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腰椎退行性疾病发生机制的生物力学研究进展

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752 河北医药2012年3月第34卷第5期Hebei Medical Journal。2012,Vol 34 Mar No.5 doi:10.3969/j.issn.1002-7386.2012.05.068 ・综述与讲座・ 腰椎退行性疾病发生机制的生物力学研究进展 刘杰 【关键词】腰椎退行性疾病;发生机制;生物力学 【中图分类号】R 681.533 【文献标识码】A 【文章编号】1002—7386(2012)05—0752—03 此建立合适的数学模型和动物模型非常困难。目前很多学者 都在进行这方面的探索,随着计算机技术的发展,其中腰椎的 随着我国逐步进入到老龄化社会,脊柱退行性疾病呈逐年 增加趋势,导致人们生活及生命质量的下降。脊柱退变是随生 命进程进行性发展而不可避免的一个过程,当退变发展到一定 程度时,必然会引起一系列的临床相关联的症状。分析这些退 变所引起的致病因素,找出其内在的规律,提高临床诊疗水平, 对维护生命质量及指导医疗干预方式的选择具有十分重要的 意义 。目前国内外学者对脊柱退行性疾病的发病及治疗进 行了广泛而深入的研究,特别是在腰椎退行性疾病的生物力学 方面也进行了大量研究。 1腰椎的生物力学功能 相对于其他有脊椎动物身上仅仅是起连接作用的腰椎,人 类的腰椎起到了支撑和运动这两个最主要的功能。自从人类 直立以来,腰椎就面临着巨大的压力。同样的,任何一种动物 的腰椎都没有像人的腰椎这样灵活。支撑要求稳定,而运动要 求灵活,腰椎是两个矛盾的集合。 在婴儿第一次抬头活动的时候,颈椎前凸开始逐渐形成, 同理,当幼儿开始直立行走的时候,腰椎前凸开始逐步形成。 脊柱曲度的最重要的功能就是行走循环中的多变性。在每一 个跨步中,矢状面的曲度会增加或者降低,每一个腰椎平面的 增减幅度约为1。~2 。这表明屈曲的脊柱在每一个跨步中 可以吸收和释放能量,这点类似弹簧,曲线形状可以允许压缩 的结构在屈曲时变形,而不是单纯的压缩,这反过来使他能够 起到减震器的作用。 腰椎的这种特殊形态致使腰椎不仅受到压力的作用。由 于腰椎形态和运动的影响,腰椎受到压力、剪力、弯曲力和扭转 力的作用。当人直立时,躯干、头和手臂的质量会对下腰椎施 加相当于体重55%的垂直作用力。背肌和腹肌的作用为保护 脊柱,维持脊柱于直立位置,和防止过度弯曲和轴向旋转 ,然 而,因为许多躯干肌与脊柱长轴平行,所以当背肌产生保护和 拉动脊柱的张力时,也会产生作用于脊柱的很高的压力。筋膜 和韧带的被动伸展也起到了相同的作用。肌肉和韧带在减轻 腰椎剪力、弯曲力和扭转力的同时,带来了更大的压力 。因 此,肌肉和韧带可以说是脊柱最好的朋友和最坏的敌人。 2腰椎退行性疾病的生物力学发生机制 脊柱的退变主要分为:椎间盘退变、椎体退变、关节突关节 退变、肌腱和韧带的退变 J,其中前几个因素较为明显。由于 腰部生物力学机制复杂,呼吸都可以影响腰椎的力学特性,因 作者单位:062250河北省献县人民医院 三维有限元分析应用较多,其有助于分析各种力量施加下的腰 椎各结构间及结构内部压力的分布 。’ 。 2.1 腰椎间盘的退变腰椎间盘的代谢更多地依赖于间断性 的压力负荷,且与压力负荷的频率和强度相关 。椎间盘细胞 可以根据主要的力学负荷环境而发生变化,椎间盘外层纤维环 是椎间盘的新陈代谢活动最活跃的区域,因此能够与逐渐增加 的力学负荷相适应 J。而髓核的血液循环较差,最先与老化有 关的改变发生在髓核内。研究发现突出椎间盘样本出现了细 胞类聚和肥厚,这些是髓核退变的典型改变。在退变的髓核中 x型胶原的相关表达与对照组比较有明显的升高,表明X型胶 原可能有助于髓核的退变或钙化的发展 J。而退变髓核内葡 萄糖胺聚糖含量降低,葡萄糖胺聚糖退行性变改变了椎间盘的 力学轴线,可能会导致退变的级联反应。而髓核交联剂可以阻 止葡萄糖胺聚糖和椎间盘力学的变化,可能是治疗椎间盘退变 的一种潜在途径--…。 2.2腰椎骨的退变骨组织随年龄而明显退化,这些与身体 活动的降低和性激素变化有关。因为男性活动量大且脊柱很 少受激素水平改变的影响,在男性脊柱中椎骨的骨矿含量、椎 间盘及周围韧带强度是和所受负荷相关的,由此可以说明椎骨 强度和腰部负荷相适应 。