结构完全相同。(2)一边顺时针旋转双侧伸缩固定臂的螺杆，一边观察数显式推拉力计所显示的数值为40N时，平行克氏针弯曲形变，相向压缩,停止旋转双侧伸缩固定臂螺杆，测量并记录两个连接扣间距，调节山羊伸缩固定臂的两个连接扣，使其间距与量化平台上两个连接扣间距相等，这样山羊体内平行克氏针也会相向压缩弯曲形变，继而对山羊L4、5椎体产生压缩应力。(3)由于山羊体内与量化平台上的可控加压装置结构完全相同，因此两平行克氏针给山羊椎体施加压缩应力也是完全相同的。当量化平台上推拉力计显示压缩应力为40N时，量化到山羊体内可控加压装置的压缩应力也是40N。

1.3动物实验及影像学检查选取6～8个月成年健康山羊16只(由南华大学动物部提供)，雌雄不限，体重25～30 kg，随机分为加压组8只，对照组8只，山羊取俯卧位，四肢固定于自制手术木架上(图3A)，C臂机定位至山羊L4、5椎体，予盐酸利多卡因由皮下至骨膜逐层浸润麻醉，麻醉成功后取L4、L5横突外侧根部与椎体交界处向下1 mm为进针点，两根克氏针经皮横穿椎体，克氏针与山羊脊柱的纵轴垂直，且相互平行，穿刺满意后，在克氏针体外两端安装伸缩固定臂(图3B)，采用1.2所述方法将加压组8只山羊所受的轴向压缩应力大小调至40 N，对照组仅安装加压器，不予加压。术后均予青霉素预防感染，定期行伤口换药。2组动物在相同条件下喂养，于术后第4周、第8周行X线、MRI检查。为防止实验动物活动对摄片产生影响，所有实验动物采用陆眠宁(南华大学动物学部提供)肌肉注射麻醉[6]，麻醉成功后取右侧卧位与俯卧位分别进行X线与MRI检查(南华大学附属第一医院放射科)，均以实验节段(L4/5)为中心。

图3 实验过程A：山羊固定在自制木架上； B：可控应力装置成功安装大体照； C：量化平台量化可控应力

图4 椎间隙变化比较A：对照组椎间隙； B：加压组第4周椎间隙；C：加压组第8周椎间隙. DHI：椎间盘前中后缘高度之和*2/上下相邻椎体前中后缘高度之和Pfirrmann分级：分Ⅰ～V级，Ⅰ、Ⅱ级为正常椎间盘，Ⅲ级以上为退变椎间盘，等级越高，退变程度则越高

图5 磁共振检查结果比较(第4周)A：对照组椎间盘矢状位；B：对照组椎间盘横断面；C：加压组椎间盘矢状位；D：加压组椎间盘横断面

2 结 果

所有动物实验后规律换药，均未发生感染，所有动物存活完好，四肢活动良好，两组于术后第4周、第8周行X线、MRI检查，并进行观察分析。 对照组第4周DHI(8.87±0.22)，第8周DHI(8.83±0.22)，未发生明显变化，未见明显椎间隙塌陷；两次MRI结果表明对照组所有山羊椎间盘Pfirrmann分级均为I级，未观察到明显影像学退变征象。第4周时，加压组DHI(8.67±0.23)较对照组减小，虽无统计学差异，但仍能观察到加压组椎间隙高度降低，磁共振Pfirrmann分级显示：Ⅲ级6只，Ⅱ级2只，P<0.05，差异存在统计学意义；第8周时，加压组DHI(6.10±0.35)较对照组明显减小，椎间隙高度明显下降，P<0.05，差异存在统计学意义，磁共振Pfirrmann分级显示：Ⅳ级5只，Ⅲ级3只，P<0.05，差异存在统计学意义。两组DHI比较结果见表1，两组MRI片Pfirrmann分级统计结果见表2、3。

表1 两组术后DHI比较(%)

