髓核部分切除与全切除术后组织学与生物力学变化的比较研究
作者：陈文红 李稔生 韩一生
单位：陈文红(第四军医大学西京医院骨科研究所 现在兰州军区乌鲁木齐总医院骨科 830000 新疆乌鲁木齐)；李稔生(第四军医大学西京医院骨科研究所)；韩一生(第四军医大学西京医院骨科研究所)
关键词：髓核切除；组织学；生物力学
中国脊柱脊髓杂志000107 摘 要：目的：比较髓核部分切除(PN)与髓核全切除(TN)对椎间盘组织学及腰椎生物力学的影响。方法：对犬腰椎间盘行PN与TN两种手术，在术后不同时间行光镜、电镜检查；术后3个月行生物力学测试。结果：术后椎间盘退变在TN组比PN组更明显，腰椎节段活动在TN组明显增加(P<0.01)，而PN组无明显增加(P>0.05)。结论：PN较之TN相对好地保存了椎间盘的生理功能，延缓了术后椎间盘退变的进程。
分类号：R329 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1004-406X(2000)-01-0027-03
Changes in histology and biomechanics after partial or total nucleotomy：a comparative study
CHEN Wen-hong,LI Ren-sheng,HAN Yi-sheng
Abstract Objective：To study the changes of intervertebral disc histology and lumbar vertebrae biomechanics after partial nucleotomy(PN) or total nucleotomy(TN).Method：PN and TN for the canine were evaluated in 1,2,3 month after operation respectively by light or electron microscopy.Biomechanics was evaluated on functional spinal unit(FSU) three months after operation.Result：The disc degeneration in TN group was more serious than that in PN group.The horizontal displacement and rotation degree on that sagittal plain in flexion of TN group was significantly greater than that of control group(P<0.01).There was no significant difference between PN group and control group.Conclusion：Compared with TN group,the physiological function of discs and lumbar spine stability are better preserved in PN group. The process of disc degeneration after PN is also delayed.
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Author′s address Department of Orthopaedics,Lan Zhou Military Region Urumuqi General Hospital,Urumuqi,830000
Key words Nucleotomy;Histology;Biomechanics▲
常规髓核全切除术改变了椎间盘的形态结构和力学性质，影响了术后的远期疗效。Spengler〔1〕与周秉文〔2〕对椎间盘突出行部分髓核切除术，只切除突出的纤维环与髓核组织以及游离的髓核组织，不在椎间隙内反复搔刮以取尽髓核，取得了较好的疗效。本实验旨在比较两种手术方法对椎间盘组织学及生物力学的影响。
1 材料与方法
1.1 组织形态学观察
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1.1.1 实验动物及分组 成年健康犬6只，平均体1重16.5kg，随机分为1、2、3月3个组，每组2只，1只L5/6椎间盘行髓核全切除(TN)手术，L7/S1椎间盘行髓核部分切除(PN)手术；另1只则相反。
1.1.2 手术方法 常规后侧正中入路，全椎板切除，纤维环开窗。在PN组，用髓核钳摘除同侧后1/4象限内的髓核；在TN组，用髓核钳和刮匙摘除全部髓核。术毕动物自由活动。
1.1.3 术后取材处理 分别于术后1、2、3个月处死相应时间组动物，取L5/6及L7/S1椎间盘备组织学观察，以L6/7间隙正常椎间盘组织作为对照。标本经HE和Pollak(胶原三色)染色，用光镜观察髓核与软骨盘的细胞形态变化、纤维环板层结构的变化。其余标本制作超薄切片，在JEDL-2000EX透射电镜下观察椎间盘的细胞超微结构及基质与胶原纤维的变化。
1.2 生物力学测试