然而这种骨的适应不一定总是有 益的,其可以导致邻近椎体明显的硬化和骨小梁数目增加。较 致密的骨可以阻止代谢物质进入椎间盘。椎体边缘、小关节周 围的骨赘表明,骨试图通过更大面积上的传导力以减少应力和 应变。很不幸,这些骨赘可以导致神经根在椎问孔处受压… 。 2.3腰椎关节突关节的退变腰椎关节突关节即腰椎小关 节,是由相邻椎骨的上下关节突的关节面构成,它在相邻的连 续椎体中提供了重要的锁定功能。它们可以防止椎体轴向旋 转和向前滑移,受到外伤、异常应力等因素均可引起该关节的 损伤和退行性变。腰椎关节突关节退行性变在4o岁以上人群 中普遍存在,而小关节的退变容易导致关节失稳,而最终导致 腰椎间盘突出¨ 。而腰椎间盘退变和椎间小关节骨性关节炎 程度加重又均可增加腰椎的不稳定性 。 腰椎关节突关节承受了腰部5%一96%(平均45%)的压 力,关节突关节承载的负荷和骨质、软骨的改变有密切的联系, 如果承受的压力超过50%则关系更加密切。而多种形式的退 行性关节病如小骨赘、关节变形、骨质硬化等,与软骨退变的程 度有密切的联系。其中关节突关节负载大于50%的年老个体 河北医药2012年3月第34卷第5期Hebei Medical Journal,2012,Vol 34 Mar No.5 753 与骨和软骨的严重退变密切相连。这些可用于对生活中承受 也会忽略周围腰腹肌等因素对腰椎的影响。数学模型不能预 压力改变关节突关节的程度进行预测 。 2.4肌腱和韧带的退变肌腱和韧带的血液供应较差,尤其 测不同脊柱力学行为的多样性。因此在处理这些信息前应该 考虑到这些技术的局限性,我们要整体、全面的分析每一个现 在中部,它们的代谢率较低,但是这些组织可以因施加的负荷 而加强或减弱。随着年龄的增加,脊柱发生退变后稳定性减 低,活动度增加,导致了黄韧带所受的牵张力增加,黄韧带为了 对抗牵张力而维持脊柱的稳定,可能通过增加胶原纤维的含量 来增加其抗拉伸能力,而胶原含量的增加可能导致了黄韧带发 生退变 。随着老化和退变的加剧,黄韧带就更易于钙化而弹 力成分减少 。严重的椎间盘及关节面的退变或者黄韧带退 象后面的本质。随着近代计算机技术应用到脊柱的生物力学 研究上。以及有限元分析等技术的广泛应用,腰椎退行性疾病 的生物力学研究有望获得更为深入、更加科学的成果。 参考文献 1王岩.进一步提高腰椎退行性疾病的研究水平.中国脊柱脊髓杂志, 2010,20:529 ̄30. 2 Syczewska M,Oberg T,Karlsson D.Segmental movements of the spine during treadmill walking with normal speed.Clin Biomech(Bristol, 化,与腰椎节段平移活动的增加有着密切的联系。因此,椎间 盘、关节面、黄韧带的状态可以考虑用作评价腰椎的稳定性 。 3诊断和治疗的研究 在脊柱退行性变的过程中,每一阶段都有其自身的特点、 规律,其中有年龄因素、生活习惯及环境因素,还有生物力学及 新陈代谢的因素,而在临床表现中其症状往往也有交叉,不同 阶段又是会有共同的临床表现和症状 。有研究发现对于腰 椎退行性疾病的节段不总是不稳定的,只有该节段滑脱变化> 3 mill时才认为不稳定 。因此在诊断和治疗时也要充分的认 识影像学的辅助作用。 从大样本的统计学资料来看,绝大多数有症状的患者是不 需要进行手术治疗的。脊柱退行性变会累及所有人群,但最后 需要外科介入的仅仅为10%一30%[2o3。腰椎退行性疾病椎体 融合术后患者的满意度没有预期的那样高,因此,对于这些病 人来说要谨慎的实施腰椎融合手术,这也说明了在脊柱手术后 那些慢性疼痛一直存在的原因 。因此对保守治疗应该有足 够的重视。过去的观点是利用卧床休息来治疗腰痛,并认为体 育锻炼有损于腰痛的治疗,但是这种观点已经逐渐引起人们的 怀疑。相反,现在的研究更强调体育锻炼在维持骨骼肌肉系统 健康中的重要性。 目前由于脊柱退行性疾病程度的逐渐加重,手术患者也逐 渐增多。近年来,脊柱外科多种新技术的采用,使脊柱外科的 手术治疗进入了一个全新的节段,有结果表明利用动力性固定 器Dynesys进行脊柱融合的分段治疗是一种可行、有效、安全的 外科治疗多节段退变性椎间盘疾病的手术方法。对于内固定 物椎弓根螺钉稳定性的研究发现,增加螺钉的直径可以显著提 高内固定的稳定性,其效果明显优于骨水泥强化的方法,并且 产生较少的骨质损伤 。