腰椎生物代偿性变化生物力学机理的实验研究
作者：陈更新 于柏龙 杜劲松 曲绍法
单位：哈尔滨医科大学第一临床医学院骨科(150001)
关键词：腰椎；三维运动；生物代偿性变化；生物力学
中国急救医学990405 [摘 要] 目的 通过对青老年组腰椎三维运动范围的比较研究，探讨腰椎生物代偿性变化的生物力学机理及其与老年人腰椎稳定性的关系。方法 选取15具新鲜成人男性尸体分为两组：青年组(20～30岁)7例，老年组(60～70岁)8例。切取腰椎(L1-S1)，用加载系统和计算机三维空间力学系统测量L1-S1各节段的三维运动范围。结果 老年组腰椎三维运动范围较青年组有减少趋势，在前屈时NZ有显著性差异。结论 老年人腰椎未因腰椎退变而失稳，稳定性反而加强，原因是腰椎退变刺激腰椎产生生物代偿性变化而重塑稳定。
, http://www.100md.com
The experimental study of biomechanics mechanism of lumbar vertebral biocompensatory change
Chen Gengxin,Yu Bailong,Du Jinsong,et al.
Department of Orthopaedics,the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001
[Abstract] Objective By comparatively studying the lumbar three-dimensional movement between the old and the young group,we discussed the biomechanics mechanism of lumbar vertibral bicompensatory change and its contribution to the stability of the old people.Methods Fifteen fresh adult male cadavers was divided into two groups:the young group(20～30 years old)7cases;the old group(60～70 years old)8 cases.Lumbosacral spines(L1-S1)were cut down,and three-dimensional movements under a loading system were measured with three-dimensional space mechanics computing system.Results The range of lumbar motion of the old group was lower than the young group.and there was substantial diversity at flexion.Conclusion The reason which the lumbar vertebrae of the old group is not unstable because of the lumbar degeneration,and otherwise is more stale,is that the lumbar degeneration arises biocompensatory changes which make the lumbar spine restable.
, 百拇医药
[Key words] Lumbar spine Three-dimensional movement Compensatory change Biomechanics
脊柱腰段的位置十分重要，它不仅承受相当大的应力，尤其下腰部承受的应力更大，并且具有较大的生理活动范围，因此慢性损伤引起的腰腿痛较为常见。原林等[1]研究认为，人类脊柱发育到20岁即成熟，30岁以后开始出现退变，老年人脊柱退变更加普遍。随着人群老龄化，腰椎退变性疾病愈来愈多。但现对青老年人腰椎稳定性的比较研究尚未见报告。本实验测定了青老年组尸体标本的腰椎三维运动范围，对青老年人的腰椎稳定性进行了比较研究，以探讨腰椎生物代偿性变化的生物力学机理及其与老年人腰椎稳定性的关系。
1 资料与方法
1.1 实验标本
15具新鲜成人男性尸体，分为两组：青年组7例20～30岁，老年组8例60～70岁，均无脊柱损伤或腰骶疾病史。尸体正侧位X线片显示：青年组无病理改变；老年组皆有椎体缘的增生。从尸体上切取腰1(L1)-骶1(S1)的腰段脊柱，切除脊柱周围的软组织和肌肉，完整保留相关韧带和关节囊，用双层塑料袋封闭，储存于-20℃冰箱。测试前用盛有37℃生理盐水的恒温箱解冻4小时。
, 百拇医药
1.2 加载与测量
