研究背景下腰痛(Low Back Pain,LBP)每年的发病率在美国为60%-80%,根据北京大学第三医院初步统计情况:国人LBP发生率高达60%。当前治疗LBP以手术疗法为主,主要包括坚强内固定,动力性内固定以及人工腰椎间盘。自1948年腰椎实行后路固定融合率达到90%以后,腰椎的坚强内固定的疗效得到广大临床医生的认可并迅速得到广泛应用。但随着腰椎融合术病例数目的迅速增大以及腰椎融合术后随访时间的延长,邻近节段病(Adjacent Segment Disease,ASD)作为融合术后的远期并发症慢慢被临床医生及科研工作者发现并逐渐受到重视。动力性内固定是近年来逐渐应用于临床的新型脊柱内固定手术方式,其基本原理是:治疗脊柱疾患同时保留部分脊柱运动功能,从而减缓甚至阻止ASD发生及进一步发展。但根据临床前瞻性研究资料显示动力性内固定的临床疗效并不一致。这促使科研工作者利用生物力学的方法,从理论的角度给以解释并对动力性内固定器械进行进一步的改进。本研究拟以自行设计制作的腰椎单节段运动控制装置替代动力性内固定器械,在体外腰椎生物力学实验中将其固定在椎体上,通过控制其前后及左右两侧的控制杆的长度来约束L3/4节段的运动,同时测量在腰椎单节段运动控制装置的不同运动控制范围内,在逐级加载对抗性力偶矩情况下,其邻近节段的终板软骨-骨界面,即椎间盘压力(Interdiscal Pressure,IDP)变化,并同时测量邻近椎体节段椎弓根下表面的应力变化,并获取不同椎体节段在不同处理状态中的四个方向上运动范围(Range Of Motion,ROM),以期明确在不同ROM下,其邻近椎体运动节段的运动学和应力变化。目的本研究拟以对比研究的方法初步确定坚强内固定导致ASD和动力性固定预防ASD的生物力学机制,同时明确在何种运动范围下,对邻近运动节段的整体生物力学影响最小,以确定单一腰椎节段在动力性固定器械植入情况下需保留的最佳ROM,为促进该类器械的进一步完善,并为研发更为合适的动力性固定器械提供理论数据。材料和方法1、主要材料六具正常成人腰椎(L1-S1)标本,小心剔除周围肌肉,保留完整的周围韧带和小关节完整,取L1-S1节段,制成完整状态的人腰椎骨韧带功能节段并包埋。标本以双层塑料袋密封并保存在-20℃冰箱内。实验前,将标本置于室温下9小时进行彻底解冻。实验中主要应用的仪器:MTS858万能材料试验机(Material Testing System,MTS)、三维运动测试仪、激光三维扫描仪、YE2538A程控静态应变仪、直径5mm微型压力传感器、电阻应变片,产品型号:BE120-03AA(11),基底尺寸:2.7×2.7mm、数字化角度测量仪,测量精度:0.01°、腰椎单节段运动控制装置,控制范围:0～10°、α-氰基丙烯酸乙酯、硅胶、无水乙醇、丙酮等实验试剂及手术器械。2、方法将6具正常成人腰椎标本按照实验要求进行肌肉剔除,包埋等基本操作后,首先在L2椎体制备冠状位的IDP测量骨隧道,然后按照要求正确植入腰椎单节段运动控制装置,随后在L2椎弓根尾侧局部进行平顺处理、脱脂。严格按照要求处理和粘贴应变片:应变片长轴方向与椎弓根长轴方向平行,并按照实验中的具体情况选用合适的应变片基底尺寸和连接线方式。实验中的加载方式选用MTS控制下的对抗性逐级加载方式。实验中数据的采集采用完全电脑自动化采集,提高了数据采集的效率以及精确度。其中采集IDP的微型压力传感器实现了与MTS匹配接口相连接,可在MTS相关软件中实现数据的自动化采集;Y2385A程控静态应变仪通过串行接口实现与电脑相连接,并通过相匹配软件实现电脑控制与数据采集;采集四个方向上ROM的三维激光扫描仪通过USB2.0接口与电脑相连,实现完全自动化的数据采集。3、统计学处理由于本实验中所采集数据为相对数值,故在进行统计分析之前需要对各组数据进行优化,具体的优化方法为:将在不同控制范围下、不同载荷下的IDP值及应变片数值减去各个运动状态中立位时对应的IDP值和应变片数值,以降低各个传感器的残留效应对实验数据准确性的影响。所有结果均采用SPSS13.0统计软件分析,用曲线拟合的统计学方法对椎弓根加载-应力线性关系进行分析;所有数据资料以均数±标准差((?)