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编号:10239802
冲击载荷造成椎管内压力变化与脊髓损伤程度的评估
http://www.100md.com 《中华骨科杂志》 2000年第8期
     作者:谢宝钢 吴梅英 杨吉祥

    单位:谢宝钢(天津,解放军二五四医院骨科300142);杨吉祥(天津,解放军二五四医院骨科300142);吴梅英(重庆,第三军医大学 附属西南医院骨科)

    关键词:压力;脊柱骨折;脊髓损伤

    中华骨科杂志000812

    【摘要】目的观察脊柱遭受轴向撞击时椎管内的压力变化,从撞击-压力变化-脊髓损 伤的角度分析脊柱骨折类型与脊髓损伤程度间的关系,为脊髓损伤程度的早期评估提供实验 依据。方法应用BIM-Ⅰ型立式生物撞击机高速准静态轴向加载和应力遮挡技术建立脊椎爆 裂型骨折模型,观察8具新鲜尸体的脊柱标本T10~L4节段受垂直撞击瞬间椎管内的压力变化 ,将大体解剖观察与放射影像学技术相结合,记录脊柱骨折类型及脊柱损伤程度。结果发生 脊椎爆裂型骨折的4具标本均在撞击瞬间记录到椎管内高大的正向压力波(A型波),其压力峰 值与后柱损伤程度有关,后柱有损伤的峰值较小,无损伤的峰值较大。脊柱损伤主要表现为 椎体爆裂型骨折、椎管骨性及纤维性结构的严重破坏。2具放射影像学检查无异常发现的标 本,椎管内记录到正向和负向压力波(B型波),大体解剖标本可见受损椎体中柱有少量骨 髓溢出。结论椎管内压力的波型与椎管结构的变形或破坏有关;椎管内压力峰值与椎管阻塞 程度为非线性关系,与后柱结构是否损伤有关。
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    Changes of the pressure in the vertebral canal and evaluation of spinal

    cord injuries in spinal section subjected to impact

    XIE Baogang WU Meiying YANG Jixiang.

    (Department of Orthopaedics, 254 Hospital of PLA, Tianjin 300142, China)

    【 Abstract】 Objective To observe the changes of the pressure in vertebral canal subjected to impact and to analyze the relationship between the type of spinal fracture and the severity of spinal cord injuries. Methods The experimental model of
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    spinal burst fracture was produced with type BIM- Ⅰ bio- impact machine, in which the techniques of high velocity vertical loading in static pattern and stress shielding were adopted. The vertebral section of T10- L 4 taken from fresh cadevers was impacted and the changes of the pressure in the vertebral canal were observed. Combined with the gross and radiography examination, the types and severity of spinal fracture were studied. Results Great positive pressure wave(wave A) was recorded in the vertebral canal in 4 vertebral samples with burst fracture. The peak value of pressure was correlated with the severity of posterior column injuries. Generally, the peak value of pressure was low in the samples with posterior column injuries, however, it was high in the samples without injuries. The predominant features of fracture were burst fracture of vertebral body, with severe destruction of skeletal and fiber structure of vertebral canal. Positive and negative pressure waves(wave B) were recorded in 2 vertebral samples in which no significant abnormal changes were found by radiographic examination, however, little liquid effusion in vertebral body was found in gross examination. Conclusion The type of the pressure wave in the vertebral canal was related to the deformation or the destruction of vertebral canal structure. The peak value of the intrathecal pressure was non- linearly related to obstruction in the vertebral canal, but related to th posterior column injuries.
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    【 Key words】 Pressure; Spinal fractures; Spinal cord injuries

    本研究利用新鲜尸体的脊柱标本,在垂直冲击准静态加载条件下复制脊椎胸腰段爆裂型骨折模型,旨在了解脊柱遭受撞击的瞬间椎管内的压力变化与脊柱损伤程度之间的关系,为进一步揭示脊髓损伤机制及对脊髓损伤程度的评估提供实验依据。

    材料与方法

    一、实验标本

    截取成年人新鲜尸体的脊柱T10~L4节段,共8具标本。用生理盐水棉垫包裹,双层塑料袋包扎置-20℃冰柜内冷冻保存。实验前标本在室温下解冻,切除脊柱周围的软组织和肌肉,保留完整的韧带及关节囊。X线检查及实验结束后进行的解剖检查证明标本无病理改变。
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    图1A型压力波图2B型压力波

    a正位b侧位

    图3爆裂型骨折标本的X线片

    图4爆裂型骨折标本的CT图像

    二、椎管内压力测量装置

    采用YC-10型压阻式压力传感器(直径3mm,长10mm),YD-21型力传感器,HG-8型八通道调制器又称直流放大器,HP54509型数字存储示波器及HP-3型喷墨打印机。应用自制的直径为6mm圆刀将标本的脊髓切除并保留完整的硬脊膜囊,神经孔用牙托粉填塞。传感器放在L1椎体后方的硬脊膜囊内,X线透视定位后固定。在硬脊膜囊内注入生理盐水,液面高于传感器。根据传感器压力标定值换算出椎管内的实际压力值。
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    三、实验步骤

