胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性的研究进展
作者：孙建民 丁晓林 张辉 崔新刚
胸腰段后凸畸形的病因主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、强直性脊柱炎、Scheuermann?s病、老年性脊柱后凸、脊柱结核椎体破坏、椎体肿瘤、软骨发育不全等〔1、2〕，除了脊柱本身的因素外，胸腰段后凸畸形可由腹部肿瘤引起〔3〕。脊柱曲度正常时，身体重力线应通过各节段生理弯曲的交界处。胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段后凸畸形所造成的成角的或短弧形后凸畸形使损伤平面以上躯体的重心更趋前移，必将进一步加重后凸畸形〔4〕。随着我国进入老龄化社会，胸腰段后凸畸形的患者不断增多，胸腰段后凸畸形常出现局部不稳定，脊柱支撑功能丧失，从而引发腰痛，且多并发上腰椎的失稳及加速腰椎间盘退变，从而给患者造成极大的痛苦，有些患者通过保守无效，常需要手术治疗，给患者家庭和社会造成了巨大的负担。下面笔者就目前国内外胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性的研究情况进行综述。
1 脊柱胸腰段及腰骶椎的解剖及生物力学特点
胸腰椎移行部与腰椎及腰骶椎相比其形态和生物力学特性大不相同。该部位是后凸的胸椎与前凸的腰椎的移行区，生理弧度变直，这一区域恰好位于活动度较小、稳定性较强的胸椎与活动度较大、稳定性相对较差的腰椎之间；T11、12肋骨为浮肋，抵止在相应的椎体上而不是椎体间，不参与垂直载荷；从T10～12L1关节突关节的关节面的倾斜则发生很大变化，即左右旋转和左右侧屈的ROM大大降低，而前后屈曲ROM较胸椎明显增大；正常情况下，该部脊柱前方的垂直载荷分担率远远大于后方。在T11及T12胸椎，上关节突表现为胸椎上关节突的形态特征，而下关节突的形态特征却与腰椎相近，其前、后方无胸肋关节和肋横突关节的加强，且仅与一个椎体相关节，这些均构成了胸腰椎容易损伤的解剖学基础〔5〕。因此，脊柱的压缩性或爆裂性骨折常发生在胸腰段，从而造成胸腰段后凸畸形。从胸腰椎至腰骶椎，前后屈曲ROM逐渐增大，腰骶椎髂腰韧带的存在使该部位的运动和稳定性与L4、5以上有所不同〔6〕。
Abumi等〔7〕通过人尸体腰椎节段的破坏模型证实，棘上韧带、棘间韧带损伤甚至双侧关节突关节内侧半部分切除难以造成腰椎失稳，而单侧或双侧关节突关节完全切除则可导致椎间旋转和屈曲的失稳。椎间孔部的减压易导致关节突间（峡部）的分离。单侧时由于有椎弓的存在，两侧关节突关节还可发挥其功能。
2 目前利用动物脊柱标本进行的生物力学研究
王新伟等〔8〕利用出生1周以内的小牛胸腰椎新鲜标本，研究了小牛胸腰椎前路模型中的相关解剖，并与人体相关数据进行比较，发现：与人体相比，小牛脊柱椎体及椎间盘更接近圆柱状，椎间盘高度占脊柱高度的比例更大。又进行了生物力学实验，测试屈曲、伸展及侧屈状态下的载荷-应变、载荷-位移关系、最大载荷时的应力强度及屈曲、伸展、侧屈及扭转状态下的轴向刚度，最后进行极限力学性能测试。发现出生1周内的小牛胸腰椎标本在人生理载荷范围内，呈线形变化，与人体一致。
王向阳等〔9〕收集12具新鲜猪T10～L4节段胸腰椎脊柱标本，制造不同程度前中柱骨折模型，分为2组，分别安放椎弓根螺钉内固定器和内固定加前路植骨重建，每种状态依次在CMT4104多功能力学试验机上进行轴向压缩和前屈压缩测试，分别每组的完整标本、骨折内固定标本和植骨内固定标本的轴向压缩刚度和前屈压缩刚度。发现：胸腰椎前中柱骨折后经椎弓根螺钉系统固定不能使其恢复至原来的力学性能，椎体骨折累及范围越大，固定后力学性能越差；前中柱重建是减少后路内固定器械承载的关键。
周有礼等〔10〕利用羊的整条脊柱标本，对胸腰椎爆裂骨折后的局部载荷进行了研究。发现：在胸腰椎结合区域有较大的应变值表示该区域局部所承受的力量较大，在实验上脊柱承受牵引时，在胸腰椎接合之区域会承受较大的拉力。
3 利用在体动物模型进行的研究
Oda等〔11〕利用在体羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究脊柱损伤和后凸畸形对相邻运动节段的影响，他们将活体羊分为对照组、L3～5原位融合组及L3～5Cobb?s角为30°的后凸畸形融合组，进行了影像学、生物力学及组织学的研究分析，结果证实：脊柱后凸畸形导致头侧邻近节段的后方韧带复合结构的前凸性挛缩；L2椎板在屈伸活动下所承受的应力在后凸畸形组更为明显，提示更多的载荷转移向后柱；后凸畸形组邻近的头侧关节突关节有明显的退变性骨关节病改变，邻近的尾侧关节突关节亦有轻微的退变性骨关节病改变，而在原位融合组退变轻微。