L1上端1/4和S1下端1/4用牙托材料固定于自制万向节扭力夹俱上。然后置于Instrun万能试验机上。以S1中心为原点，在万能试验机下标定二维空间坐标，标定点X、Y、Z，得到以S1中心为原点的三维坐标轴X轴(冠状轴)、Y轴(纵轴)、Z轴(矢状轴)，在标定点固定计算机三维空间坐标参照器，在L1-S1椎体上分别固定计算机三维生理运动—屈、伸、左右侧弯、左右旋转，视正常脊柱左右结构与功能对称，左右侧弯选取左侧弯，左右旋转选取左旋转，赋与10Nm力矩，计算机采集腰椎每种运动前中立位，完成时不卸载和卸载至零三个位置各测试输入器的空间坐标(即各椎体空间坐标)，采用三维空间力学计算程序，计算出中性区范围(neutral zone,NZ)和最大运动范围(range of motion,ROM)记录。为消除L1-S1椎体粘弹性和尸体椎间盘空虚造成的误差，标本测试前用450N(约相当于体重的60%)，垂直加载2次，每次持续5分钟。
, 百拇医药
2 结果
实验结果见表1、表2、表3、表4。
表1 青老年组L1-S1各节段前屈运动范围(度，
±s)
青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
L1.2
, 百拇医药
7.58±1.32
1.55±0.31
6.53±0.94
1.24±0.23*
L2.3
8.71±1.59
1.86±0.27
7.98±1.56
1.51±0.30*
L3.4
8.65±1.74
, 百拇医药
1.94±0.38
7.92±1.53
1.49±0.24*
L4.5
8.42±1.43
1.87±0.22
7.56±1.34
1.43±0.28*
L5S1
11.59±2.26
2.04±0.35
, http://www.100md.com
9.85±0.72
1.62±0.32*
*青老年同一运动节段比较P<0.05表2 青老年组L1-S1各节段后伸运动范围(度，±s)
青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
L1.2
, 百拇医药
6.69±1.35
1.27±0.25
5.91±1.06
1.08±0.20
L2.3
4.51±0.82
1.51±0.30
4.10±0.79
1.24±0.23
L3.4
4.13±0.87
, http://www.100md.com
1.79±0.34
3.56±0.62
1.57±0.29
L4.5
4.37±0.90
1.96±0.28
3.97±0.67
1.74±0.31
L5S1
4.04±0.69
2.13±0.40
, 百拇医药
3.54±0.71
1.86±0.35
表3 青老年组L1-S1各节段左侧弯运动范围(度，±s)
青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
L1.2
, http://www.100md.com
6.17±1.25
1.35±0.29
5.74±1.16
1.10±0.19
L2.3
6.52±0.93
1.03±0.18
6.08±1.18
0.84±0.17
L3.4
6.48±1.16
, 百拇医药
1.36±0.23
6.17±1.20
1.15±0.24
L4.5
5.91±0.72
1.14±0.21
5.42±0.98
0.93±0.12
L5S1
5.06±0.98
0.92±0.16
, 百拇医药
4.79±0.76
0.81±0.18
表4 青老年组L1-S1各节段左旋转运动范围(度，±s)
青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
L1.2
, 百拇医药
4.46±0.87
1.21±0.24
4.29±0.68
1.04±0.19
L2.3
3.25±0.49
1.06±0.18
2.87±0.43
0.97±0.14
L3.4
4.16±0.73
, 百拇医药
1.09±0.20
3.60±0.61
1.05±0.20
L4.5
4.32±0.66
1.16±0.17
3.92±0.35
1.09±0.16
L5S1
7.08±1.35
1.04±0.15
, 百拇医药
6.72±1.39
0.91±0.13
从表1、2、3、4测试结果可以看出，三维运动时老年组ROM均数比青年组有降低的趋势，由于样本较少，无统计学意义。组内观察ROM：前屈运动时，L5-S1运动范围最大，L1-L2最小，其它节段运动范围大体相近；后伸运动时L1-L2最大，其它节段运动范围大致相等；左侧弯时，各节段运动范围近似；左旋转时L5-S1运动范围最大，L2-L3最小，其它节段运动范围趋势基本相同。
3 讨论
3.1 青老年组腰椎三维运动范围的比较
, 百拇医药