与对照组相比，aP<0.05

表2 两组术后第4周Pfirrmann分级结果比较

与对照组相比，aP<0.05

表3 两组术后第8周Pfirrmann分级结果比较

与对照组相比，aP<0.05

3 讨 论

人类的椎间盘所受到的主要应力为压缩应力，当压缩负荷过高时，则会影响营养物质在椎间盘内的扩散，从而影响椎间盘的代谢，进而出现一系列细胞生物行为学的变化，例如基质合成减少，炎性因子分泌增加等等，加速IDD发展[9]。本研究创新性地采取了大型哺乳动物—山羊为实验对象，采用自行研制的可控应力器，通过产生一种可控的、量化的轴向压缩应力诱导山羊椎间盘发生退变，通过影像学(X线和MRI)观察其IDD征象。

3.1可控应力器轴向诱导山羊IDD 本研究自行研制一套可控应力器对山羊腰椎间盘进行轴向压缩诱导，通过两侧伸缩固定臂的螺杆旋转缩短带动两根克氏针发生形变，产生压缩应力，应力通过椎体传导至椎间盘，这种间接加压方法使得椎间盘受力更加均匀，并且可控应力器中配套设计了应力量化平台，可对压缩应力进行调控和读取，调控范围0～200 N，使轴向压缩更为精确。本实验中采用的可控应力器与国内王琦、张载清等[4]构建大白兔IDD模型中所用的可控应力外固定器械装置比较具有以下特点：(1)可控加压装置和量化平台为两个独立的构件，量化平台可将两根克氏针形变所产生的压缩应力转化为数显推拉力计上具体的数值，然后再将安装在山羊椎体上的加压器调节到与之相同的形变量，以此完成对压缩应力的调控和读取，这种加压器不需借助其他动力源，仅靠克氏针形变便能完成加压，使得山羊椎体上加压装置结构简化、小巧轻便，对动物活动影响较小，山羊安装后不存在负重生活的情况。(2)可控加压器为平行四边形的结构，两侧伸缩固定臂的螺杆可以通过顺时或逆时旋转,使克氏针产生方向相反的两种形变，具有加压、牵张应力的转换功能。当两伸缩固定臂等距离顺时旋转时，两平行克氏针相向弯曲产生压缩应力；当两伸缩固定臂等距离逆时旋转时，两平行克氏针反向弯曲产生牵张应力。(3)可控加压器材料为钛金属，可根据需要对山羊进行体内、体外固定，同时可以不拆除可控加压装置直接行MRI检查。实验中采用经皮穿刺的方法安装可控加压装置(图3B)，创伤小，手术风险低，降低了术后感染率，从而提高了实验成功率。(4)可控应力器所产生的压缩应力是通过量化平台精准量化后再施加到山羊椎体上的，具有精确性和可调节性。在精确性上。张载清，等[4]所研制的可控应力外固定加压装置是靠不同规格的弹簧夹子进行加压，首先在测试平台上设定好弹簧压缩所产生的力，然后通过弹簧夹子对横穿于实验动物椎体的克氏针进行压缩，在这个过程中，除了弹簧夹子所产生的力以外，椎体实际上还受到了克氏针形变所产生的压缩应力，而本研究中所研制的可控加压器所产生的压缩应力全部来自于克氏针形变，减少了其他因素的干扰，配合量化平台的使用，在一定程度上提高了加压器的精确度。在可调节性上，两种加压装置均具有可调节性，但前者需要通过更换不同规格的弹簧夹子来完成对压缩应力的调控，操作较复杂。本研究所采用的加压器可直接通过顺时旋转两侧伸缩固定臂即可完成压缩应力的调控，操作简单、方便。

