胸腰段椎体内压力分布与骨折的相关性研究
胸腰段椎体内压力分布与骨折的相关性研究
徐又佳 郑祖根 董启榕 成茂华 沈忆新
摘 要 目的 探讨人体胸腰段椎体内部受力情况并进行相关临床问题研究。 方法 采用7具湿润人体脊柱胸腰段标本(T11～L3)，在L1椎体中段水平截断，断端间隙放置超低压型压敏膜，对整个标本进行轴向、前屈加载测试。压敏膜图像运用图像处理系统分析。 结果 椎体在轴向加载和前屈加载时，内在压力分布不同，压力中心不同，轴向加载时椎体后部中央压力反应最显著，前屈加载时椎体前部中央压力反应最显著。 结论 胸腰段椎体不同内部受压情况直接影响椎体骨折类型，与临床上椎前高压缩而椎管占位轻、椎管占位重而椎前高变化小有密切关系。临床治疗中恢复椎体高度核心是保证椎体内骨组织受力结构恢复。
, 百拇医药
关键词：脊柱骨折；生物力学；压力，椎体内
脊椎的椎体内有纵、横两种呈90° 交叉排列的骨小梁。在压力载荷下，椎体内部会发生压力分配，椎体可发生变形，当变形超过椎体组织内在的屈服极限即将产生骨组织破裂(骨折)[1]。骨组织的破裂与外力有关，但却是内反应力(internal reaction force)变化的直接结果。已知脊椎皮质骨可传导外力作用，但内反应力变化如何？是否与骨折类型有关？对临床工作有何意义？目前尚无有关文献报道。笔者运用日本富士公司提供的压敏膜 (fuji prescale film) 对椎体在不同受压情况下内反应力(内部压力)分配进行比较，并探讨其临床意义。
材料与方法
1. 实验标本：湿润人体脊柱胸腰段标本7具。每具标本包括T11～L3，保留骨性结构、韧带和关节囊组织，去除肌肉。标本均经X线透视排除疾患，每具标本在L1椎体中段用小号线锯水平截骨，范围从椎体前缘至椎体后缘。
, http://www.100md.com
2. 压敏膜原理与方法：压敏膜由甲、乙 2层薄膜组成。甲层为含红色显色剂的超微小球，乙层为均匀排列的超微针尖结构。甲、乙两膜合二为一后，在一定的压力下，甲层超微小球被乙层超微针尖刺破，压敏膜就有一定范围的红染区域；压力大小不同，压敏膜的红染深浅不同。据此压敏膜可测定在允许的压力范围内某一平面压力的分布情况。本实验选用压敏膜中超低压类型(super low pressure measurement)，压力测定范围493～2 452 kPa/cm2, 湿度要求20%～90%。将甲、乙 2层重叠，裁剪成方形(比椎体截面大)，装在塑料薄膜袋中，以防测试中骨组织油性物质污染。每次测压前用1张压敏膜放置在L1椎体中段(图1)，每次载荷间隔休息5 min。
3. 实验方法：本实验使用WE-10A型万能试验机。将标本固定在实验座台上，加载方法为2种：轴向压缩、前屈压缩，加载等级为400，600,800,1 000 N。
, http://www.100md.com 4. 椎体内压力图像处理：将不同工况、不同载荷下的压敏膜受压变化图像输入多功能真彩色图像分析系统(CMIAS-008，北京航空航天大学图像中心提供)。运用同一阳性指标值对每一图像采用软件处理，获取阳性面积、阳性个数、面密度值。
图1 压敏膜结构及测试方法示意图
5. 统计场面积划分：本研究目的是分析椎体内压力分布，故统计场面积不包括椎体边缘皮质骨阳性反映区域。将椎体平面矢状轴与椎体前缘、后缘交叉点(A、B点)之间距离 (L)10等分，在前缘1∶9处(C点)作矢状轴垂线交椎体边缘2点M、N。以MN长度和CB长度作椎体内矩形，矩形内再分割成前后3行、左右3列、9个面积相等的椎体内统计场面积Ⅰ～Ⅸ区(图2)。
, 百拇医药
图2 椎体内统计场面积划分示意图
6. 统计学处理：收集每次压敏膜图像处理后9个区域的统计场面积、阳性面积、阳性面密度值数据以X±s表示，行t检验。
结 果
本研究结果中，阳性面密度代表压敏膜单位面积中受压变化的面积比例，即阳性面积/统计场面积。在轴向加载或前屈加载载荷相同的情况下，椎体内9个统计场的阳性面均显示不等密度；载荷增加，9个阳性面密度均增加，但增加幅度各不相同。轴向加载中Ⅷ区、前屈加载中Ⅱ区始终最高，且与其他区域比较差异有显著性意义。见表1,2。
讨 论
目前关于脊椎骨折的力学损伤机制，主要是从加载速率、载荷大小两个方面进行研究[2，3]。由于外力是通过骨组织内在力量的作用才导致骨破裂，因此，研究、观察椎体内受力情况并进行相关临床问题分析就显得比较重要和新颖。
, 百拇医药
1. 椎体内受压情况：椎体在外力作用下，周围皮质及后部结构首先传导外力，椎体内受力很小。当外力增加到一定范围，椎体内部开始受力，而且受力面积不均匀，轴向加载椎体内部受力中心在Ⅷ区，属椎体后缘中央；前屈加载椎体内部受力中心在Ⅱ区，属椎体前缘中央；相邻两区受压大小亦有不同，近矢状轴区大于两侧区。随着载荷增加，椎体内压力(9区)均不同程度增加。在本组最大载荷时，轴向、前屈加载分别显示后排、前排相邻3区压力接近一致。
