基于筋束骨理论建立慢性劳损型上颈椎失稳尸体模型及评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2610

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (20): 3152-3156.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2610

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基于筋束骨理论建立慢性劳损型上颈椎失稳尸体模型及评价

梁龙¹，于杰^1，2，魏戌^1，2，周帅琪^1，3，尹逊路^1，2，刘广伟²，谢瑞¹，谢榕^1，3，庄明辉¹，朱立国^1，2，冯敏山^1，2

¹中国中医科学院望京医院脊柱二科，北京市 100102；²中医正骨技术北京市重点实验室，北京市 100102；³北京中医药大学，北京市 100029

收稿日期:2019-08-29 修回日期:2019-08-31 接受日期:2019-10-24 出版日期:2020-07-18 发布日期:2020-04-13
通讯作者: 朱立国，博士，教授，中国中医科学院望京医院脊柱二科，北京市 100102；中医正骨技术北京市重点实验室，北京市 100102 并列通讯作者：冯敏山，博士，主任医师，中国中医科学院望京医院脊柱二科，北京市 100102；中医正骨技术北京市重点实验室，北京市 100102
作者简介:梁龙，男，1990年生，安徽省全椒县人，汉族，中国中医科学院在读博士，医师，主要从事骨与关节退变研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81173279)；国家自然科学基金(81774330)；国家科技支撑计划(2014BAI08B06)；中医药行业科研专项(201107004)；横向课题(HZL2017001)；中国中医科学院“十三五”重点领域科研专项(ZZ10-022)；中国中医科学院科技创新优势团队(YS1304)；国家留学基金委基金(201908110307)

Establishment and evaluation of a cadaveric model of chronic strain-induced upper cervical spine instability based on fascia-bone theory

Liang Long¹, Yu Jie^{1, 2}, Wei Xu^1,
2, Zhou Shuaiqi^{1, 3}, Yin Xunlu^{1, 2}, Liu Guangwei², Xie Rui¹, Xie Rong^{1, 3}, Zhuang Minghui¹, Zhu Liguo^{1, 2}, Feng Minshan^{1, 2}

¹Second Department of Spine, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; ²Beijing Key Laboratory of TCM Bone Setting, Beijing 100102, China; ³Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 100029, China

Received:2019-08-29 Revised:2019-08-31 Accepted:2019-10-24 Online:2020-07-18 Published:2020-04-13
Contact: Zhu Liguo, MD, Professor, Second Department of Spine, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; Beijing Key Laboratory of TCM Bone Setting, Beijing 100102, China Feng Minshan, MD, Chief physician, Second Department of Spine, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; Beijing Key Laboratory of TCM Bone Setting, Beijing 100102, China
About author:Liang Long, MD candidate, Physician, Second Department of Spine, Wangjing Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81173279 and 81774330; the National Science and Technology Support Program, No. 2014BAI08B06; Special Research Project of the Chinese Medicine Industry, No. 201107004; Horizontal Project, No. HZL2017001; “Thirteenth Five-Year” Specific Scientific Research Project of China Academy of Chinese Medical Sciences, No. ZZ10-022; Science and Technology Innovation Team of China Academy of Chinese Medical Sciences, No. YS1304; a granted by China Scholarship Council, No. 201908110307

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

慢性劳损所致的上颈椎失稳：是由于长期累积性力引起颈部筋伤，筋不束骨，最终发生“筋出槽，骨错缝”,导致上颈椎活动度的异常改变。

“筋束骨”理论：“诸筋者，皆会于节”“宗筋主束骨而利机关也”等论述均表明筋能聚于关节附近维持关节的稳定性。当筋长期劳损后，出现“筋伤”，进而“束骨”能力下降，最终导致“骨错缝”的发生。

背景：对于上颈椎失稳机制的尸体标本研究多集中于急性暴力模型，尚缺乏慢性劳损型上颈椎失稳模型。

目的：根据“筋束骨”理论构建慢性劳损致上颈椎失稳尸体模型并进行模型评价。

方法：将9具新鲜尸体颈椎标本准备完毕后，先用Motion Analysis运动捕捉系统进行正常椎体活动度的检测，再使用BOSE动态疲劳试验机进行最大幅度的屈伸和旋转疲劳加载构建上颈椎失稳尸体模型，再次进行活动度的检测，比较造模前和造模后的上颈椎模型的枕寰关节、寰枢关节和整个上颈椎结构的前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋、右旋活动度。研究方案的实施符合南方医科大学的相关伦理要求，标本供者自愿捐赠。