本实验发现老年组腰椎三维运动范围较青年组有减小的趋势，与Moll[2]通过对活体腰段的测试结果相符。Moll报告老年人比青年人腰段活动度减少50%。各节段腰椎三维运动范围，本实验结果与Yamamoto[3]用新鲜尸体测量的结果相近，只个别的节段有差异。而与Pearcy活体测量结果差距较大。其差别我们认为，仅从理论上推测，ROM无论在活体还是尸体都是相近的。但因腰部运动受强大的肌肉力量约束，意识支配下的功能储备和协调运动是基本的保护性反应，如在弯腰拾地上一支笔时，用屈髋、伸手、弯腰乃至屈膝等这些连续的几乎同时启动的动作完成，不必将腰前屈到最大程度。活体测量腰段活动亦可能因髋关节制动不完全而产生误差。但活体测量更接近正常人群总均数是毫无疑问的。尸体与人体的差别主要在于是否存在肌肉等外源性稳定因素，到目前，这些外源性稳定因素在离体实验上还没有相应的弥补手段。因此在分析离体实验结果时，不能忽略肌肉等外源性稳定因素的缺失所造成的误差，本实验也不例外。
3.2 腰椎稳定性与腰椎代偿性变化
, 百拇医药
脊柱各节段的三维运动范围由该节段上下椎骨的连接结构和椎小关节面决定，其中连接结构包括椎间盘和相关韧带。上述任何结构的改变，尤其是椎间盘和椎小关节，都有可能导致节段运动的改变，致使节段失稳。原林等研究认为，人类脊柱发育到20岁即成熟，30岁以后开始出现退变，老年人脊柱退变更加普遍。Adams[5]模拟间盘水分丢失20%以上，发现脊柱功能单位(FSU)在后伸2度时腰间盘纤维环后部出现异常应变，上椎体矢状面位移增大，提示椎间盘退变可以造成脊柱失稳。而脊柱不稳会在局部产生异常的应力刺激，进一步导致椎小关节和韧带的退变。Kirkaldy[6]对腰椎尸体解剖标本进行了研究，发现椎间盘的退变可导致椎小关节的一系列退行性改变，小关节面失去平滑，关节软骨磨损、破坏、以致缺失，关节囊松弛，并证实这些变化会进一步加重腰椎稳定性的下降。但是，腰椎退变是进行性的、不可逆的，腰椎不稳是腰椎退变过程中的一个阶段，腰椎失稳可刺激腰椎进一步产生多种代偿性变化而重新达到相对稳定。许多研究发现[7～9]，随着脊柱退变的发展，会出现关节突，关节增生肥大，关节囊肥厚，而限制腰椎的活动，甚至出现纤维性强直或骨性强直；退变韧带在异常应力下易发生微折，之后再生修复，代偿性地肥厚、甚至骨化；椎体出现牵张性骨赘，使椎体与椎间盘的接触面积增大，椎间盘纤维环外层承受的压力减小。本实验老年组腰椎标本X线片皆显示有椎体缘的增生。上述这些生物代偿性变化都会造成腰椎三维运动范围的减少。本实验结果显示，老年组ROM均数比青年组有减少的趋势，证实了这一观点。我们认为这种退变、代偿的交替存在是老年人维持腰椎稳定的调节机制。我们对NZ的测试结果表明，老年组较青年组有减少的趋势，前屈运动时有统计学差异，揭示后纵韧带、黄韧带和棘间、棘上韧带对控制前屈运动起着重要的作用。对于老年人腰椎各种运动下腰椎各部位结构的生物力学性能有待进一步的研究。
, 百拇医药
本课题为黑龙江省自然科学基金资助项目
参考文献
1 原林，吴望一.脊柱稳定性临床生物力学的研究概况.国外医学生物医学工程分册，1988，11(1)：14
2 Moll JMH,Wright V.Normal range of spinal mobility.An Objective Clinical Study.Ann Rheum Dis,1971,30:381
3 Yamamoto I,Panjabi MM.Three-dimensional movements of the whole lumbar spinal and lumbosacral joint.Spine,1988,14:1256
4 Pearcy M,Portek I.Three-dimensional X-ray analysis of normal movement in the lumbar spine.Spine,1984,9:294
, 百拇医药
5 Adams MA,Mcminan DW.Sustained loading generates stress co-
ncentrations lumbar intervertebal discs.Spine,1996,21(4):434
6 Kirkaldy Willis.Pathology and pathogenesis of lumbar spondylosis and stenosis.Spine,1978,3:319
7 Taylor JR.Age change in lumbar zygapophyseal joints.Spine,1986,11:739
8 Spencer DL.Mechanisms of nerve root compression due to a herniated disc.The Lumbar Spine.Saunders phiadephia.1990.141
9 Farfan HF.The pathological anatomy of degenerative spondlolisthesis.A cadaver study.Spine,1980,5:412
(收稿：1998-07-20，修回：1999-03-10), http://www.100md.com
单位：哈尔滨医科大学第一临床医学院骨科(150001)
关键词：腰椎；三维运动；生物代偿性变化；生物力学
