张志王簕吕玉明张亮曾勉东（广州医学院第三附属医院骨科510150）
【中图分类号】R683【文献标识码】A【文章编号】1672-5085（2011）46-0112-03
【摘要】目的对比分析腰椎峡部内、外部分骨质的抗疲劳特性。方法12例成人新鲜腰L5椎标本模型，随机分为两组，每组6例，分别用咬骨钳咬除腰椎峡部外1/2或内1/2骨质，制作腰椎峡部外1/2缺损和内1/2缺损病理模型。采用游标卡尺对剩余腰椎峡部的宽度进行测量。对腰椎峡部外1/2缺损模型与腰椎峡部内1/2缺损模型的峡部缺损后宽度进行统计对比。将标本固定于脊柱三维运动试验机上，依次将腰椎峡部外1/2缺损和内1/2缺损病理模型标本置于生物材料力学试验机上，分别给予压缩负荷。记录断裂次数进行统计学分析。结果正常L5左侧腰椎峡部宽度为15.06±0.83,正常右侧腰椎峡部宽度为14.85±0.72,左右侧对比P=0.52。腰椎峡部外1/2缺损模型峡部宽度为5.24±0.41,腰椎峡部内1/2缺损模型峡部宽度为5.15±0.34,对比P=0.57。腰椎峡部外1/2缺损模型峡部断裂次数为25160±1019，腰椎峡部内1/2缺损模型峡部断裂次数为18782±3126，对比P=0.006。结论腰椎峡部外1/2缺损模型抗疲劳性优于腰椎峡部内1/2缺损模型，腰椎峡部内1/2承担了更多的腰椎负荷应力。同一应力下，腰椎峡部外1/2更容易疲劳骨折。
【关键词】腰椎峡部生物力学
AStudyonFatiguecharacteristicsoflumbarspondylolysis
andstressdistributionofconduction
ZhangZhi,WangLe,LvYuming,ZhangLiang,Zengmingdong,(thethirdAffiliatedHospitalofGuangzhouMedicalCollege,GuangZhou510150)
【Abstract】Objective:Tomakepathologicdefectmodelsofisthmusexternal1/2andinternal1/2,Tocompareandanalyzetheanti-fatiguefeaturesofthesetwomodels.Methods:Take12freshlumbarvertebraspecimens.pidethese12specimensrandomlyinto2groups.Userongeurtoremoverespectivelytheexternal1/2isthmusandtheinternal1/2isthmusboneandthenmakepathologicaldefectmodels.Useelectricverniercalipertomeasurethewidthoftheremainingisthmus.Comparethewidthoftheexternal1/2isthmusdefectmodelandtheinternal1/2isthmusdefectmodel.Fixthespecimenonspine3Dmovementtestmachine,puttheexternal1/2isthmusdefectmodelandtheinternal1/2isthmusdefectmodelonmechanictestmachine.Recordthebreakagetimesandanalyzethem.Result:ThewidthofthenormalL5leftisthmusportionoflumbarvertebrais15.06±0.83,therightwidthis14.85±0.72.ThedifferencebetweentheleftwidthandtherightwidthisP=0.52.Theisthmuswidthoftheexternal1/2isthmusdefectmodelis5.24±0.41,theisthmuswidthoftheinternal1/2isthmusdefectmodelis5.15±0.34.ThedifferencebetweentheexternalandtheinternalisthmuswidthisP=0.57.Thebreakagetimesoftheexternal1/2isthmusdefectmodelare25160±1019,whiletheinternal1/2isthmusdefectmodelare18782±3126.ThedifferencebetweenthemisP=0.006.Conclusion:Theanti-fatiguefeaturesoftheexternal1/2lumbarvertebraisthmusdefectmodelisbetterthantheinternal1/2.Theinternal1/2bearsmoreloads.Theexternal1/2iseasiertobecomefatigueandfracture.
【Keywords】isthmusportionoflumbarvertebrabiologydynamics
椎弓峡部裂是一种常见的脊柱疾患，可引起一系列的腰腿痛症状。它是以腰椎椎弓峡部(关节突间部)的一侧或两侧缺损为主要病理特征，病变以L4-L5最为常见，约占95%，严重时可发生椎体滑脱[1,2]。虽然有学者报道急性外伤可引发峡部骨折，但大多数峡部裂患者并未有明确的外伤史。Crawford用尸体腰椎材料经循环加载导致峡部骨折[3]，Ulibarri和Terai证实峡部有明显的应力集中[4，5]，因此，峡部易发生疲劳性骨折。本研究将对峡部的有关解剖学特征进行测量，并在成人新鲜标本上模拟腰椎峡部外1/2缺损和内1/2缺损病理模型，并对这两个病理模型进行疲劳试验，模拟腰椎椎弓峡部局部应力集中日积月累导致的疲劳性骨折，为临床预防和治疗腰椎弓峡部裂提供理论基础。