结果与结论：①在前屈运动时，造模后标本的寰枢关节(C₁_-₂)、整个上颈椎(C₀_-₂)活动范围明显大于造模前的标本(P < 0.05)；后伸时，造模后标本的寰枕关节(C₀_-₁)、整个上颈椎(C₀_-₂)活动范围明显大于造模前(P < 0.05)；在屈伸复合运动时，造模后标本的寰枢关节(C₁_-₂)、整个上颈椎(C₀_-₂)活动范围显著大于造模前标本(P < 0.05)；②在侧屈活动中，造模后标本寰枕关节(C₀_-₁)、寰枢关节(C₁_-₂)、整个上颈椎(C₀_-₂)的活动度均较造模前有所增大，但差异无显著性意义(P > 0.05)；③在右旋活动时，造模后标本的整个上颈椎(C₀_-₂)的活动度较造模前明显增加(P < 0.05)；④在左右旋复合运动时，造模后标本的寰枢关节(C₁_-₂)、整个上颈椎(C₀_-₂)活动范围明显大于造模前的标本(P < 0.05)；⑤结果说明，采取该造模方法可以很好地反映慢性劳损型上颈椎失稳的状态。

ORCID: 0000-0001-7193-8547(梁龙)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 上颈椎失稳, 慢性劳损, 造模, 活动度, 筋束骨

Abstract:

BACKGROUND: Studies regarding the instability of upper cervical spine in cadaveric specimens are mostly based on an acute violence model, and there is still no chronic strain-induced upper cervical instability model.

OBJECTIVE: To construct and evaluate the cadaveric model of the upper cervical spine instability caused by chronic strain according to the theory of “fascia and bone.”

METHODS: Nine fresh cadaveric cervical spine specimens were prepared and the normal vertebral range of motion was detected by Motion Analysis Motion Capture System. The upper cervical spine instability model was constructed by using BOSE dynamic fatigue testing machine with maximum flexion, extension and rotation fatigue loading. Then, the vertebral range of motion was tested again. The anterior flexion, posterior extension, left flexion, right flexion, left and right rotation of the occipitoatlantoaxial joint, the atlantoaxial joint and the whole upper cervical spine were compared before and after modeling. The implementation of the study protocol complied with the relevant ethical requirements of Southern Medical University, and the specimens were voluntarily donated.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) During anterior flexion, the range of motion of the atlantoaxial joint (C_1-2) and the entire upper cervical vertebra (C_0-2) of the specimens after modeling was significantly larger than that before modeling (P < 0.05). During posterior extension, the range of motion of the atlantooccipital joint (C_0-1) and the entire upper cervical vertebra (C_0-2) of the specimens after modeling was significantly larger than that before modeling (P < 0.05). During both flexion and extension, the range of motion of the atlantoaxial joint (C_1-2) and the entire upper cervical vertebra (C_0-2) of the specimens after modeling was significantly larger than that of the pre-modeling specimen (P < 0.05). (2) During lateral flexion, the range of motion of the atlantooccipital joint (C_0-1), the atlantoaxial joint (C₁_-₂), and the entire upper cervical vertebra (C_0-2) of the specimens after modeling was increased compared with that before modeling. However, there was no significant difference (P > 0.05). (3) During right rotation, the range of motion of the whole upper cervical spine (C_0-2) of the specimens after modeling was significantly increased compared with that before modeling (P < 0.05). During both left and right rotation, the range of motion of the atlantoaxial joint (C_1-2) and the whole upper cervical spine (C_0-2) of the specimens was significantly larger than that of the specimens before modeling (P < 0.05). Therefore, this model can be used to reflect the state of upper cervical instability caused by chronic strain.

Key words: the upper cervical instability, chronic strain, modeling, range of motion, fascia and bone

中图分类号:

梁龙, 于杰, 魏戌, 周帅琪, 尹逊路, 刘广伟, 谢瑞, 谢榕, 庄明辉, 朱立国, 冯敏山. 基于筋束骨理论建立慢性劳损型上颈椎失稳尸体模型及评价[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(20): 3152-3156.