    将标本上下端椎体的1/3用环氧树脂固定在直径110mm、高20mm的圆盘内,并用直径为100mm的模具将T10~T12、L2~L4椎体固定,仅暴露L1椎体及其上下椎间盘。再将标本垂直固定在BIM-Ⅰ型立式生物撞击机(野战外科研究所研制)的固定模具上,采用准静态加载方式致伤。致伤参数选用15kg重锤沿垂直滑道从1.5m高处坠落,作用在二次锤上,撞击速度5.4m/s,撞击时间在20ms以内(到峰值的时间),撞击力通过YD-21型力传感器记录撞击力的时间曲线。撞击后对脊柱标本拍摄正、侧位X线片,进行CT扫描及解剖学检查。

    结果

    在脊柱胸腰段准静态高速加载实验中,椎管内可测到两种压力波型曲线,分别为以正向压力波为主的A型压力波及以正向和负向压力波为主的B型压力波(图1,2)。其中4具标本为A型压力波,2具标本为B型压力波,1具标本由于测试系统故障,未能测到椎管内压力波,另外1具标本椎管内压力无改变。CT及X线检查证实6具标本为爆裂型骨折。2具标本无放射影像学异常表现。椎管内压力波类型与脊柱损伤情况:显示A型波的标本大体解剖显示构成椎管的骨性及纤维性结构破坏严重,椎管的密封性破坏,损伤部位椎体塌陷并伴大量骨髓溢出,硬脊膜囊内有液体流出。X线检查显示椎体上或(和)下终板损伤,椎体前后缘变低,椎弓根间距增宽,Cobb角增大(图3)。CT扫描显示椎体粉碎性骨折,椎体后上缘有骨折块侵入椎管,造成椎管狭窄(图4)。显示B型波的标本除大体解剖上可见受损椎体的中柱有少量骨髓溢出外,X线检查及CT扫描未见异常。椎管内压力变化和椎管结构损伤的检测结果见表1。
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    讨论

    脊椎骨折合并脊髓损伤的机制一直是临床研究的热点[1,2]。对骨折类型及椎管受侵率与脊髓损伤程度之间的关系仍存在两种不同的看法。一种认为椎管损伤范围与Frankel分级之间无明显关系[3,4]。另一种认为神经损伤的可能性与椎管受压程度、骨折部位呈联合相关性[2,5]。但多数学者推测脊髓受损主要是由于受损节段脊髓产生瞬间撞击所致。脊柱在轴向高速加载过程中,椎管内的压力变化与脊椎损伤程度之间是否存在某种关联,目前尚未见报道。

    本实验采用高速准静态轴向加载及应力遮挡技术建立脊椎爆裂型骨折模型。选用T10~L4节段,分别将T10~T12节段和L2~L4节段采用钢性固定模具固定成一体,L1为致伤椎体。由于模具的刚度远
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    表1椎管内压力变化与椎管结构损伤程度

    标本号

    波型

    峰值(kPa)

    作用时间(ms)

    中柱损伤

    后柱损伤

    椎管阻塞程度

    损伤节段的骨折类型

    4

    B

    65

    20.0
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    无

    无

    0

    无骨折

    5

    B

    81

    16.7

    无

    无

    0

    无骨折

    2

    A
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    119

    18.5

    有

    无

    10.0%(I度)

    L1爆裂型骨折

    1

    A

    63

    17.2

    有

    有

    56.0%(II度)
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    L1爆裂型骨折

    3

    A

    29

    17.0

    有

    有

    54.2%(II度)

    L1爆裂型骨折

    8

    A

    322

    10.1
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    有

    无

    40.0%(II度)

    L1爆裂型骨折

    6

    未测到

    -

    -

    有

    有

    78.3%(III度)

    T11L1爆裂型骨折
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    7

    测试系统故障

    -

    -

    有

    无

    35.7%(II度)