1材料和方法
1.1实验标本
成人新鲜腰椎标本12例，所有标本均取自意外死亡的成年男性新鲜尸体，具体年龄不详，均无腰椎疾患。常规解剖L5椎体，彻底切除软组织，仅保留骨性部分。用聚甲基丙烯酸甲酯（牙托粉，PMMA，自凝型，上海齿科材料厂生产）包埋。包埋的目的是以备装卡固定标本使用，放于－20℃的低温冰箱中保存备用。
1.2分组与实验方法
1.2.1用游标卡尺（TypeYATOPro-Cal,Tokyo,Japan，精确度0.01mm）对腰椎峡部的宽度进行测量。每一标本重复测量两次，以求精确。
1.2.2腰椎峡部缺损病理模型的制作和测量：文献研究证实椎弓峡部应力集中区域，由前外侧至后内侧逐渐向头端移行，结果与临床峡部裂多为斜行骨折是一致的。因此将12例模型随机分为两组，每组6例，分别用咬骨钳咬除腰椎峡部外1/2或内1/2骨质，制作腰椎峡部外1/2缺损和内1/2缺损病理模型。采用游标卡尺对剩余腰椎峡部的宽度进行测量，每一标本重复测量两次，以求精确。
1.2.3生物力学测试
标本在室温下解冻后，将标本固定于脊柱三维运动试验机上，依次将腰椎峡部外1/2缺损和内1/2缺损病理模型标本置于生物材料力学试验机MTS-858MiniBionix（MTS,Minneapolis,MN,USA）上，对两组标本进行抗疲劳试验：分别给予压缩负荷，频率为0.5Hz，加载60～600N的周期性正弦波。整个试验过程中经常喷洒生理盐水于标本上，以保持标本在试验过程中湿润。最后记录腰椎峡部断裂时，压力加载次数。
1.３数据的统计学处理
利用SPSS13.0软件包对测量的结果进行统计学分析，差异显著性标准置于0.05。
2结果
2.1正常腰椎峡部左右侧宽度对比
正常左侧腰椎峡部宽度为15.06±0.83,正常右侧腰椎峡部宽度为14.85±0.72,左右侧对比P=0.52>0.05,差异无统计学意义。
2.2腰椎峡部外1/2缺损模型与腰椎峡部内1/2缺损模型对比
为减少个体化差异和手工制腰椎峡部缺损模型的人为误差，为后续生物力学排除背景差异，对腰椎峡部外1/2缺损模型与腰椎峡部内1/2缺损模型的峡部缺损后宽度进行对比，腰椎峡部外1/2缺损模型峡部宽度为5.24±0.41,腰椎峡部内1/2缺损模型峡部宽度为5.15±0.34,对比P=0.57>0.05,差异无统计学意义。（见表1，表2）
2.3腰椎峡部外1/2缺损模型与腰椎峡部内1/2缺损模型断裂次数的对比
腰椎峡部外1/2缺损模型峡部断裂次数为25160±1019，腰椎峡部内1/2缺损模型峡部断裂次数为18782±3126,对比P=0.006<0.05,差异有统计学意义。腰椎峡部外1/2缺损模型抗疲劳性优于腰椎峡部内1/2缺损模型，提示腰椎峡部内1/2承担了更多的腰椎负荷应力，腰椎峡部外1/2更容易疲劳骨折（见表3，表4）。
2.4腰椎峡部外1/2缺损模型与腰椎峡部内1/2缺损模型断裂部位的对比
作为双侧腰椎峡部外1/2缺损模型峡部断裂部位3例为左侧，3例为右侧；作为双侧腰椎峡部内1/2缺损模型峡部断裂部位2例为左侧，4例为右侧。限于数据例数太少，此处仅作描述，未进行统计分析。
3讨论
腰背疼痛是威胁人类健康的主要疾病之一,而引起腰背疼痛的病因非常复杂。从解剖学和生物力学的观点分析,腰椎骨各部位损伤都可能产生腰背部疼痛。其中以腰椎间盘病变,小关节紊乱,椎弓峡部裂最为常见[6，7]。
自从1951年GJESSING首次报告腰椎峡部裂以来[8],针对峡部裂的发病原因开展了大量研究,目前主要有三种学说：一是先天发育缺陷；二是外伤性,由局部骨折引起；三是峡部原有发育缺陷,在外伤诱发下引起的。从临床观点看尽管陆续有学者报道急性外伤所引发的峡部骨折,但大多数峡部裂患者并未有明确的外伤史[9，10]。本课题主要研究椎弓峡部内外不同部分的抗疲劳力学特点，从而推导椎弓峡部裂的应力分布。
腰椎峡部主要承受来自关节突间部的剪力。在青少年和运动员中有很高的发病率，其主要病理特征是峡部一侧或双侧缺损。近年来对峡部的生物力学研究发现:腰椎峡部的过度负荷局部结构破坏是引起该病的主要原因[11]。Shaffe的二维有限元模型分析证实椎弓峡部应力集中区域由前外侧至后内侧逐渐向头端移行[12]。该实验结果与临床峡部裂多为斜行骨折是一致的。本研究结果显示：腰椎峡部外1/2缺损模型峡部断裂次数为25160±1019,腰椎峡部内1/2缺损模型峡部断裂次数为18782±3126,对比P=0.006<0.05，差异有统计学意义。可推导出：腰椎峡部外1/2缺损模型抗疲劳性优于腰椎峡部内1/2缺损模型，提示腰椎峡部内1/2承担了更多的腰椎负荷应力，在同一应力下，腰椎峡部外1/2更容易发生疲劳骨折。这一结果与文献描述椎弓峡部应力集中区域由前外侧至后内侧逐渐向头端移行是一致的。
Dai等的三维腰椎有限元节段模型证明峡部在直立位，后伸位，前屈位均有明显的应力集中现象，其中以后伸位应力值最高，验证了椎弓峡部裂是由局部高应力导致的疲劳性骨折。结合解剖学观点分析，椎弓峡部结构相对薄弱也容易发生损伤[13]。
根据腰椎小关节应力的转移机制，如再附加其他类型的载荷,必将进一步加大峡部的应力，而且峡部在结构上相对薄弱,也容易发生损伤。长期局部高应力刺激可导致峡部发生细微骨折,而局部结构破坏及力学性能的减弱使骨痂生长缓慢,这些细小损伤日积月累,进一步加剧了局部骨破坏。因此，通过本研究进一步揭示了腰椎滑脱发生的力学机制，可以认为腰椎椎弓峡部裂实质上是局部应力集中日积月累导致的疲劳性骨折。
参考文献
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