第一军医大学硕士学位论文颈椎终板结构生物力学特性的实验研究姓名：李鉴轶申请学位级别：硕士专业：人体解剖学及生物力学指导教师：朱青安;原林20030520颈椎终板结构生物力学特性的实验研究中文摘要目的1 研究颈椎终板平面的力学分布规律，并探讨节段间、相邻节段颈椎上下终板平面之间力学分布差异：2 研究保留终板与去除终板状态下颈椎生物力学特性的分布规律；3 研究椎体骨密度对颈椎终板生物力学分布的影响；4 研究颈椎椎间盘退变程度对颈椎终板生物力学分布的影响。材料与方法本课题共收集1 2 具人体新鲜颈椎标本( 1 1 具C 2 - C 7 ，1 具C 3 一C 7 ) ，8 男4 女。所有标本用N O R L A N D X R 3 6 型双能x 线吸收骨密度仪( D u a le n e r g yX r a ya b s o r p t i o m e t r y ，D E X A ) 测试每个椎体的骨密度( B o n em i n e r a ld e n s i t y ，B M D ) 。剔去标本周围软组织，分离颈椎各节段，并根据 N a c h e m s o n 椎间盘分类标准观察颈椎椎间盘退变程度。小心去除椎间盘及其下方的软骨，显露骨性终板。沿水平面将颈椎锯成上下两部分，用聚甲基丙烯酸甲酯( P o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ，P M M A ) 进行包埋固定。标本根据研究目的不同进行不同的分组：1 人体新鲜颈椎标本9 具共5 0 个椎体进行颈椎终板平面的力学分布规律的研究；2 挑选骨密度无差异的人体新鲜颈椎标本7 具共4 2 个椎体进行研究颈椎保留终板与去除终板状态下不同位点生物力学特性的分布规律的研究，将这些标本随机分为两组( 保留终板组4 具共2 4 个椎体，去除终板组3 具共1 8 个椎体) ，去除终板组的椎体除上述处理外，再用台式牙科钻小心磨去颈椎的骨性终扳。显露骨终板下的骨松质；3 人体新鲜颈椎标本9 具共5 0 个椎体进行骨密度对颈椎终板不同位点力学特性的影响的研究，通过对骨密度的逐步聚类法将标本分为三组，高骨密度组( n = 1 6 ) 、中骨密度组( n - 2 4 ) 、低骨密度组( n = l O ) ：4 人体新鲜颈椎标本9 具共5 0 个椎体进行颈椎椎间盘退变程度对颈椎终板平面不同位点生物力学特性的影响的研究，按椎问盘退变程度将标本分为四组：J 下常组( n = 2 2 ) 、I 度退变组( n = 1 0 ) 、I I 度退变组( n = 9 )和I I I 度退变组( n = 9 ) 。选择每一颈椎终板平面2 0 个特定的测试点，用8 5 8 型材料测试系统( M T S 公司，美国) 对颈椎终板表面各点进行压缩实验，实验采用直径为2 m m 的半球形压头以0 0 3 m m s 的速度垂直于终板平面下压2 m m ，所得的力一位移曲线计算出每- i 目 J 试点的最大压缩力及剐度，并采用S P S S 软件( S P S S 公司，美国) 对各组数据进行相应的分析：1 采用析因分析对最大压缩力及刚度的分布规律进行统计以研究颈椎终板平面的力学分布规律，终板的横线及纵线作为两个因素，分析各椎体节段间的差异时将椎体节段作为第三个因素；分析椎体上、下终板之间的差异时将相邻终板上、下终板作为第三个因素，分析颈椎相邻两个终板之间最大压缩力及刚度的分布。并对节段、横线、纵线之间最大压缩力及刚度分别进行S N K 检验；2 采用析因分析分别对保留终板组和去除终扳组的最大压缩力及刚度的分布规律进行统计分析，终板的横线及纵线板作为两个因素进行分析。并对横线、纵线之间最大压缩力及刚度分别进行S N K 检验。保留终板组与去除终板组采用独立样本t 检验进行统计分析：3 采用单因素方差分析观察最大压缩力及刚度与骨密度的关系。并将最大压缩力及刚度分别与骨密度进行S p e a r m a n 相关分析。对各个不同骨密度分组状态下横线、纵线之间最大压缩力及刚度分别进行析因分析，对横线之间、纵线之间的最大压缩力及刚度进行S N K 检验；4 采用单因素方差分析观察最大压缩力及刚度与椎间盘退变程度之间的关系。并对最大压缩力及刚度分别与椎间盘退变程度进行S p e a r m a n 相关分析。对各个不同退变分组状态下横线、纵线之间最大压缩力及刚度分别迸行析因分析。对横线之间、纵线之间的最大压缩力及刚度进行S N K 检验。结果1 颈椎节段之间最大压缩力及刚度有显著性差异( P O 0 5 ) 。下颈椎相邻终板之间的最大压缩力及刚度有统计学差异( P ( O 0 5 ) ，下终板的最大压缩力及刚度比上终板大。相邻终板矢状方向上的最大压缩力有差异( P ( O 0 5 ) ，但在冠状方向上无差异( P O 0 5 ) ，刚度在矢状方向及冠状方向均无差异( b O 0 5 ) ；2 颈椎上、下终板保留终板组最大压缩力及刚度均显著高于去除终板组。去除终板组上、下终板平面的平均最大压缩力分别占保留终板组的6 5 4 和7 3 ，而上、下终板平面的刚度只是保留终板组的4 7 9和4 8 5 。