中国急救医学990405 [摘 要] 目的 通过对青老年组腰椎三维运动范围的比较研究，探讨腰椎生物代偿性变化的生物力学机理及其与老年人腰椎稳定性的关系。方法 选取15具新鲜成人男性尸体分为两组：青年组(20～30岁)7例，老年组(60～70岁)8例。切取腰椎(L1-S1)，用加载系统和计算机三维空间力学系统测量L1-S1各节段的三维运动范围。结果 老年组腰椎三维运动范围较青年组有减少趋势，在前屈时NZ有显著性差异。结论 老年人腰椎未因腰椎退变而失稳，稳定性反而加强，原因是腰椎退变刺激腰椎产生生物代偿性变化而重塑稳定。
, http://www.100md.com
The experimental study of biomechanics mechanism of lumbar vertebral biocompensatory change
Chen Gengxin,Yu Bailong,Du Jinsong,et al.
Department of Orthopaedics,the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001
[Abstract] Objective By comparatively studying the lumbar three-dimensional movement between the old and the young group,we discussed the biomechanics mechanism of lumbar vertibral bicompensatory change and its contribution to the stability of the old people.Methods Fifteen fresh adult male cadavers was divided into two groups:the young group(20～30 years old)7cases;the old group(60～70 years old)8 cases.Lumbosacral spines(L1-S1)were cut down,and three-dimensional movements under a loading system were measured with three-dimensional space mechanics computing system.Results The range of lumbar motion of the old group was lower than the young group.and there was substantial diversity at flexion.Conclusion The reason which the lumbar vertebrae of the old group is not unstable because of the lumbar degeneration,and otherwise is more stale,is that the lumbar degeneration arises biocompensatory changes which make the lumbar spine restable.
, 百拇医药
[Key words] Lumbar spine Three-dimensional movement Compensatory change Biomechanics
脊柱腰段的位置十分重要，它不仅承受相当大的应力，尤其下腰部承受的应力更大，并且具有较大的生理活动范围，因此慢性损伤引起的腰腿痛较为常见。原林等[1]研究认为，人类脊柱发育到20岁即成熟，30岁以后开始出现退变，老年人脊柱退变更加普遍。随着人群老龄化，腰椎退变性疾病愈来愈多。但现对青老年人腰椎稳定性的比较研究尚未见报告。本实验测定了青老年组尸体标本的腰椎三维运动范围，对青老年人的腰椎稳定性进行了比较研究，以探讨腰椎生物代偿性变化的生物力学机理及其与老年人腰椎稳定性的关系。
1 资料与方法
1.1 实验标本
15具新鲜成人男性尸体，分为两组：青年组7例20～30岁，老年组8例60～70岁，均无脊柱损伤或腰骶疾病史。尸体正侧位X线片显示：青年组无病理改变；老年组皆有椎体缘的增生。从尸体上切取腰1(L1)-骶1(S1)的腰段脊柱，切除脊柱周围的软组织和肌肉，完整保留相关韧带和关节囊，用双层塑料袋封闭，储存于-20℃冰箱。测试前用盛有37℃生理盐水的恒温箱解冻4小时。
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1.2 加载与测量