2. 椎体内压力与骨折类型关系：临床上胸腰椎爆裂型骨折往往椎前高变化较小，脊椎中柱破裂严重，椎管内产生骨块占位；而单纯屈曲压缩骨折往往椎前高压缩严重，椎体后缘高度无变化，椎管内无占位(图3)。这些临床表现已在实验中得到重现[4]。
, http://www.100md.com
图3 骨折椎体椎前高与椎管占位关系示意图。
A：椎前高压缩而椎管无占位；B：椎前高压缩小但椎管占位多
表1 人体胸腰段椎体(L1)轴向加载下Ⅰ～Ⅸ区阳性面密度值(X±s)
载荷
(N)
标本数
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
, 百拇医药 Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
400
7
0.08±0.02*
0.13±0.04*
0.06±0.01*
0.06±0.03*
0.14±0.08*
, 百拇医药 0.05±0.02*
0.12±0.07*
0.28±0.13
0.11±0.04*
600
7
0.10±0.02*
0.20±0.09*
0.08±0.02*
0.10±0.07*
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0.21±0.11*
0.11±0.08*
0.20±0.09*
0.34±0.10
0.21±0.07*
800
7
0.14±0.07*
0.21±0.10*
0.13±0.06*
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0.21±0.05*
0.33±0.10*
0.22±0.11*
0.36±0.11*
0.41±0.13
0.36±0.11*
1000
7
0.30±0.12*
0.31±0.11*
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0.28±0.12*
0.45±0.13*
0.50±0.13*
0.46±0.11*
0.52±0.17
0.59±0.12
0.53±0.17
与Ⅷ区比较：*P<0.05表2 人体胸腰段椎体(L1)前屈加载下Ⅰ～Ⅸ区阳性面密度值(X±s)
载荷
, 百拇医药
(N)
标本数
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
400
7
0.19±0.07*
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0.27±0.10
0.20±0.08*
0.06±0.01*
0.19±0.10*
0.05±0.01*
0.05±0.02*
0.11±0.01*
0.05±0.01*
600
7
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0.26±0.09*
0.30±0.11
0.27±0.07*
0.16±0.05*
0.21±0.08*
0.17±0.04*
0.12±0.01*
0.16±0.03*
0.11±0.02*
, http://www.100md.com 800
7
0.37±0.11*
0.47±0.14
0.38±0.11*
0.29±0.07*
0.34±0.11*
0.30±0.09*
0.22±0.11*
0.25±0.10*
, 百拇医药
0.21±0.09*
1000
7
0.57±0.09
0.61±0.17
0.58±0.14
0.43±0.10*
0.52±0.13*
0.44±0.12*
0.23±0.09*
0.30±0.11*
, 百拇医药
0.23±0.11*
与Ⅱ区比较：*P<0.05针对这类现象产生的原因，有学者在骨折椎体大体观察后认为，爆裂型骨折时，椎体上终板破裂发生在中央偏后部分[5]。结合本研究结果，可以认为两种骨折类型产生的核心是不同外力导致椎体内受压中心的变化。在骨的生物力学范畴中，力与变形之间动态关系影响着骨的结构行为(structural behavior)，椎体在受压后可产生变形并发生破裂。变形时直径增大，高度减小；破裂时其骨结构损伤范围与内压力中心有关，压力中心周围骨组织多则载荷能量吸收多，中心周围骨组织少则边缘破裂来替代载荷能量吸收。当椎体内压力中心靠近后缘时，后缘皮质容易被内在压力所影响，产生椎管占位；当压力中心靠近前缘皮质时，由于椎体中柱的大部分骨组织可逐级吸收能量，前缘压缩而后缘皮质破裂较少，因而产生楔形变。
