Research method and progresses of biomechanical properties of human spine

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.019

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: With the gradual development of spine fusion surgery and artificial disc implant surgery, researchers have studied the characteristics of spine in various ways using many kinds of medical equipment in recent years. Biomechanical studies of more realistic simulation of human physiological environment and human movement are needed.

OBJECTIVE: To review domestic and foreign documents and sum up the advantage and disadvantage of spinal biomechanics research methods from the aspects of measurement subjects and measurement methods.

METHODS: The PubMed database, Web of Science database, Springer database and CNKI database were searched with key words of “biomechanical and (properties or study or evaluation), spinal biomechanics, spine mechanical test, spine and (kinematics or motion)” in English and Chinese respectively. Articles related to mechanics kinematics and dynamics of spine were included. Researches in recent five years and classic literature in this field were collected, and the repetitive studies were excluded. A total of 38 articles were discussed.

RESULTS AND CONCLUSION: Researchers have studied the spinal mechanical properties of a plurality of structural details and the movement form in basic conditions simulating human motion in recent 30 years. Many spinal properties about mechanics and dynamics were mastered. There is need for more in-depth understanding of spinal properties in future, such as the damping characteristics of disc mechanics and coupling movement of spinal kinematics, which would be helpful in designing treatment products and curing spinal disease.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Spine, Spinal Fusion, Biomechanics, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Zhang En-ze, Liao Zhen-hua, Liu Wei-qiang. Research method and progresses of biomechanical properties of human spine[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(48): 7273-7279.

Figures/Tables 6

2.1.2 接触式测量 Sforza等[11]使用频率100 Hz的光电测试设备测量头颈部脊椎及胸椎运动。在眉间、左右眉嵴、第3胸椎、左右肩峰各贴一个频闪反射标记，将基本工况下测得的运动向三个基准面投影，分析15-45岁年龄段人体脊椎运动范围，发现随年龄增长呈递减趋势。Theobald等[12]使用2个惯性传感器，选取人体头部和躯干4点共4种位置组合，测量计算颈椎运动范围和运动方式的相关系数，并与其他几种在体测量结果比较，证明贴在前额与背部中心的传感器测量方式在基本工况下具有最高的可靠度。 2.2 体外测量对于脊柱力学特性，如强度等，不可能在人体内安装传感装置测量；对人体施加外力做被动运动会造成拉伤,不能直接在人体上实验；在体测量也不可能研究损伤对脊柱特性的影响，因此必须用标本或模型进行体外测量。体外测量研究静载下载荷在脊椎韧带、椎间盘、关节面等不同部位的分布，或动载下运动在节段间的分布。在体测量实现了一个真实可控的加载环境，对各项生物力学特性进行全面而准确的测量。最早的体外测量是对人尸体脊椎标本加载，测量脊椎屈伸的运动范围。Lysell测量下屈伸、侧弯及旋转节段间的运动，并记录了耦合运动；Salem等[13]利用X射线片进一步详细测量了最大旋转时的耦合运动。Panjabi等[14]用基于球坐标系位移传感器构成的形态测量仪，依次接触椎体上的点，用计算机记录位置信息，生成模型，参照其制作树脂玻璃椎体模型，计算椎体各项几何参数。该项工作建立准确腰椎模型，对临床具有直接参考意义。原芳等[15]利用CT扫描数据图像建立C5-C6节段有限元模型、选用Prestige LP和Discover假体建模，模拟置换术，计算植入前后脊椎生物力学变化。体外测量加载环境要最大限度接近人体、温度、湿度会影响脊柱的特性；加载脊柱要模拟真实受力，包括动载、静载下人体自重、组织牵拉和外力对脊柱施加的载荷大小、加载时间等。Adams等[16]发现人体体温能导致韧带和椎间盘发生松弛，椎骨的疲劳寿命下降，延展性增加6%；-20 ℃冷冻不影响标本力学特性；离体数小时后，纤维环的水分向内层转移。Adams对标本固定、湿度保持以及标本长度选取也做了说明。标本长期不加载时，其亲水特性会吸收组织液，增加椎间盘高度、降低棘突关节轴向抗压能力，因此保存标本时施加一定载荷有助于保持生理活性。脊柱具有黏弹性，变形越大刚度越大，应力分布也随之改变，因此轻负载特性不代表重负载时的情况；加载速度越快刚度越大，因此静态加载和动态加载得到不同的力学特性，加载速率应以人活动的真实情形为准，周期为0.2-5 s。体外测量最大的困难是模拟脊柱的受载[17]。Schultz等[18]参照人体几何参数和解剖结构，建立关于三坐标轴的静力学方程组计算L3节段受力，以及人体承受5种外载下L3外围简化肌肉拉力，在一定程度上揭示了腰椎的受力环境。其计算结果与肌电测量和椎间盘压力测量结果比较，具有较高可靠度。成年人站立时腰椎承受500 N压力，坐立为700 N，举起一般重物时3-6 kN；坐立时矢状面上转矩为10 N•m，举起重物时达到15-20 N•m，考虑安全加载转矩峰值不超过10 N•m。体外测量按研究目的一般分为3种：强度测量、疲劳测量、稳定性测量。 2.2.1 体外测量-强度测试脊柱的强度测量，通常对比同一标本在完整状态、受损状态、经固定或融合外科手术治疗后的受力变化。强度测试用测试机施加直到标本结构发生破坏的负载，测量应力在椎间盘、韧带和椎关节的分布，获取各类参数如失效载荷、失效能量、刚度等，绘制负载-形变曲线。关于椎间盘的强度测试：年轻人椎间盘髓核与纤维环呈现稳定的流体静压，老年人只有内髓核还具有这种特性[19]。Adams等[19]使用如图2所示装置对2节段腰椎标本加载，后侧滚轮可以调整高度来满足多种弯曲角度的加载；用1.3 mm针形力传感器插入椎间盘内，在加载过程中以3.75 mm/s的速度沿矢状面中线由椎间盘后部向前侧旋转拉出，测量水平和竖直方向压力值。结果表明，正常椎间盘中部区域应力接近均匀分布，后部突然升高，之后前后两侧应力迅速下降为零；受损椎间盘髓核处应力值减小，后伸比前屈应力衰减更显著。"