而对于具有粗大椎弓根的骨质疏松 患者可以经椎弓根行双螺钉固定,其固定节段的脊柱稳定性明 显强于单独螺钉的效果 。但是,使用粗螺钉和双螺钉会加大 椎弓根崩裂引起椎弓根骨折的危险,因此需谨慎实施。 从生物力学来研究腰椎退行性疾病,有助于理解腰椎稳定 的机理,解释腰椎退行性疾病的发病机制,特别是对提高临床 诊断水平和腰椎疾病的治疗效果有十分重要的意义。目前腰 椎退行性疾病的生物力学研究已取得了瞩目的成果,但还存在 一些不足。我们关于脊柱的力学知识主要来源于动物和尸体 标本的试验,以及数学模型。活体与尸体、动物与人体的脊柱 生物力学功能上都存在一定差异,而且单纯研究腰部的力学时 Avon),1999,14:384-388. 3 Stokes IA,Gardner・M0rse M,Henry SM,et a1.Decrease in trunk muscular response to perturbation with preactivation of lumbar spinal musculature. Spine(Phila Pa 1976),2000,25:1957.1964. 4 Dolan P,Kingma I,De Looze MP,et a1.An EMG technique for measuring spinal loading during asymmetirc lifting.Clin Biomech(Bristol,Avon), 2001,16 Suppl 1:¥17-24. 5 Fujiwara A,Lim TH,An HS,et a1.The effect of disc degeneration and facet joint osteoarthritis on the segmental flexibility of the lumbar spine. Spine(Phila Pa 1976),2000,25:3036-3O44. 6 Su JC,Li ZD,Cao LH,et a1.Three—dimensional finite element analysis of lumbar vertebra loaded by static stress and its biomeehanical signiifcance. Chin J Traumatol,2009,12:153—156. 7刘洋,赵永飞,顾晓民,等.退变性腰椎滑脱力学模型建立及分析.脊 柱外科杂志,2010:39-43. 8 Itoh H,Asou Y,Hara Y,et 1a.Enhanced type X collagen expression in the exturded nucleus pulposus of the ehondrodystrophoid dog.J Vet Med Sci, 2008,70:37_42. 9 Skrzypice D,Tarala M,Pollintine P,et a1.When are intervertebral discs stronger than their adjacent vertebrae.Spine(Phila Pa 1976),2007,32: 2455-2461. 10 Yerramalli CS,Chou AI,Miller GJ,et a1.The effect of nucleus pulposus crosslinking and glycosaminoglycan degradation on disc mechanical func— tion.Biomech Model Mechaanbiol,2007,6:13-20. 11 Parfitt AM,Qiu s,Palnitkar S,et a1.Abnormal bone remodeling in pa— tients with spontaneous painful vertebral fracture.J Bone Miner Res. 2010.239:10o2. 12 Tischer T,Aktas T,Milz S,et a1.Detailed pathological changes of human lumbarfacetjoints L1-15 in elderlyindividuals.Eur Spine J,2006,15: 308-315. 