Nielsen LW等〔12〕利用幼年猪制作了Scheuermann?s病的脊柱后凸畸形模型，利用病、放射影像学、血液生化等方法进行研究，发现猪的Scheuermann?s病胸腰段后凸畸形模型，与人Scheuermann?s病导致的胸腰段脊柱后凸畸形有可比性。
Lowe TG〔13〕等利用未成年羊的Scheuermann?s病模型，进行了一项在体实验，他将羊的胸腰段至下腰椎用椎弓根钉和聚乙烯绳在后面进行拴系，不融合，进行了13个月的观察后，处死羊，取其脊柱进行生物力学研究，发现模型矢状面上的非融合调整，能有效地减少椎体楔形变的程度，此方法可能成为治疗青少年Scheuermann?s病的一种可行办法。
4 利用人的尸体新鲜脊柱标本进行的研究
Birnbaum等〔14〕利用11具新鲜尸体躯干标本（含胸廓），制造了胸椎后凸畸形模型，对前路松解前、后的矢状面矫形效果进行了解剖学及生物力学研究，结果发现：单纯前路松解（开放或经胸腔镜辅助）矫形效果良好，且能有效地改善矢状面平衡。
赵必增等〔15〕利用新鲜尸体胸腰椎标本，探讨了椎体成形强化后对邻近椎间盘、椎体的力学影响，发现强化椎体后，对邻近椎体造成的应力集中很小，而对邻近椎间盘有一定的影响。
5 利用三维有限元分析进行胸腰段后突畸形研究
有限元素法（FEM）是一个求偏微分方程式的数值方法。随着个人计算机功能的完善，有限元素法的使用也越来越简单，在医用生物力学方面应用更是越来越普遍〔16〕。
Liebschner MA等〔17〕对19例人的尸体胸腰段椎体标本进行CT扫描，建立三维有限元模型，进行有限元分析；同时对标本实体进行解剖学测量以及生物力学试验分析，最后将二者测得的数据进行对比研究，进行统计学分析，发现：用恒定0.35层厚和457 MPa有效模量，结合CT重建的椎体几何模型与骨小梁特性，进行椎体外壳的建模，能精确的预测整个椎体的生物力学特性。
程立明等〔18〕就胸腰段后突畸形对相邻椎间盘力学影响进行了三维有限元分析研究。他们选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型（FEM），利用Free Form成形软件构建胸椎后凸畸形模型，分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分别比较椎间盘和小关节应力分布情况，出以下结论：脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。
6 利用影像学进行的临床研究
Seel EH等〔19〕使用Oxford Cobbometer对椎体骨折导致胸腰段后凸畸形的Cobb?s角进行测量，发现与传统的测量方法相比，其测量的结果更简便、准确、可行。
吉立新等〔20〕收集12例具备胸腰椎和腰骶椎正侧位X线片的胸腰段后凸畸形病例，与20例正常对照组进行相应比较，进行分析研究。发现患病组平均腰椎前凸角度与正常对照组相比有极显著性差异。患病组单节段腰椎前凸角度以上腰椎变化更为明显。从而认为：胸腰段的后凸畸形，使病损平面以上躯体的重心更趋前移，增加了致畸负荷，必将进一步加重后凸畸形。为维持直立下躯干重心的平衡，就需要调整头、颈、胸和腰部的曲度甚至髋部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通过腰椎的前凸加大来实现这一目的。腰段所发生的代偿性改变比腰骶段更为明显，而腰段的代偿性改变又更多地集中在上腰椎，而且椎体的后滑移也发生在上腰椎，表明胸腰段后凸畸形对上腰椎有更大的影响。
陈仲强等〔21〕测量14例后凸畸形截骨手术前后的胸腰段后凸角和腰椎的前凸角以及椎体滑移情况，对所得结果与正常组进行对比分析。发现：胸腰段后凸畸形可导致腰椎过度前凸及椎体向后方滑移，尤其在上腰椎更为明显，可能是引发腰背疼痛的重要原因之一：矫正胸腰段后凸畸形可减小腰椎的过度前凸和椎体滑移倾向，可明显减轻患者的腰背疼痛；前后方联合截骨更安全，矫正后凸畸形效果更好。
7 问题与展望
综上所述，对于胸腰段后凸畸形，国内外学者从解剖、动物标本模型、在体模型、人尸体标本模型、有限元分析模型及影像学临床等不同角度出发，进行了生物力学及其他方面的研究。研究更多的是解剖、标本模型、有限元分析及影像学方面。解剖学属于形态学范畴，研究较长；动物标本易于取材，但与人的生物力学特性还是有差异的；相对实验分析而言，有限元分析的优点在于它对分析参数控制的绝对性和简易性，及完整多样的结果数据。现阶段有限元素分析，必须要配合恰当的实验数据或临床现象比对，结合有经验的临床及力学人员，有限元素分析才能发挥它最大的功效。而由于受各方面条件的限制，在体动物生物力学模型与人新鲜尸体生物力学模型的研究，国内外报道的很少，尤其是利用人新鲜尸体对胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性进行生物力学的研究，目前国内外尚是一个空白，这方面还有很大的研究空间。
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