3.2压缩应力诱导山羊IDD的X线征象X线是临床上常用的辅助检查手段，具有经济、方便等优势[10]。X线片的改变往往是诊断IDD性疾病不可缺少的依据，如：椎间隙楔形变、椎间隙狭窄、软骨终板钙化、骨质增生等，都是IDD的特征性变化。椎间盘由髓核与纤维环构成，髓核组织富含水分与胶原蛋白，具有弹性，纤维环包绕髓核，维持髓核形态，两者共同发挥着负重和轴承的作用。在椎间盘受到异常的压缩负荷初始，髓核细胞能通过形变缓冲压力，将压力均匀分散至整个椎间盘，以维持正常的形态与代谢，但长期的压缩负荷则会导致椎间盘内营养供应不足，髓核内多糖蛋白、水分等含量降低，髓核细胞体积减小，承担及分配压力的能力降低，因此在退变的椎间盘中，纤维环成为主要承重部位，且不均匀，最后由于髓核细胞体积的缩小、纤维环所受压力增大，椎间盘厚度便薄，在X线上则体现为椎间隙高度下降，出现椎间隙楔形变以及椎间隙狭窄。长期受压之后还会出现软骨终板的钙质沉积，出现钙化；加速脊柱退变，在椎体前后缘发生骨质增生、骨赘形成，甚至椎间隙高度消失，出现相邻椎体融合的现象。本研究加压时间为8周，时间较短，在X线上主要观察到的是椎间隙高度的变化(如图4)，通过测量并计算椎间隙高度指数(DHI)进行分析，发现在第4周时，加压组的椎间隙高度指数已经开始下降(表1)，到第8周时，加压组的椎间隙高度指数较对照组明显降低，并且在X线片上能直观的发现椎间隙狭窄征象(图4C)，由此也说明了，随着加压时间的延伸，椎间盘高度会进一步下降，其退变的程度也更为严重。

3.3压缩应力诱导山羊IDD的MRI征象MRI是临床上软组织检查的首选，T2加权像能够清晰地显示组织含水量的变化[11]，Pfirrmann分级法则是在此基础上对椎间盘进行观察、分级。正常椎间盘其髓核组织在横断面上位于椎间盘中心，形状规整，由于富含水分，T2象呈白亮高信号；纤维环呈低信号，两者界限清晰；退变椎间盘其髓核组织仍位于椎间盘中心，但形状不规则，由于水分减少，T2象呈灰色低信号，与纤维环分界不清；严重退变者甚至出现“黑间盘”征象。在退变早期，由于压缩负荷的作用，可使椎间盘髓核组织内水分溢出，在MRI横断面上可观察到不均匀灰色影；随着IDD进一步发展，椎间盘中心高信号影的面积逐渐减小，信号变暗，纤维环则向四周扩大，矢状面上观察到椎间盘整体厚度下降；最终，可观察到纤维环出现裂纹，甚至断裂。MRI能够更确切的体现出椎间盘发生的变化，在一定程度上体现出IDD的进展过程，相比之下，MRI较X线在证实IDD上更敏感、更有说服力。两组实验动物在第4周与第8周时进行MRI检查，将两组的T2加权像进行观察比较，第4周时(如图5)，加压组表现为椎间盘变薄，但仍呈高信号(矢状面)，髓核与纤维环界限存在，但椎间盘中央高信号区面积明显缩小(横断面)，Pfirrmann分级结果：Ⅲ级6只，Ⅱ级2只；第8周时(如图6)，加压组椎间盘进一步变薄、信号变深(矢状面)；髓核与纤维环界限紊乱，甚至向后方突出(横断面)，Pfirrmann分级结果：Ⅳ级5只，Ⅲ级3只，此统计结果进一步说明了加压时间越长，退变程度越高这一规律。

总之，本研究采用自行研制的可控加压器实验诱导山羊L4/5椎间盘退变，并从影像学上进行观察分析，发现在经过为期8周的压缩负荷后，可在加压节段观察到明显的影像学IDD征象，并且随着时间的增加，退变程度有所加重，也证明了采用本实验中自行研制的可控加压器诱导山羊IDD的方法是可行的。但病理学检查仍是证实IDD的金标准[12]，因此，在加压实验完成后，仍需将实验节段椎间盘取出，进行组织病理学观察分析。

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