Liang Long, Yu Jie, Wei Xu, Zhou Shuaiqi, Yin Xunlu, Liu Guangwei, Xie Rui, Xie Rong, Zhuang Minghui, Zhu Liguo, Feng Minshan. Establishment and evaluation of a cadaveric model of chronic strain-induced upper cervical spine instability based on fascia-bone theory[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(20): 3152-3156.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计建立慢性劳损型上颈椎失稳尸体模型。

1.2 时间及地点实验于2019年5月在南方医科大学生物力学实验室完成。

1.3 对象 9具新鲜尸体颈椎标本由北京市解剖学会提供，并用X射线正侧位摄片显示上颈椎标本无伤患。标本供者自愿捐赠，研究方案的实施符合南方医科大学的相关伦理要求。

1.4 主要实验设备

1.4.1 Motion Analysis运动捕捉系统由10台数字动作捕捉镜头围绕于场地周边组成(型号Hawk，500万像素)。

1.4.2 BOSE动态疲劳试验机型号ELECTROFORCE，用于脊柱标本的疲劳加载及试验。

1.5 方法

1.5.1 标本处理将连结寰椎的部分枕骨锯下，保持寰枕关节部结构的完整性，下端自C_3/4椎间盘水平断离。修整颈椎标本时尽可能剔除皮肤肌肉，保留颈椎诸韧带及小关节的完整。置于自然位，防止过伸、屈位，尤其避免旋转；标本以双层保鲜膜包裹密封，于低温冰箱保鲜、保湿待用。实验前1 d取出标本置于冰箱的冷藏层内过夜，让标本自然解冻。

1.5.2 标本包埋颈椎自然解冻后，将标本上端的颅底和下端的C₃椎体分别置入塑形容器，在中立位状态下向内浇铸骨水泥，露出中间椎体(C₀-C₂)。

1.5.3 Marker点安置将直径为2 mm长约15 cm的钢针钻入C₀-C₂骨质内进行固定，每个层面安置3，4根钢针。固定钢针后，将标志发光点(marker点)固定在钢针游离端，见图1。

1.5.4 上颈椎正常生理模型模拟活动的运动学测量实验过程室温保持在25 ℃左右。在加载实验前，进行3次小量程加载/卸载循环的预处理，使颈椎黏弹性影响降至最小。每次预处理后停留30 s左右，以允许颈椎蠕变，得到稳定的实验结果。在第4次加载时进行测量。将上颈段标本正常模型放置在BOSE动态疲劳试验机装置中，在上颈段标本上端安置3 kg砝码模拟人体头部质量。采用1 Nm的力矩进行不同方向的加载，完成前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转及右旋转的模拟活动，同时采用运动捕捉系统对上述活动过程进行动态测量及分析，见图2。

1.5.5 上颈椎失稳模型的建立及其模拟活动的运动学测量

(1)上颈段标本疲劳加载：将上颈段标本放置在BOSE动态疲劳试验机加载装置。设定疲劳加载参数：1 Nm力矩，频率1 Hz，先屈伸活动1 000次，再旋转活动1 000次。通过连续加载至该标本最大活动范围的方法导致上颈椎韧带结构出现应力松弛，从而建立上颈椎失稳模型(见图3)。

(2)上颈椎失稳模型模拟活动的运动学测量：上颈段标本完成疲劳加载后，再次进行模拟自然前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转及右旋转活动模拟活动的加载及运动学测量。具体实验方法同1.5.4。

1.6 主要观察指标上颈段标本造模前后的枕寰关节(C₀_-₁)、寰枢关节(C₁_-₂)、枕-寰-枢复合结构(C₀_-₂)的活动度。

1.7 统计学分析所有数据应用SPSS 22.0软件进行统计分析。所有的统计检验均采用双侧检验，P ≤ 0.05将被认为所检验的差异有统计意义，计量资料将采用x(_)±s进行统计描述，若两组数据符合正态分布，选用配对t 检验，否则选用秩和检验进行统计表达。