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1.2.1 动物模型制备 成年犬6只，手术部位在L2/3、L4/5、L6/7三个椎间隙，分三种方式：A，全椎板切除，作为椎间盘正常对照组，切除上下两椎体的全部椎板；B，全椎板切除加部分髓核切除；C，全椎板切除加全髓核切除。手术方法同前，18个椎间隙按拉丁方分组，使每种手术包括L2/3、L4/5、L6/7节段各2个，以消除节段间可能存在的系统差异〔3〕。
1.2.2 标本制备 术后3个月处死动物，取出L2～L7椎体，去除肌肉组织，保留韧带，制成18个功能脊椎单位(FSU)。用聚甲基丙烯酸甲酯将FSU下椎体的下2/3包埋固定。
1.2.3 屈曲状态下矢状面水平位移与旋转角度的测定 采用Instron-1195型万能材料试验机，自制部分附属设备与夹具(图1)。利用向前的偏心加载产生的力矩使FSU产生屈曲运动〔4〕。水平位移可从千分表中直接读出，而旋转角度则按照Panjabi的公式计算〔3〕：θ＝arc sin(△/A+sinα)-α。其中△为两个垂直位千分表读数之差，A为这两个千分表探头之间的距离，α为加载前角度。
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图1 实验设备示意图
2 结果
2.1 组织形态学
2.1.1 光镜观察 在TN组，1个月时软骨终板生长层柱状排列消失，软骨细胞部分退化，出现大量团块状增生的软骨细胞，3个月时终板内纤维束增多，并呈垂直排列(图2，插Ⅳ)。随着时间的增加，原髓核部位出现扁平状细胞，纤维环内层层状结构不清晰，部分断裂，胶原纤维方向改变。在PN组，从1个月组到3个月组，软骨终板中逐渐出现团块状增生的软骨细胞，柱状排列消失，纤维增生不明显(图3，插Ⅳ)，剩余髓核中立体的胶原网状结构和脊索细胞逐渐消失，3个月组中亦有扁平状成纤维细胞出现。
图2 术后3个月,TN组软骨终板内软骨细胞团块状增生,柱状排列消失,胶原纤维增多呈垂直排列(Pollak×60)
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图3 术后3个月,PN组软骨终板内软骨细胞增生,基质降解(HE×60)
2.1.2 透射电镜观察 在TN组，原髓核部位软骨细胞增生，部分退化，从1个月到3个月组，成纤维细胞由无细胞膜、细胞结构不清的团块逐渐转化成扁平状、膜完整、结构清晰的成熟细胞，周围有其分泌的大量胶原原纤维。基质中弹力纤维逐渐增多，胶原纤维排列紧密、直径增粗、带状结构消失；在PN组，剩余髓核中脊索细胞逐渐坏死、消失，软骨细胞增生少于TN组，偶见成纤维细胞，胶原纤维带状结构模糊，直径增粗，早期排列紊乱，到3个月时，胶原纤维排列趋向一致(图4，插Ⅳ)。
图4 PN组术后3个月髓核内胶原纤维增粗,排列方向趋向一致(×20000)
2.2 生物力学
屈曲状态下三组的矢状面水平位移和旋转角度随载荷的增加而增加(图5、6)，方差分析结果见附表。
, 百拇医药
图5 生理载荷下的水平位移
图6 生理载荷下的旋转角度
附表 矢状面水平位移与旋转角度间两两比较 组间
水平位移
旋转角度
C对A
P<0.05
P<0.01
C对B
P>0.05
P<0.05
, 百拇医药
B对A
P>0.05
P>0.05
3 讨论
3.1 组织形态学的变化
椎间盘是人体最大的无血供组织，它随年龄的增加而发生退变。手术加速了椎间盘的退变过程。本实验中，TN组软骨细胞部分退化坏死，并有增殖，出现功能活跃的成纤维细胞，可能为软骨样细胞转变而来，并能转变为纤维细胞。PN组剩余髓核中脊索细胞及胶原网状结构消失，胶原纤维增粗，排列方向趋向一致。实验结果表明，手术后椎间盘发生了明显的退行性改变，退变随时间的增加而加重，而TN较之PN术后的椎间盘退变更快、更重，纤维化程度也更高。
髓核切除后，椎间盘内压骤然下降，椎间盘内应力分布改变，胶原纤维的排列方向也发生改变〔5〕。TN组，椎间盘内压为零，椎间盘内主要承受纵向压应力，因此原髓核部位及软骨终板区的胶原纤维呈垂直排列。在PN组，形成的空隙被剩余椎间盘组织重新分布而充填，能形成一定的椎间盘内压，相对好地保存了椎间盘的结构，因而术后椎间盘退变较轻、较慢。
, 百拇医药
3.2 PN与TN手术对腰椎稳定的影响
本实验结果表明，部分髓核切除后屈曲状态下的矢状面水平位移和旋转角度与对照组相比，虽有增加但无显著差异，而全髓核切除后水平位移和旋转角度与对照组相比有显著性增加。结果提示全髓核切除术后3个月节段活动明显增大，而部分髓核切除后节段活动增加不明显。
很多作者认为全髓核切除术后节段的主运动与主要耦合运动都明显增加，Goel〔6〕对尸体腰椎节段的生物力学实验表明，部分髓核切除后主运动增加明显，而耦合运动却无明显增加，全髓核切除后节段活动的增加明显大于部分髓核切除后节段活动的增加。并指出节段活动的增加与髓核切除量及纤维环切除量和部位有直接的关系。这些都提示椎间盘手术时，在彻底减压的基础上应尽可能减少髓核切除量，以求减少椎间盘损伤引起的节段活动增加，减少腰椎不稳及远期并发症的发生机会。
参考文献：
, 百拇医药
[1]Spengler DM.Lumbar discectomy：results with limited disc excision and selective foraminotomy.Spine[J],1982,7：604-607.