3. 椎体内压力对骨折治疗的启示：关于胸腰椎骨折的治疗存在两个力学相关概念。其一是术前与术后脊柱Cobb角的纠正，这主要与复位、固定原理有关；其二是远期解除内固定后椎体高度再丢失，这主要与椎体内压力有关。椎体的解剖形态是一种皮质骨包裹松质骨的组织结构。在外力传导中，单纯皮质骨组成的管型骨其内部无受力载体，也就无内压力中心变化表现。而对椎体，本研究提示：(1)内压力在不同载荷下存在从小到大变化，说明椎体在外力传导中，既需要皮质骨传导，也需要松质骨传导；(2)椎体内压力中心变动说明椎体内部与外壁在传导不同载荷时是一个动态平衡的力学过程。因此，在临床治疗中椎体高度恢复同时应确实保证椎体内松质骨组织形态恢复，不然，当骨折椎体正常承载后(去除内固定)，由于椎体内压力存在，又由于内压力中心可移动，但能量吸收、能量传导的内部结构不完整，皮质骨屈服阈值就会下降，已恢复的椎体高度可再次丢失。
, 百拇医药
目前在脊椎骨折治疗领域，前路手术往往通过植骨来恢复椎体内组织结构，单纯后路手术常常仅进行复位固定。那么关于前路手术植骨及固定的位置，后路手术怎样在椎体内部结构恢复概念上进行改进，本研究结果应该说不仅提出了一个新课题，而且也提供了一些新启示。
作者单位：徐又佳(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
郑祖根(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
董启榕(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
成茂华(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
沈忆新(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
参考文献
, http://www.100md.com
1，王以进,王介麟， 编著. 骨科生物力学. 第1版. 北京：人民军医出版社，1989.156-167.
2，Tran NT, Waston NA, Tencer AF. Mechanism of the burst fracture in the thoracolumbar spine： the effect of loading Rate. Spine, 1995,20:1984-1988.
3，Fredrickson BE, Mann KAM, Yuan HA, et al. Reduction of the intracanal fragment in experimental burst fractures. Spine, 1988,13:267-271.
4，欧阳钧，瞿文亮， 朱青安，等. 胸腰段脊柱爆裂型骨折机理及实验模型. 中华骨科杂志，1998,18:282-285.
5，Shirado O, Kaneda K, Adano S, et al. Influence of disc degeneration on mechanism of thoracolumbar burst fractures. Spine, 1992,17:286-292., http://www.100md.com
徐又佳 郑祖根 董启榕 成茂华 沈忆新
摘 要 目的 探讨人体胸腰段椎体内部受力情况并进行相关临床问题研究。 方法 采用7具湿润人体脊柱胸腰段标本(T11～L3)，在L1椎体中段水平截断，断端间隙放置超低压型压敏膜，对整个标本进行轴向、前屈加载测试。压敏膜图像运用图像处理系统分析。 结果 椎体在轴向加载和前屈加载时，内在压力分布不同，压力中心不同，轴向加载时椎体后部中央压力反应最显著，前屈加载时椎体前部中央压力反应最显著。 结论 胸腰段椎体不同内部受压情况直接影响椎体骨折类型，与临床上椎前高压缩而椎管占位轻、椎管占位重而椎前高变化小有密切关系。临床治疗中恢复椎体高度核心是保证椎体内骨组织受力结构恢复。
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关键词：脊柱骨折；生物力学；压力，椎体内
脊椎的椎体内有纵、横两种呈90° 交叉排列的骨小梁。在压力载荷下，椎体内部会发生压力分配，椎体可发生变形，当变形超过椎体组织内在的屈服极限即将产生骨组织破裂(骨折)[1]。骨组织的破裂与外力有关，但却是内反应力(internal reaction force)变化的直接结果。已知脊椎皮质骨可传导外力作用，但内反应力变化如何？是否与骨折类型有关？对临床工作有何意义？目前尚无有关文献报道。笔者运用日本富士公司提供的压敏膜 (fuji prescale film) 对椎体在不同受压情况下内反应力(内部压力)分配进行比较，并探讨其临床意义。
材料与方法
1. 实验标本：湿润人体脊柱胸腰段标本7具。每具标本包括T11～L3，保留骨性结构、韧带和关节囊组织，去除肌肉。标本均经X线透视排除疾患，每具标本在L1椎体中段用小号线锯水平截骨，范围从椎体前缘至椎体后缘。