13 Rousseau MA,Lazennec JY,Bass EC,et a1.Predictors of outcomes after posterior decompression and fusion in degenerative sp0ndyl01isthesis.Eur Spine J,2005,14:55-60. 14 Brown KR,Pollintine P,Adams MA.Biomechanical implications of de— generative joint disease in the apophyseal joints of human thoracic and lumbar vertebrae.Am J Phys Anthropol,2008,136:3l8-326. 15 上官磊,樊星,仲宵鹏等.腰椎退变黄韧带的生物力学测定.中国脊 柱脊髓杂志,2009,19:749-752. 16 Schrader PK,Grob D,Rahn BA,et a1.Histology of the ligamentum fla— vum in patients with degenerative lumbar spinal stenosis.Eur Spine J. 1999,8:323-328. 17 Kong MH,Morishita Y,He W,et a1.Lumbar segmental mobility accord- ing to the grade of the disc,the facet joint,the muscle,and the ligament pathology by using kinetic magnetic resonance imaging.Spine(Phila Pa 1976),2009,34:2537-2544. 18 Chitkara YK.Degenerative spine disease.Am J Clin Pathol,2006,126: 315. 19 Hasegewa K,Kitahara K,Hara T,et a1.Biomechanical evaluation of seg— mentla instability in degenerative lumbar spondylolisthesis.Eur Spine J. 2oo9,l8:465-470. 2O邹德威主编.脊椎退变与畸形.第l版.北京:人民卫生出版社, 2oo8.28. 754 可北医药2012年3月第34卷第5期Hebei Medical Journal,2012.Vol 34 Mar No.5 21 Kong CB,JeonDW,ChangBS,eta1.Outcome of spinalfusionforlumbar SUS cement augmentation.Spine(Phila Pa 1976),2008,33:2618-2622. 23 Jing L,Aralet V,Beckman L,et a1.Double pedicle screw instumentatrion in the osteopomtic spine:a biomechanieal feasibility study.J Spinal Dis— ord Tech.2007,20:430435. degenerative disease:a cross-sectional study in Korea.Spine(Phila Pa 1976),2010,35:1489・1494. 22 Kiner DW,Wybo CD,Sterba W,et a1.Biomeehanieal analysis of different techniques in revision spinal instrumentation:larger diameter screws ver— (收稿日期:2011一O8—29) doi:10.3969/j.issn.1002-7386.2012.05.069 ・综述与讲座・ 不同地区变应性鼻炎患者吸人性变应原的分布研究 陈艳丽 徐小玲张婧刘学芳 武晓梅李永楠 【关键词】 鼻炎,变应性;变应原 【中图分类号】 R 765.21 【文献标识码】 A 【文章编号】 1002~7386(2012)05—0754—02 应原液、体外特异性变应原检测试剂盒等所做的检测,变应原 占首位的也是尘螨、室尘或灰尘,都属于同一类变应原,而唯一 不是以尘螨为主要变应原的是内蒙古包头地区 的报道,其 地区的主要致敏原是艾蒿、藜、蒲公英和大豚草。