[2]周秉文，胡有谷，孙进修，等.腰椎间盘突出症的分型及术称商榷[J].中华骨科杂志，1988，8：366-369.
[3]戴力杨，徐印坎，张文明，等.后部结构切除对腰椎稳定性影响的生物力学研究[J].中华外科杂志，1988，26：272-275.
[4]Haher TR,O′Brien M,Dryer JW,et al.The role of the lumbar facet joints in spinal stability[J].Spine,1994,19：2667-2671.
, 百拇医药
[5]Brinckmann P,Grootenboer H.Change of disc height, radial disc bulge and intradiscal pressure from discectomy[J].Spine,1991,16：641-646.
[6]Goel VK,Nishiyama K,Weistein JN,et al.Mechanical properties of lumbar spinal motion segments as affected by partial disc removal[J].Spine,1986,11：1008-1012.
收稿日期：1998-10-21
修回日期：1999-04-06, 百拇医药
单位：陈文红(第四军医大学西京医院骨科研究所 现在兰州军区乌鲁木齐总医院骨科 830000 新疆乌鲁木齐)；李稔生(第四军医大学西京医院骨科研究所)；韩一生(第四军医大学西京医院骨科研究所)
关键词：髓核切除；组织学；生物力学
中国脊柱脊髓杂志000107 摘 要：目的：比较髓核部分切除(PN)与髓核全切除(TN)对椎间盘组织学及腰椎生物力学的影响。方法：对犬腰椎间盘行PN与TN两种手术，在术后不同时间行光镜、电镜检查；术后3个月行生物力学测试。结果：术后椎间盘退变在TN组比PN组更明显，腰椎节段活动在TN组明显增加(P<0.01)，而PN组无明显增加(P>0.05)。结论：PN较之TN相对好地保存了椎间盘的生理功能，延缓了术后椎间盘退变的进程。
分类号：R329 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1004-406X(2000)-01-0027-03
Changes in histology and biomechanics after partial or total nucleotomy：a comparative study
CHEN Wen-hong,LI Ren-sheng,HAN Yi-sheng
Abstract Objective：To study the changes of intervertebral disc histology and lumbar vertebrae biomechanics after partial nucleotomy(PN) or total nucleotomy(TN).Method：PN and TN for the canine were evaluated in 1,2,3 month after operation respectively by light or electron microscopy.Biomechanics was evaluated on functional spinal unit(FSU) three months after operation.Result：The disc degeneration in TN group was more serious than that in PN group.The horizontal displacement and rotation degree on that sagittal plain in flexion of TN group was significantly greater than that of control group(P<0.01).There was no significant difference between PN group and control group.Conclusion：Compared with TN group,the physiological function of discs and lumbar spine stability are better preserved in PN group. The process of disc degeneration after PN is also delayed.
