颈椎椎间盘髓核内压力测试分析研究(转载)

摘要：颈椎椎间盘是维持颈段脊柱的重要组成部分，它在维持颈椎稳定性方面起着非常重要的作用，但各种原因导致颈椎椎间盘退变或突发，引起一系列的临床病症。本文通过人体全段颈椎标本模拟人体中立位生理载荷运动，建立力学模型，并用直接和间接的方法测定颈椎椎间盘髓核内压力的数据予以验证，为颈椎椎间盘研究提供相应的生物力学评价和理论依据。
关键词：颈椎椎间盘，生物力学，内压力

The Study Of Stress Testing For The Inter-vertebral Disc Joints' Core

Yang Guobiao，Fang Ruhua，Ding Zuquan
Ouyang Yueping
(Tongji University Shanghai 200092, The Second Military University Changzheng Hospital)

Abstract:The inter-vertebral disc is a important part of Human Lumbar Spine, it is valuable for bio-mechanics study of the lumbar spine and inter-vertebral disc. This paper indicates that a new inner stress testing way for The Inter-vertebral Disc Joints' Core has been given, the study also gave that the new way is an effective method for The Inter-vertebral Disc Joints' Core. The data proves good results and corresponds another old way's results. All of these give an estimation and basic theory for The Inter-vertebral Disc Joints' Core study
Keywords:The Inter-vertebral Disc Joints' Core, Bio-mechanics, inner stress

　　颈椎在人体中占极其重要的地位，颈椎椎间盘退变或突出能引起一系列的临床病症，而与颈椎椎间盘退变或突出相关的是髓核内压力的变化和椎间盘上下截面的压力变化。在医学上这两个数据是维持颈椎稳定性的重要指标，也是临床上一个重要的数据。因此，对颈椎椎间盘髓核内压力的测定，是具有极其重要的意义。但在临床中直接测量颈椎椎间盘髓核内压力是非常困难的，更主要的是对人体的不安全，到目前为止，测量颈椎椎间盘髓核内压力仍是医学上的一个难题。本文通过对离体颈椎椎间盘两端压力的测试，根据颈椎椎间盘的解剖生理特点，用力学的基本原理，建立其数学模型，求出颈椎椎间盘髓核在中立位时的内压力，；同时用EI-P929程控测压仪，测得颈椎椎间盘髓核的内压力，两者相互验证，为临床提供一种新的测试方法和医学的判别依据。

颈椎椎间盘髓核内压力测试的理论推导

一、 力学模型的建立
　　根据颈椎椎间盘的解剖形态和其组织结构的特点，可把颈椎椎间盘简化成一近似弹性的椭圆柱体，其髓核位于颈椎椎间盘的中心，同时把髓核简化成一扁圆形小球，呈中心对称，如图1所示。
二、颈椎椎间盘髓核内压力测试的理论推导
　　如图1所示，在颈椎椎间盘中截面中心与髓核的中截面中心重合并设其为坐标原点，轴柱体的中心线轴与椭圆长轴一致，轴与椭圆的短轴一致，则中截面处的椭圆方程是：

　(1)

设椭圆柱体下端固定，椭圆柱体长度为。考虑到椭圆柱体在单纯的前后运动时，椭圆柱体是左右对称而前后不对称的。记、处受力为，处受力为，处受力为。通过待定函数法得到如下函数：

　(2)

　　这是一个线性分布的压力函数，易验证A、B、C、D四点压力恰巧为P_c、P_n、P_c、P_m，符合载荷的分布要求。
　　根据圣维南原理，在远离作用点处产生的效果与转换成另一种合力、合力矩不变的载荷其效果相同，所以可以对另一种载荷来解处的压力，只要这种载荷的合力与合力矩与原来的载荷的合力与合力矩相等。
原载荷合力是：

　(3)

因载荷沿方向，故方向的合力矩为0，又因为压力是左右对称的，所以方向的力矩也为0，因此合力矩是沿方向的，即：

　(4)

针对椭圆的几何特点，对上述方程作一坐标变换：，，则当从0~1，从0~时，单值地布满椭圆。坐标变换从到的雅可比行列式是：

因此合力为：　(5)

合力距为：　(6)
为了便于问题的求解，把载荷换成另一种合力、合力矩均保持不变的新的载荷，设新的压力分布是：

　(7)

它的合力是：(8)

它的合力矩是：　(9)
当合力、合力矩不变时，对髓核中心能产生相同的效果，所以有如下等式：，
即：

　(10)

由上述两式可解出：　(11)