±s)表示,用两个重复测量因素的方差分析对L2/3椎间盘在前屈、后伸及侧弯三种状态下的压力进行统计分析,用三个重复测量因素的方差分析对L2左右双侧椎弓根在前屈、后伸及侧弯三种状态下的应力进行统计分析,不同水平间的两两比较采用LSD法。选用P＜0.05作为差异具有统计学意义的判定标准。结果前屈运动中,L3/4不同的ROM对邻近L2/3IDP的影响具有显著性差异(F=6.574,P=0.008),不同的前屈载荷对L2/3IDP的影响具有显著性差异(F=28.893,P=0.003)。采用LSD法对运动范围不同水平之间进行两两比较,结果显示,L3/4的运动范围在0-6°和＞6°(未加运动控制)时,与正常状态相比,L2/3椎间盘压力显著性降低(P=0.008和P=0.016),而在0°(坚强内固定)、0-2°及0-4°的运动范围中,与正常状态相比,L2/3椎间盘压力没有显著性差异(P=0.933、P=0.220、P=0.209)。采用LSD法对载荷不同水平进行两两比较,结果发现,不同的载荷对L2/3椎间盘压力的影响均具有显著性差异,且随着前屈载荷的增大,L2/3椎间盘压力呈线性增高(F=29.432,P=0.003)。后伸运动中,L3/4不同的ROM对邻近L2/3椎间盘压力的影响没有显著性差异(F=1.378,P=0.303),不同的后伸载荷对L2/3椎间盘压力的影响具有显著性差异(F=9.603,P=0.036)。采用LSD法对运动范围不同水平进行两两比较,结果发现,L3/4的运动范围不同水平之间对L2/3椎间盘压力在后伸状态的影响无显著性差异。采用LSD法对后伸载荷不同水平进行两两比较,结果发现,后伸加载2NM与后伸加载4NM、6NM和8NM之间,对L2/3椎间盘压力的影响均具有显著性差异(P=0.022,P=0.029,P=0.037),后伸加载4NM,6NM与后伸加载8NM之间对L2/3椎间盘压力的影响均无显著性差异(P=0.058,P=0.089),但是后伸加载4NM和后伸加载6NM之间对L2/3椎间盘压力的影响具有显著性差异(P=0.045)。且随着后伸载荷的增大,L2/3椎间盘压力呈增高趋势(F=9.366,P=0.038)。侧弯运动中,L3/4不同的ROM对邻近L2/3椎间盘压力的影响没有显著性差异(F=1.463,P=0.286),不同的侧弯载荷对L2/3椎间盘压力的影响具有显著性差异(F=26.242,P=0.006)。采用LSD法对运动范围不同水平进行两两比较,结果发现,L3/4的运动范围不同水平之间对L2/3椎间盘压力在侧弯状态的影响无显著性差异。采用LSD法对侧弯载荷不同水平进行两两比较,结果发现,不同的侧弯载荷对L2/3椎间盘压力的影响均具有显著性差异,且随着前屈载荷的增大,L2/3椎间盘压力呈线性增高(F=26.497,P=0.007)。将电阻应变片粘贴在单个L2椎体的左右双侧未损伤椎弓根外侧面,用50N连续递增加载方式,所获数据用曲线拟合的统计学分析方法处理,结果提示:电阻应变片的应变输出值会随外部载荷的增加而增大,具有线性关系(F=8288.031,R~2=0.999)。在前屈、后伸及侧弯运动中,L3/4不同的ROM水平对邻近节段L2椎弓根应力的影响没有显著性差异(P=0.592,P=0.627,P=0.767),不同的载荷水平对邻近节段L2椎弓根应力的影响都具有显著性差异(P=0.007,P=0.000,P=0.030),L2的两个不同椎弓根部位之间应力没有显著性差异(P=0.282,P=0.376,P=0.645)。采用LSD法对载荷不同水平对L2椎弓根应力的影响进行两两比较,结果发现,不同的载荷对L2椎弓根应力的影响均具有显著性差异,且随着载荷量的增大,L2椎弓根表面应力呈线性增高趋势(P=0.008,P=0.000,P=0.030)。结论1、L3/4在＜6°的运动范围下,对其邻近节段的生物力学效应具有较小影响。2、后伸运动中,邻近L2/3节段椎间盘压增加幅度随载荷的增加而减小,而椎弓根应力随着载荷的增加而呈线性增加,这些载荷主要由小关节承担,故此持久保持脊柱后伸状态可能是小关节退变的一个诱发因素。3、脊柱单节段的坚强固定对其邻近节段的生物力学影响主要与其所受生理载荷有关。4、椎弓根上粘贴应变片方法对不同运动方向上的脊柱后柱载荷可有较好的反映,具有较好的可重复性和灵敏性,可作为衡量脊柱后柱载荷的有效方法。5、在所有运动方向上,左右双侧椎弓根的应力均衡。