颈椎后部是保留终板组颈椎上终板力学强度较大的区域，颈椎外侧区是颈椎下终板力学强度较大的区域；去除终板组颈椎后部是上终板平面力学强度较大的区域，颈椎后外侧是下终板平面力学强度较大的区域：3 高骨密度组、中骨密度组及低骨密度组三组之间的最大压缩力、刚度均存在显著性差异( P ( O 0 1 ) ，且最大压缩力、刚度与B M D 呈正相关关系( 分别为r s = 0 5 2 3 和r s = 0 3 4 4 ) ；B M D 对颈椎终板力学强度有显著影响，但对其力学分布无明显影响；4 颈椎椎间盘退变可导致颈椎终板最大压缩力及刚度的显著性减小( P 均 0 0 5 ) T h ef a i l u r el o a da n ds t i f f n e s sh a dn od i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea d j a c e n tC 3 - C 4a n dC 4 - C sc e r v i c a le n d p l a t e s 仔， 0 0 5 ) B u tt h o s eh a ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ea d j a c e n tC 5 一C 6a n dC 6 一C 7c e r v i c a le n d p l a t e s ( P 0 0 5 ) B o t hf a i l u r el o a da n ds t i f f n e s sh a dn od i f f e r e n c ei nt h en e i t h e rt h ea n t e r o p o s t e r i o rd i r e c t i o nn o rt h el a t e r a ld i r e c t i o n 2 A c r o s se i t h e rs u p e r i o re n d p l a t es u r f a c eo ri n f e r i o re n d p l a t es u r f a c e ，b o t ht h ef a i l u r el o a da n ds t i f f n e s so fe n d p l a t e - i n t a c tg r o u ps i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s eo fe n d p l a t e - r e m o v a lg r o u pf P 0 1 ) 。纵线之间的刚度无差异( 如图3 5 ) 。圈3 4 三组颈椎上终板晟大压缩力分布图A 图为高骨密度组；B图为轻度骨质疏松组：C 图为低骨密度组F i g 3 - 4D i s t r i b u t i o n so ff a i l u r el o a d s8 c f o $ ss u p e r i o re n d p l a l e si nt h r e eg r o u p sf Ai sh i g hB M Dg r o u p ；Bi sm i d d l eB M Dg r o u p ；Ci sl o wB M Dg r o u p ) 幽3 - 5 三纽颈椎I ：终板刚度分布I 呈lA 幽为高骨晰度组：B 幽为轻度骨质疏松纽；C 图为低骨擀度组F i g 3 5D i s t r i b u t i o n so fs t i f f n e s sa c r o s ss u p e r i o re n d p l a t e si nt h r e eg r o u p s ( Ai sh i g hB M Dg r o u p ；Bi sm i d d l eB M Dg r o u p ；Ci sl o wB M Dg r o u p ) 下终板平面析因分析发现横线之间除高骨密度组的最大压缩力有差异( P = 0 0 3 6 ) 外其余两组均无差异( P 0 0 5 ) ，纵线之间三组均无差异。 高骨密度组横线a 力量最大，与横线b 有统计学差异( 肚0 0 1 2 ) ( 如图3 6 ) 。下终板平面的刚度除高骨密度组的横线( P = 0 0 1 6 ) 外均无差异，纵线之间无差异。高骨密度组横线C 是刚度最大的区域，与横线b 、d 有差异( P 0 1 ) 。纵线之间的刚度无差异。S N K 检验发现除椎间盘I 度退变组的横线的刚度外均无差异。( 如图4 4 所示)4 2图4 - 3 四纽颈椎f J 二终板最大压缩力分布图( A 图为正常组；B 图为椎阃盘 I 度退变组：C 图为椎问盘l I 度退变组；D 图为椎间盘度退变组)F i g 4 3D i s t r i b u t i o n so ff a i l u r el o a d sa c r o s ss u p e r i o rc n d p l a t e si nf o u rg r o u p s( A i sn o r m a lg r o u p ；B i s D DIg r o u p ；C i s D DI Ig r o u p ；D i s D D I T I g r o u p ) 图4 _ 4 四组颈椎上终扳翔4 度分布图( A 图为正常组 B 髓为推闻盘I 度 退变组C 圈为椎问盘度退变组；D 图为椎问盘度退变组) F i & 4 - 4 D i s t r m o t i n n s o f s t i f f s s a c r o g p e r i o f e n d p l a t c s i n f o u r g r o u p s ( Ai s n O r l l l a l g r o u p ；B I s D DIg r o u p ；C i s D D1 1g r o u p ；D i s D D I I I g r o u p )下终板平面析因分析发现横线之间除正常组的最大压缩力有差异( 尸= 0 0 0 5 ) 外其余三组均无差异( P 0 0 5 ) ，纵线之间四组均无差异。J 下常组横线c 力量最大，与横线b 有统计学差异( 如图4 ，5 所示) 。下终板平面的刚度除正常组的横线( P 0 0 0 1 ) 外均无差异，纵线之间无差异。正常组横线c 是刚度最大的区域，而横线d 是刚度最小的区域，两者之间有差异( P 0 0 5 ) 。( 如图4