L1上端1/4和S1下端1/4用牙托材料固定于自制万向节扭力夹俱上。然后置于Instrun万能试验机上。以S1中心为原点，在万能试验机下标定二维空间坐标，标定点X、Y、Z，得到以S1中心为原点的三维坐标轴X轴(冠状轴)、Y轴(纵轴)、Z轴(矢状轴)，在标定点固定计算机三维空间坐标参照器，在L1-S1椎体上分别固定计算机三维生理运动—屈、伸、左右侧弯、左右旋转，视正常脊柱左右结构与功能对称，左右侧弯选取左侧弯，左右旋转选取左旋转，赋与10Nm力矩，计算机采集腰椎每种运动前中立位，完成时不卸载和卸载至零三个位置各测试输入器的空间坐标(即各椎体空间坐标)，采用三维空间力学计算程序，计算出中性区范围(neutral zone,NZ)和最大运动范围(range of motion,ROM)记录。为消除L1-S1椎体粘弹性和尸体椎间盘空虚造成的误差，标本测试前用450N(约相当于体重的60%)，垂直加载2次，每次持续5分钟。
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2 结果
实验结果见表1、表2、表3、表4。
表1 青老年组L1-S1各节段前屈运动范围(度，
±s)青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
L1.2
, 百拇医药
7.58±1.32
1.55±0.31
6.53±0.94
1.24±0.23*
L2.3
8.71±1.59
1.86±0.27
7.98±1.56
1.51±0.30*
L3.4
8.65±1.74
, 百拇医药
1.94±0.38
7.92±1.53
1.49±0.24*
L4.5
8.42±1.43
1.87±0.22
7.56±1.34
1.43±0.28*
L5S1
11.59±2.26
2.04±0.35
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9.85±0.72
1.62±0.32*
*青老年同一运动节段比较P<0.05表2 青老年组L1-S1各节段后伸运动范围(度，
±s)青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
L1.2
, 百拇医药
6.69±1.35
1.27±0.25
5.91±1.06
1.08±0.20
L2.3
4.51±0.82
1.51±0.30
4.10±0.79
1.24±0.23
L3.4
4.13±0.87
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1.79±0.34
3.56±0.62
1.57±0.29
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4.37±0.90
1.96±0.28
3.97±0.67
1.74±0.31
L5S1
4.04±0.69
2.13±0.40
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3.54±0.71
1.86±0.35
表3 青老年组L1-S1各节段左侧弯运动范围(度，
±s)青年组
老年组
ROM
NZ
ROM
NZ
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6.17±1.25
1.35±0.29
5.74±1.16
1.10±0.19
L2.3
6.52±0.93
1.03±0.18
6.08±1.18
0.84±0.17
L3.4
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5.42±0.98
0.93±0.12
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表4 青老年组L1-S1各节段左旋转运动范围(度，
±s)青年组
老年组
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4.46±0.87
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1.09±0.20
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7.08±1.35
1.04±0.15
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6.72±1.39
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从表1、2、3、4测试结果可以看出，三维运动时老年组ROM均数比青年组有降低的趋势，由于样本较少，无统计学意义。组内观察ROM：前屈运动时，L5-S1运动范围最大，L1-L2最小，其它节段运动范围大体相近；后伸运动时L1-L2最大，其它节段运动范围大致相等；左侧弯时，各节段运动范围近似；左旋转时L5-S1运动范围最大，L2-L3最小，其它节段运动范围趋势基本相同。
3 讨论
3.1 青老年组腰椎三维运动范围的比较
, 百拇医药