讨论

上颈椎是颅底与颈椎的连接部分，其间走行有颈髓、椎动脉和颈部神经等重要组织，因此任何原因造成该部位的损伤导致结构不稳，可进一步压迫上述重要组织，引起相应临床症状，如颈痛、头晕、头痛，严重时四肢瘫痪甚至死亡^[1^，^7]。临床上，典型的上颈椎脱位具有明显的解剖特征及影像学诊断标准，易于诊断，但对于发生上颈椎失稳状态的初期目前尚无良好诊断措施^[8-9]。所以对该病的发病机制亟待研究，以期为临床实践提供参考。在颈椎稳定性的研究中最为常用的方法是有限破坏颈椎组织结构，即通过损伤韧带或关节等来引起颈椎的失稳^[10-11]。这类模型对于急性损伤研究是比较合适，但不符合慢性劳损造成的上颈椎失稳的发生机制。

根据中医“筋束骨”理论，“诸筋者，皆会于节”“宗筋主束骨而利机关也”等论述均表明筋能聚于关节附近维持关节的稳定性。当筋长期劳损后，出现“筋伤”，进而“束骨”能力下降，最终导致“骨错缝”的发生。基于此，将上颈椎离体标本进行多次的屈伸和旋转的疲劳加载，模拟长期慢性筋伤过程，来构建劳损型上颈椎失稳的尸体模型，并经过多个力学参数的测量验证造模是否成功。从生物力学角度分析，人体组织属于黏弹性体，黏弹性体均具应力松弛特点，即是指黏弹性材料在恒温和长时间的恒应变下，应力降低的现象^[12]。上颈椎失稳的发生与韧带在运动过程中出现应力松弛密切有关。故此项目采用在颈椎弹性活动区内连续最大加载方法引起上颈椎韧带结构应力松弛，从而建立上颈椎失稳模型。目前对于上颈椎失稳模型多是运用三维有限元技术构建^[13-14]，但由于对韧带等软组织的造模技术是否合适尚无定论，所以其仿真性没有尸体模型好。

从实验数据分析，通过连续疲劳加载后，上颈椎标本的屈伸运动、侧屈、旋转运动范围均有所增加，尤其以屈伸和旋转运动增加明显，且部分运动范围超出正常生理参考范围，证明造模后出现了异常活动。对于上颈椎侧屈运动改变没有统计学意义的原因分析可能有如下几点：①枕寰枢复合体(C₀-C₁-C₂)无椎间盘结构，相互间通过关节密切对合，故限制了上颈椎的侧屈运动；②屈伸方向及旋转方向的疲劳加载并未累及维持上颈椎侧屈运动稳定性的韧带结构；③样本量少，未能体现组间差别。但是目前对颈椎不稳的临床判断，多是以患者的颈椎功能位(过伸过屈位)片和正侧位结合查看椎体位移、角度、活动度有无旋转的异常变化，对于颈椎侧屈的异常及颈椎失稳的诊断价值影响不大。此次实验为何没有对尸体标本进行侧屈疲劳加载，主要考虑以下因素：侧屈运动活动度小，且关节囊韧带连接紧密，在预实验中发现使用BOSE动态疲劳试验机进行侧屈运动加载时，会即刻导致标本发生骨折或韧带和关节囊的撕裂，无法完成实验造模。

同时，从研究结果分析，该造模成功后，后伸运动时主要导致枕寰关节(C₀_-₁)的不稳定，可见在后伸运动时枕寰关节(C₀_-₁)前方韧带结构是主要受累部位，通过疲劳加载可出现后伸活动不稳定，而寰枢关节由于前方韧带结构强度大而不易于出现关节不稳定现象。前屈运动及旋转运动时不稳主要集中在寰枢关节(C₁_-₂)。由此推测，疲劳加载后，寰枢关节(C₁_-₂)后方韧带结构的刚度下降造成前屈失稳状态，但未波及枕寰关节后方韧带结构，可见寰枕后筋膜的强度很大，慢性劳损很难造成枕寰关节的不稳定。以上推测后期还可以借助三维有限元技术进行验证，并将构建成功的上颈椎失稳模型进行相应加载，分析失稳后各个韧带的应力及各参数的变化，从而得出“骨不正”后“筋不柔”的情况，结合此次实验的结论进行验证分析，最后得出“筋束骨”“骨张筋”的筋骨相互关系，分析筋骨的辨证关系，为筋骨关系的理论提供具体内涵。综上，基于“筋束骨”理论的慢性劳损型上颈椎失稳的模型构建成功，但仍需加大样该量来增强该模型的科学性和准确性。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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