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Author′s address Department of Orthopaedics,Lan Zhou Military Region Urumuqi General Hospital,Urumuqi,830000
Key words Nucleotomy;Histology;Biomechanics▲
常规髓核全切除术改变了椎间盘的形态结构和力学性质，影响了术后的远期疗效。Spengler〔1〕与周秉文〔2〕对椎间盘突出行部分髓核切除术，只切除突出的纤维环与髓核组织以及游离的髓核组织，不在椎间隙内反复搔刮以取尽髓核，取得了较好的疗效。本实验旨在比较两种手术方法对椎间盘组织学及生物力学的影响。
1 材料与方法
1.1 组织形态学观察
, http://www.100md.com
1.1.1 实验动物及分组 成年健康犬6只，平均体1重16.5kg，随机分为1、2、3月3个组，每组2只，1只L5/6椎间盘行髓核全切除(TN)手术，L7/S1椎间盘行髓核部分切除(PN)手术；另1只则相反。
1.1.2 手术方法 常规后侧正中入路，全椎板切除，纤维环开窗。在PN组，用髓核钳摘除同侧后1/4象限内的髓核；在TN组，用髓核钳和刮匙摘除全部髓核。术毕动物自由活动。
1.1.3 术后取材处理 分别于术后1、2、3个月处死相应时间组动物，取L5/6及L7/S1椎间盘备组织学观察，以L6/7间隙正常椎间盘组织作为对照。标本经HE和Pollak(胶原三色)染色，用光镜观察髓核与软骨盘的细胞形态变化、纤维环板层结构的变化。其余标本制作超薄切片，在JEDL-2000EX透射电镜下观察椎间盘的细胞超微结构及基质与胶原纤维的变化。
1.2 生物力学测试
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1.2.1 动物模型制备 成年犬6只，手术部位在L2/3、L4/5、L6/7三个椎间隙，分三种方式：A，全椎板切除，作为椎间盘正常对照组，切除上下两椎体的全部椎板；B，全椎板切除加部分髓核切除；C，全椎板切除加全髓核切除。手术方法同前，18个椎间隙按拉丁方分组，使每种手术包括L2/3、L4/5、L6/7节段各2个，以消除节段间可能存在的系统差异〔3〕。
1.2.2 标本制备 术后3个月处死动物，取出L2～L7椎体，去除肌肉组织，保留韧带，制成18个功能脊椎单位(FSU)。用聚甲基丙烯酸甲酯将FSU下椎体的下2/3包埋固定。
1.2.3 屈曲状态下矢状面水平位移与旋转角度的测定 采用Instron-1195型万能材料试验机，自制部分附属设备与夹具(图1)。利用向前的偏心加载产生的力矩使FSU产生屈曲运动〔4〕。水平位移可从千分表中直接读出，而旋转角度则按照Panjabi的公式计算〔3〕：θ＝arc sin(△/A+sinα)-α。其中△为两个垂直位千分表读数之差，A为这两个千分表探头之间的距离，α为加载前角度。
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图1 实验设备示意图
2 结果
2.1 组织形态学
2.1.1 光镜观察 在TN组，1个月时软骨终板生长层柱状排列消失，软骨细胞部分退化，出现大量团块状增生的软骨细胞，3个月时终板内纤维束增多，并呈垂直排列(图2，插Ⅳ)。随着时间的增加，原髓核部位出现扁平状细胞，纤维环内层层状结构不清晰，部分断裂，胶原纤维方向改变。在PN组，从1个月组到3个月组，软骨终板中逐渐出现团块状增生的软骨细胞，柱状排列消失，纤维增生不明显(图3，插Ⅳ)，剩余髓核中立体的胶原网状结构和脊索细胞逐渐消失，3个月组中亦有扁平状成纤维细胞出现。
图2 术后3个月,TN组软骨终板内软骨细胞团块状增生,柱状排列消失,胶原纤维增多呈垂直排列(Pollak×60)
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图3 术后3个月,PN组软骨终板内软骨细胞增生,基质降解(HE×60)
2.1.2 透射电镜观察 在TN组，原髓核部位软骨细胞增生，部分退化，从1个月到3个月组，成纤维细胞由无细胞膜、细胞结构不清的团块逐渐转化成扁平状、膜完整、结构清晰的成熟细胞，周围有其分泌的大量胶原原纤维。基质中弹力纤维逐渐增多，胶原纤维排列紧密、直径增粗、带状结构消失；在PN组，剩余髓核中脊索细胞逐渐坏死、消失，软骨细胞增生少于TN组，偶见成纤维细胞，胶原纤维带状结构模糊，直径增粗，早期排列紊乱，到3个月时，胶原纤维排列趋向一致(图4，插Ⅳ)。