容易验证，如下压力分布：

(是椭圆柱体侧面所受的压力)。
满足静力平衡方程：
也满足协调方程：

上式中：； 
椭圆柱体侧面的边界条件也满足：

过椭圆柱体中心的椭圆上压力分布是：

设髓核是半径为的圆，则它受到的沿轴向的压力是：

　(12)

则髓核内压力为：

　(13)

颈椎椎间盘髓核内压力的测试
　　1、用测定、、、四点压力来测量颈椎椎间髓核内压力
将标本固定，按照人体生理规律置放成中立位，并用压敏片(Pressure sensitive film，Ultra low pressure type，由Fuji Photo Film Co. Tokyo Japan 生产) 放置在图1中的、、、四点上，在中立位的工况下加载2分钟，当压敏片上受压部位有着色反应时，取出压敏片，再用FPD-301H浓度计和FPD-302压力换算计读取压力和着色面积A，B 、C、D、四点上代表前后左右的压力，其值见表1

表一 中立位工况下前后左右的压力值(±SD KPa)

 

中 立 位

前(B点)

后(D点)

左(A点)

右(C点)

颈 椎C4/5

4.480±0.012

4.059±0.031

4.352±0.012

4.168±0.023

颈 椎C5/6

4.442±0.032

4.437±0.021

4.568±0.014

4.554±0.009

颈 椎C6/7

4.498±0.016

4.385±0.023

4.532±0.019

4.621±0.008

 

再把上述数据代入式得到颈椎C4/5、颈椎C5/6、颈椎C6/7髓核中心处的压力值分别为：

表二 中立位工况下前后左右的压力值(±SD KPa)

 

中 立 位

颈 椎C4/5

颈 椎C5/6

颈 椎C6/7

压 力 值

4.265±0.012

4.488±0.031

4.499±0.012

 

二、用压力传感器系统来测量颈椎椎间髓核内压力
B900-I压力传感器是由新大云公司专业制造的压阻式传感器,量程为0~40Mpa，精度为0.1%(见图2)。髓核体积较小，具有独特的生物学特性，它不流动，呈凝胶状。本实验选用外径为Φ1.2mm，内径为Φ0.8mm的医用硅胶管套在测压针管前端的测压口，让硅胶管套深入髓核中心，再采用EI-P929程控测压仪记录(见图3)，从而测得髓核中心在加载情况下的压力值，其测量结果如表3所示。

表三 中立位工况下前后左右的压力值(±SD KPa)

 

中立位

颈椎C4/5

颈椎C5/6

颈椎C6/7

压力值

4.431±0.012

4.324±0.031

4.121±0.012

图2压力传感器 图3 EI-P929程控测压仪

结果与分析
　　本文用两种方法来测试颈椎椎间盘髓核的内压力，得到两组值，其中表2是通过测得颈椎椎间盘前后左右四个压力再由理论解得到髓核的内压力值，表3为通过仪器测得的髓核内压力值。这两者之间的相对误差分别为3.7%、3.65%、8.4%；用Student Newman Keuls检验，对两者进行相关分析运算，其相关运算值为r>0.9，表明两者高度相关，即两种测量方法得出的结果能够很好地吻合，这说明在一定的程度上，通过建立数学模型来测定颈椎椎间盘髓核的内压力所得的结果是可信的。颈椎椎间盘是一相对封闭的结构，在医学上要想获得它的绝对值是极其困难的，这样的情况下要想进行大量临床的生物力学的研究、探讨有关颈椎椎间盘疾病的发病机制和治疗手段的评估都是比较困难的，所以通过理论推导和实验验证颈椎椎间盘髓核的内压力，对临床分析和治疗都是很有指导意义的。同时，提出一种新的测试颈椎椎间盘髓核的内压力方法，给临床对颈椎椎间盘髓核的内压力的进一步研究提供一种新的思路。

杨国标（同济大学工程力学与技术系，上海　200092）
方如华（同济大学工程力学与技术系，上海　200092）
丁祖泉（同济大学工程力学与技术系，上海　200092）
欧阳跃平（上海第二军医大学长征医院）

参考文献

1，Adams MA. Hutton WC. The mechanics of prolapsed intervertebral disc. International Orthop, 1982;6:249
2，Miller JAA, Schomtz C.Lumbar dics degeneration:correlation 3:1with age,sex,and spine level in 600 autosy specimens.Spine,1988;173.
3，董凡,戴克戎等.椎间盘营养生理研究进展.中国脊椎脊髓杂