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2. 压敏膜原理与方法：压敏膜由甲、乙 2层薄膜组成。甲层为含红色显色剂的超微小球，乙层为均匀排列的超微针尖结构。甲、乙两膜合二为一后，在一定的压力下，甲层超微小球被乙层超微针尖刺破，压敏膜就有一定范围的红染区域；压力大小不同，压敏膜的红染深浅不同。据此压敏膜可测定在允许的压力范围内某一平面压力的分布情况。本实验选用压敏膜中超低压类型(super low pressure measurement)，压力测定范围493～2 452 kPa/cm2, 湿度要求20%～90%。将甲、乙 2层重叠，裁剪成方形(比椎体截面大)，装在塑料薄膜袋中，以防测试中骨组织油性物质污染。每次测压前用1张压敏膜放置在L1椎体中段(图1)，每次载荷间隔休息5 min。
3. 实验方法：本实验使用WE-10A型万能试验机。将标本固定在实验座台上，加载方法为2种：轴向压缩、前屈压缩，加载等级为400，600,800,1 000 N。
, http://www.100md.com 4. 椎体内压力图像处理：将不同工况、不同载荷下的压敏膜受压变化图像输入多功能真彩色图像分析系统(CMIAS-008，北京航空航天大学图像中心提供)。运用同一阳性指标值对每一图像采用软件处理，获取阳性面积、阳性个数、面密度值。
图1 压敏膜结构及测试方法示意图
5. 统计场面积划分：本研究目的是分析椎体内压力分布，故统计场面积不包括椎体边缘皮质骨阳性反映区域。将椎体平面矢状轴与椎体前缘、后缘交叉点(A、B点)之间距离 (L)10等分，在前缘1∶9处(C点)作矢状轴垂线交椎体边缘2点M、N。以MN长度和CB长度作椎体内矩形，矩形内再分割成前后3行、左右3列、9个面积相等的椎体内统计场面积Ⅰ～Ⅸ区(图2)。
, 百拇医药
图2 椎体内统计场面积划分示意图
6. 统计学处理：收集每次压敏膜图像处理后9个区域的统计场面积、阳性面积、阳性面密度值数据以X±s表示，行t检验。
结 果
本研究结果中，阳性面密度代表压敏膜单位面积中受压变化的面积比例，即阳性面积/统计场面积。在轴向加载或前屈加载载荷相同的情况下，椎体内9个统计场的阳性面均显示不等密度；载荷增加，9个阳性面密度均增加，但增加幅度各不相同。轴向加载中Ⅷ区、前屈加载中Ⅱ区始终最高，且与其他区域比较差异有显著性意义。见表1,2。
讨 论
目前关于脊椎骨折的力学损伤机制，主要是从加载速率、载荷大小两个方面进行研究[2，3]。由于外力是通过骨组织内在力量的作用才导致骨破裂，因此，研究、观察椎体内受力情况并进行相关临床问题分析就显得比较重要和新颖。
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1. 椎体内受压情况：椎体在外力作用下，周围皮质及后部结构首先传导外力，椎体内受力很小。当外力增加到一定范围，椎体内部开始受力，而且受力面积不均匀，轴向加载椎体内部受力中心在Ⅷ区，属椎体后缘中央；前屈加载椎体内部受力中心在Ⅱ区，属椎体前缘中央；相邻两区受压大小亦有不同，近矢状轴区大于两侧区。随着载荷增加，椎体内压力(9区)均不同程度增加。在本组最大载荷时，轴向、前屈加载分别显示后排、前排相邻3区压力接近一致。
2. 椎体内压力与骨折类型关系：临床上胸腰椎爆裂型骨折往往椎前高变化较小，脊椎中柱破裂严重，椎管内产生骨块占位；而单纯屈曲压缩骨折往往椎前高压缩严重，椎体后缘高度无变化，椎管内无占位(图3)。这些临床表现已在实验中得到重现[4]。
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图3 骨折椎体椎前高与椎管占位关系示意图。
A：椎前高压缩而椎管无占位；B：椎前高压缩小但椎管占位多
表1 人体胸腰段椎体(L1)轴向加载下Ⅰ～Ⅸ区阳性面密度值(X±s)
载荷
(N)
标本数
Ⅰ
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0.08±0.02*
0.13±0.04*
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0.28±0.13
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0.20±0.09*
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0.28±0.12*
0.45±0.13*
0.50±0.13*
0.46±0.11*
0.52±0.17
0.59±0.12
0.53±0.17
与Ⅷ区比较：*P<0.05表2 人体胸腰段椎体(L1)前屈加载下Ⅰ～Ⅸ区阳性面密度值(X±s)
载荷
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(N)
标本数