本实验发现老年组腰椎三维运动范围较青年组有减小的趋势，与Moll[2]通过对活体腰段的测试结果相符。Moll报告老年人比青年人腰段活动度减少50%。各节段腰椎三维运动范围，本实验结果与Yamamoto[3]用新鲜尸体测量的结果相近，只个别的节段有差异。而与Pearcy活体测量结果差距较大。其差别我们认为，仅从理论上推测，ROM无论在活体还是尸体都是相近的。但因腰部运动受强大的肌肉力量约束，意识支配下的功能储备和协调运动是基本的保护性反应，如在弯腰拾地上一支笔时，用屈髋、伸手、弯腰乃至屈膝等这些连续的几乎同时启动的动作完成，不必将腰前屈到最大程度。活体测量腰段活动亦可能因髋关节制动不完全而产生误差。但活体测量更接近正常人群总均数是毫无疑问的。尸体与人体的差别主要在于是否存在肌肉等外源性稳定因素，到目前，这些外源性稳定因素在离体实验上还没有相应的弥补手段。因此在分析离体实验结果时，不能忽略肌肉等外源性稳定因素的缺失所造成的误差，本实验也不例外。
3.2 腰椎稳定性与腰椎代偿性变化
, 百拇医药
脊柱各节段的三维运动范围由该节段上下椎骨的连接结构和椎小关节面决定，其中连接结构包括椎间盘和相关韧带。上述任何结构的改变，尤其是椎间盘和椎小关节，都有可能导致节段运动的改变，致使节段失稳。原林等研究认为，人类脊柱发育到20岁即成熟，30岁以后开始出现退变，老年人脊柱退变更加普遍。Adams[5]模拟间盘水分丢失20%以上，发现脊柱功能单位(FSU)在后伸2度时腰间盘纤维环后部出现异常应变，上椎体矢状面位移增大，提示椎间盘退变可以造成脊柱失稳。而脊柱不稳会在局部产生异常的应力刺激，进一步导致椎小关节和韧带的退变。Kirkaldy[6]对腰椎尸体解剖标本进行了研究，发现椎间盘的退变可导致椎小关节的一系列退行性改变，小关节面失去平滑，关节软骨磨损、破坏、以致缺失，关节囊松弛，并证实这些变化会进一步加重腰椎稳定性的下降。但是，腰椎退变是进行性的、不可逆的，腰椎不稳是腰椎退变过程中的一个阶段，腰椎失稳可刺激腰椎进一步产生多种代偿性变化而重新达到相对稳定。许多研究发现[7～9]，随着脊柱退变的发展，会出现关节突，关节增生肥大，关节囊肥厚，而限制腰椎的活动，甚至出现纤维性强直或骨性强直；退变韧带在异常应力下易发生微折，之后再生修复，代偿性地肥厚、甚至骨化；椎体出现牵张性骨赘，使椎体与椎间盘的接触面积增大，椎间盘纤维环外层承受的压力减小。本实验老年组腰椎标本X线片皆显示有椎体缘的增生。上述这些生物代偿性变化都会造成腰椎三维运动范围的减少。本实验结果显示，老年组ROM均数比青年组有减少的趋势，证实了这一观点。我们认为这种退变、代偿的交替存在是老年人维持腰椎稳定的调节机制。我们对NZ的测试结果表明，老年组较青年组有减少的趋势，前屈运动时有统计学差异，揭示后纵韧带、黄韧带和棘间、棘上韧带对控制前屈运动起着重要的作用。对于老年人腰椎各种运动下腰椎各部位结构的生物力学性能有待进一步的研究。
, 百拇医药
本课题为黑龙江省自然科学基金资助项目
参考文献
1 原林，吴望一.脊柱稳定性临床生物力学的研究概况.国外医学生物医学工程分册，1988，11(1)：14
2 Moll JMH,Wright V.Normal range of spinal mobility.An Objective Clinical Study.Ann Rheum Dis,1971,30:381
3 Yamamoto I,Panjabi MM.Three-dimensional movements of the whole lumbar spinal and lumbosacral joint.Spine,1988,14:1256
4 Pearcy M,Portek I.Three-dimensional X-ray analysis of normal movement in the lumbar spine.Spine,1984,9:294
, 百拇医药
5 Adams MA,Mcminan DW.Sustained loading generates stress co-
ncentrations lumbar intervertebal discs.Spine,1996,21(4):434
6 Kirkaldy Willis.Pathology and pathogenesis of lumbar spondylosis and stenosis.Spine,1978,3:319
7 Taylor JR.Age change in lumbar zygapophyseal joints.Spine,1986,11:739
8 Spencer DL.Mechanisms of nerve root compression due to a herniated disc.The Lumbar Spine.Saunders phiadephia.1990.141
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(收稿：1998-07-20，修回：1999-03-10), http://www.100md.com