    L1爆裂型骨折

    注:Ⅰ度狭窄在椎管前后径的1/3以内,Ⅱ度2/3以内,Ⅲ度>2/3

    大于脊椎刚度,撞击力经过模具直接传导到L1椎体及其邻近的椎间盘,T10~T12节段和L2~L4节段所受的撞击力远小于L1椎体及其邻近的椎间盘组织。模拟临床常见的脊椎损伤类型,将相同的物理参数作用下产生的高速率载荷(20ms以内)[6]作用于被特制的撞击模具固定的脊柱上,使应力主要集中在L1椎体及其相邻的两个椎间盘组织,造成目标椎体爆裂型骨折。记录到椎管内两种压力波,即A型波和B型波。
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    发生脊椎爆裂型骨折的4具标本均于撞击瞬间记录到椎管内高大的正向压力波(A型波);2具放射影像学检查无异常发现的标本,记录到椎管内B型波,大体解剖可见受损椎体中柱有少量骨髓溢出。本研究结果提示:A型波单向主波的产生可能是由于伤椎突向椎管内的骨折块及破损的椎间盘组织打击脊髓所致,滞留波则可能是突入椎管内的骨折块及破损的椎间盘组织所形成的残余压力所致。波的峰值及持续时间与椎管阻塞程度无明显关系,而与后柱结构损伤有关,无后柱损伤者的峰值较高,有后柱损伤者的峰值较低(表1)。这可能因为后柱损伤后椎管的密闭性被破坏,椎管瞬间减压所致。为解释临床上严重脊柱骨折脱位或椎管阻塞而无或仅有轻度脊髓损伤提供实验依据。B型波中正向波的产生可能与椎间盘变形有关。因为椎间盘的极限收缩率高达31.4%~35.5%,远大于脊椎的极限收缩率4.5%~5.2%[7]。极限以下的纵向载荷作用于脊柱时,椎间盘通过变形来完成压力的吸收及分布。然而椎间盘的变形是通过椎间盘的水平方向膨胀来完成,即椎间盘高度减小,水平方向的膨出导致部分椎间盘组织占据椎管,致使椎管内瞬间(20ms以内)压力增高。负向波的产生可能是在卸载过程中撞击能量锐减,椎间盘组织回弹,使密闭的椎管产生一过性负压所致。Panjabi等[4]研究发现,脊柱在纵向载荷作用下,椎管动态侵占大于椎管静态侵占的85%,即椎管侵占在卸载过程中有一定比例的回缩。滞留波可能是由于二次撞击导致椎间盘组织突向椎管所致。呈B型波的脊柱标本在放射影像学检查中无异常发现,这可能是临床上常出现的无放射影像学异常的脊髓损伤的发生机制之一。以往研究认为,脊髓损伤主要是由于脊髓遭受瞬间撞击所致,而打击力的大小决定脊髓损伤程度。本实验所测到的椎管内压力峰值同样客观地反映了脊髓遭受打击力的大小。同时发现,脊柱遭受不同程度的损伤,在椎管内产生相应的压力波型及压力峰值。我们认为,在高速轴向载荷作用下,由脊柱的粘弹性所产生的变形或(及)椎体的爆裂型骨折所致的骨折块对椎管内产生不同的瞬间打击力类型以及持续时间可能是决定脊髓损伤程度的主要因素。因此临床上可根据影像学检查来间接评估脊髓损伤程度。本研究提示,有后柱损伤的脊椎爆裂型骨折可能较无后柱损伤者的脊髓损伤程度轻。
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    (感谢第三军医大学野战外科研究所四室在实验过程中给予的帮助。)

    参考文献

    1,Willen JA, Gaekwad UH, Ka kulas BA. Burst fractures in the thoracic and lumbar spine: a clinico neuropathologic analysis.Spine, 1989, 14:1316- 1318.

    2,Fontijne WP, de klerk LW, Braakman R, et al. CT scan prediction of neurological deficit in thoracolumbar burst fractures. J Bone Joint Surg( Br) , 1992, 74:683- 685.

    3,Dall BE, Stauffer ES. Neurologic injury and recovery patterns in burst fractures at the T12 or L1 motion segment. Clin Orthop, 1988, (233):171- 176.
, 百拇医药
    4,Panjabi MM, Kifune M, Wen L,et al. Dynamic canal encroachment during thoracolumbar burst fractures. J Spinal Disord,1995,8:39- 48.

    5,Hashimoto T, Kaneda K, Abumi K. Relationship between traumatic spinal canal stenosis and neurologic deficits in thoracolumbar burst fractures. Spine, 1988, 13:1268- 1272.

    6,Tran NT, Watson NA, Tencer AF, et al. Mechanism of the burst fracture in the thoracolumbar spine: the effect of loading rate. Spine, 1995, 20:1984- 1988.

    7,徐振耀,夏炜新,符影杰.生物医学工程手册.第1版.天津:天津科技翻译出版公司,1993.30 5-306.

    (收稿日期:1999-05-26), 百拇医药