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
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0.19±0.07*
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0.27±0.10
0.20±0.08*
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0.30±0.11*
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与Ⅱ区比较：*P<0.05针对这类现象产生的原因，有学者在骨折椎体大体观察后认为，爆裂型骨折时，椎体上终板破裂发生在中央偏后部分[5]。结合本研究结果，可以认为两种骨折类型产生的核心是不同外力导致椎体内受压中心的变化。在骨的生物力学范畴中，力与变形之间动态关系影响着骨的结构行为(structural behavior)，椎体在受压后可产生变形并发生破裂。变形时直径增大，高度减小；破裂时其骨结构损伤范围与内压力中心有关，压力中心周围骨组织多则载荷能量吸收多，中心周围骨组织少则边缘破裂来替代载荷能量吸收。当椎体内压力中心靠近后缘时，后缘皮质容易被内在压力所影响，产生椎管占位；当压力中心靠近前缘皮质时，由于椎体中柱的大部分骨组织可逐级吸收能量，前缘压缩而后缘皮质破裂较少，因而产生楔形变。
3. 椎体内压力对骨折治疗的启示：关于胸腰椎骨折的治疗存在两个力学相关概念。其一是术前与术后脊柱Cobb角的纠正，这主要与复位、固定原理有关；其二是远期解除内固定后椎体高度再丢失，这主要与椎体内压力有关。椎体的解剖形态是一种皮质骨包裹松质骨的组织结构。在外力传导中，单纯皮质骨组成的管型骨其内部无受力载体，也就无内压力中心变化表现。而对椎体，本研究提示：(1)内压力在不同载荷下存在从小到大变化，说明椎体在外力传导中，既需要皮质骨传导，也需要松质骨传导；(2)椎体内压力中心变动说明椎体内部与外壁在传导不同载荷时是一个动态平衡的力学过程。因此，在临床治疗中椎体高度恢复同时应确实保证椎体内松质骨组织形态恢复，不然，当骨折椎体正常承载后(去除内固定)，由于椎体内压力存在，又由于内压力中心可移动，但能量吸收、能量传导的内部结构不完整，皮质骨屈服阈值就会下降，已恢复的椎体高度可再次丢失。
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目前在脊椎骨折治疗领域，前路手术往往通过植骨来恢复椎体内组织结构，单纯后路手术常常仅进行复位固定。那么关于前路手术植骨及固定的位置，后路手术怎样在椎体内部结构恢复概念上进行改进，本研究结果应该说不仅提出了一个新课题，而且也提供了一些新启示。
作者单位：徐又佳(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
郑祖根(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
董启榕(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
成茂华(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
沈忆新(苏州大学医学院第二附属医院骨科 215004)
参考文献
, http://www.100md.com
1，王以进,王介麟， 编著. 骨科生物力学. 第1版. 北京：人民军医出版社，1989.156-167.
2，Tran NT, Waston NA, Tencer AF. Mechanism of the burst fracture in the thoracolumbar spine： the effect of loading Rate. Spine, 1995,20:1984-1988.
3，Fredrickson BE, Mann KAM, Yuan HA, et al. Reduction of the intracanal fragment in experimental burst fractures. Spine, 1988,13:267-271.
4，欧阳钧，瞿文亮， 朱青安，等. 胸腰段脊柱爆裂型骨折机理及实验模型. 中华骨科杂志，1998,18:282-285.
5，Shirado O, Kaneda K, Adano S, et al. Influence of disc degeneration on mechanism of thoracolumbar burst fractures. Spine, 1992,17:286-292., http://www.100md.com