这可能和内 蒙古地区特殊的自然环境有关。 除尘螨类为AR患者主要变应原外,其次的变应原在北方 以花粉和杂草为主。而在南方则有真菌、动物皮毛、花粉和蟑 变应性鼻炎(allergic rhinitis,AR)是临床上常见的鼻部疾 患,是发生在鼻黏膜的变态反应性疾病,鼻黏膜反应性增高是 其主要特点,近年来发病率呈上升趋势,严重影响患者的学习、 生活和工作,已经成为国内外学者们关注的热点课题。明确致 敏原种类对于变应性鼻炎的预防、诊断及治疗尤其重要。AR 患者之间虽然在临床表现及发病机制上非常相似,但由于地理 环境和气候的不同,各地诱发变应性鼻炎发病的变应原差异也 较大,具有明显的地区性。同时采用不同检测方法和试剂对变 应性鼻炎患者进行测试,所得出的结果也会有差异。为了解我 螂等不同的变应原。如北方王成硕等 报道北京地区AR患 者的主要变应原除粉尘满64.6%、屋尘螨64.3%外,其次的变 应原是花28.7%、杂草26.5%。山东青岛张秋贵等 报道其地 区其次的变应原是杂草34.7%菊属33.1%。南方地区如徐庆 文等 报道广州中山地区AR患者的变应原除尘螨外主要为 霉菌Ⅱ(40.67%)、和霉I(36.85%)。而杭州潘黎明等 报 道除尘螨外主要的变应原为狗毛皮屑16.67%、猫毛皮屑 15.22%、蟑螂13.77%。陈建军等 报道湖北地区除尘螨外主 要的变应原为蟑螂19.55%、豚草15.63%和艾蒿(14.14%)。江 国不同地区变应性鼻炎患者吸人性变应原的分布特点,我们检 索了2006至2010年国内杂志对变应性鼻炎患者吸人性变应 原检测的报道,分析其特点,综述如下。 1 国内各地AR患者变应原种类的异同  .从国内各家报道来看,无论南方、北方,AR患者最常见的 吸人性变应原都是尘螨,包括屋尘螨和粉尘满。如北方的河北 石家庄…、山东青岛地区 ,南方的中山地区 、珠海 、南 京 J、深圳[6 3、安徽芜湖 j、广东东莞地区 j、湖北荆州地区 苏省南通地区 的主要变应原除尘螨外,主要为梧桐花粉 (74.92%)、油菜花粉(69.33%)、蟑螂(42.67%)和动物毛屑 (41.42%)。各地不同的变应原与各地的气候、环境、大气污染、 绿化植被、人群的生活方式和饮食习惯的不同有关。 2变应原与季节的关系 等都报道AR患者的吸人性变应原以屋尘螨为主,粉尘满为第 二变应原。而北京地区_ lu_、江苏省南通地区 报道AR患者 吸人性变应原以粉尘满为第一致敏原,而屋尘螨为第二变应 原。但无论屋尘螨为第一还是粉尘满为第一变应原,在各家的 报道中屋尘螨和粉尘满的阳性率都相差无几。如北京王成 硕 报道粉尘满阳性率为64.6%,而屋尘螨为64.3%。石家 庄任秀敏…报道屋尘螨阳性率为43.46%,而粉尘满为 尘螨是我国常年性变应性鼻炎患者的主要致敏源。尘螨 最常见于床尘、床单、枕头、被子、布沙发、地毯之中,它们喜好 潮湿、怕热、怕冷、怕干燥。尘螨的皮屑、卵、尸体、分泌排泄物 40.64%。安徽芜湖桂晓忠 报道屋尘螨阳性率91.84%,而粉 尘螨为89.12%。而屋尘螨和粉尘螨都是螨类,两者之间有交 叉抗原性,属于同一类变应原。所以我国AR患者最常见的吸 人性变应原是尘螨。 从检测方法来看,无论用德国默克公司的阿罗格皮肤点刺 液还是用丹麦ALK公司安脱达标准化变应原皮肤点刺液进行 均可引起过敏。螨在日常家居生活中常年存在,对螨过敏的患 者全年都有症状。王鹏等 报道在武汉青山地区尘螨作为变 应性鼻炎的首要致敏原,全年都可检测出,并且其在不同的月 份中的百分比差异无统计学意义。而潘黎明等 认为人们的 现代化生活模式可能就是一个促进变应性疾病发病增高的因 素,如人们越来越多的时间生活在一个相对封闭的环境中,再 加上空调、冰箱、地毯、沙发等现代化设施的普及应用,使尘螨 在室内的密度大肆增加,它们和人群的接触程度也明显提高, 的检测,绝大部分AR患者的吸人性变应原以屋尘螨和粉尘满 占主要地位。而用其他试剂所做的检测如北京协和医院的变 作者单位:065000河北省廊坊市人民医院 因此一些具有过敏遗传背景的个体致敏机会大大增加。 季节性变应性鼻炎在我国各地有不同的致敏源,而以花粉 

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