图4 PN组术后3个月髓核内胶原纤维增粗,排列方向趋向一致(×20000)
2.2 生物力学
屈曲状态下三组的矢状面水平位移和旋转角度随载荷的增加而增加(图5、6)，方差分析结果见附表。
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图5 生理载荷下的水平位移
图6 生理载荷下的旋转角度
附表 矢状面水平位移与旋转角度间两两比较 组间
水平位移
旋转角度
C对A
P<0.05
P<0.01
C对B
P>0.05
P<0.05
, 百拇医药
B对A
P>0.05
P>0.05
3 讨论
3.1 组织形态学的变化
椎间盘是人体最大的无血供组织，它随年龄的增加而发生退变。手术加速了椎间盘的退变过程。本实验中，TN组软骨细胞部分退化坏死，并有增殖，出现功能活跃的成纤维细胞，可能为软骨样细胞转变而来，并能转变为纤维细胞。PN组剩余髓核中脊索细胞及胶原网状结构消失，胶原纤维增粗，排列方向趋向一致。实验结果表明，手术后椎间盘发生了明显的退行性改变，退变随时间的增加而加重，而TN较之PN术后的椎间盘退变更快、更重，纤维化程度也更高。
髓核切除后，椎间盘内压骤然下降，椎间盘内应力分布改变，胶原纤维的排列方向也发生改变〔5〕。TN组，椎间盘内压为零，椎间盘内主要承受纵向压应力，因此原髓核部位及软骨终板区的胶原纤维呈垂直排列。在PN组，形成的空隙被剩余椎间盘组织重新分布而充填，能形成一定的椎间盘内压，相对好地保存了椎间盘的结构，因而术后椎间盘退变较轻、较慢。
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3.2 PN与TN手术对腰椎稳定的影响
本实验结果表明，部分髓核切除后屈曲状态下的矢状面水平位移和旋转角度与对照组相比，虽有增加但无显著差异，而全髓核切除后水平位移和旋转角度与对照组相比有显著性增加。结果提示全髓核切除术后3个月节段活动明显增大，而部分髓核切除后节段活动增加不明显。
很多作者认为全髓核切除术后节段的主运动与主要耦合运动都明显增加，Goel〔6〕对尸体腰椎节段的生物力学实验表明，部分髓核切除后主运动增加明显，而耦合运动却无明显增加，全髓核切除后节段活动的增加明显大于部分髓核切除后节段活动的增加。并指出节段活动的增加与髓核切除量及纤维环切除量和部位有直接的关系。这些都提示椎间盘手术时，在彻底减压的基础上应尽可能减少髓核切除量，以求减少椎间盘损伤引起的节段活动增加，减少腰椎不稳及远期并发症的发生机会。
参考文献：
, 百拇医药
[1]Spengler DM.Lumbar discectomy：results with limited disc excision and selective foraminotomy.Spine[J],1982,7：604-607.
[2]周秉文，胡有谷，孙进修，等.腰椎间盘突出症的分型及术称商榷[J].中华骨科杂志，1988，8：366-369.
[3]戴力杨，徐印坎，张文明，等.后部结构切除对腰椎稳定性影响的生物力学研究[J].中华外科杂志，1988，26：272-275.
[4]Haher TR,O′Brien M,Dryer JW,et al.The role of the lumbar facet joints in spinal stability[J].Spine,1994,19：2667-2671.
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[5]Brinckmann P,Grootenboer H.Change of disc height, radial disc bulge and intradiscal pressure from discectomy[J].Spine,1991,16：641-646.
[6]Goel VK,Nishiyama K,Weistein JN,et al.Mechanical properties of lumbar spinal motion segments as affected by partial disc removal[J].Spine,1986,11：1008-1012.
收稿日期：1998-10-21
修回日期：1999-04-06, 百拇医药