椎间盘纤维环最外层是3 mm的胶原蛋白，像一层张紧的皮肤包裹着椎间盘。研究发现，前屈易拉伤前纵韧带和后纵韧带，在纤维环后部造成应力集中[20]，过度前屈破坏纤维环后部；前屈伴随轴向压力会使纤维环后侧突出、下垂，产生径向撕裂。旋转损伤椎关节，幅值过大会使纤维环产生周向裂痕。后伸伴随轴向压力使纤维环后部弯曲，导致向外膨胀。薛清华等[21]通过在椎间盘表面布置应变片，测量并求解其内部应变状态和微小运动，结合椎间盘的力学特性参数，推导椎间盘内部压强变化。Adams等[22]用图3装置给2节段标本分别施加单一压力、剪切力和弯矩，比对不同标本和固定装置的力学特性。Melnyk等[23]发现随着植入物刚度提高，植入物承受更多椎间压力。关于韧带的强度测试：Adams等[24]在另一实验中测量了外围韧带的特性。利用图4A前屈模型和相关人体几何参数计算施加载荷，使用图4B装置加载。实验按顺序逐一去除棘间韧带、黄韧带、囊韧带并施加压力C使2节段腰椎标本完全弯屈，绘制压力-角度曲线。通过计算发现棘间韧带在弯曲的前半程没有拉力，后半程所提供的拉力比重很小；黄韧带的拉力最小，但却是弯曲初始刚度的主要提供者；囊韧带的拉力最大；对维持脊柱稳定性最重要的是椎间盘。实验还发现，前屈时椎间盘前部压力大于后部拉力，说明加载实验应包含轴向预载荷，预载荷能够减小脊椎刚度的非线性变化。Han等[25]利用普通腰椎模型和添加了棘间长短段肌肉、韧带、椎间盘刚度的计算机辅助强化模型计算椎体受力，将韧带设置为只能承受拉力的非线性刚度，发现强化模型在各种工况下与在体测量数据有更高的相似度。"

关于椎关节的强度测试：椎关节位于椎体后部对椎体运动起导向和限制作用，双侧关节和椎间盘构成了运动节段的稳定基础，然而由于其复杂特性，关于椎关节的生物力学研究并不多见。Bauman等[26]在标本上植入力传感器，研究C5-C6节段屈伸工况下关节压力的变化，发现经Prodisc-C假体置换后运动范围显著增加，而关节内压力无显著变化。房佐忠[27]研究表明，双节段融合后相临上位节段关节内压力增高，双节段置换可以恢复同位及邻近上位节段关节内接近正常压力。徐波等[28]使用压敏片测量C4-C5节段经前路融合和置换术后左侧关节间压力，发现置换组与完整组在各种载荷下关节间压力接近，融合组在后伸、左侧弯与右旋转工况关节突关节内压力减小，但差异无显著性意义。 2.2.2 体外测量-疲劳测试疲劳测试给标本施加一定幅值的循环载荷，得到疲劳断裂的周期数即为该负载所对应的疲劳寿命。以不同幅值多次测量得到对应疲劳寿命绘制疲劳曲线。疲劳性测试可以用来判断脊柱薄弱点位置。脊柱疲劳失效最严重的地方在终板处[29]。Adams等[30]表明即使椎体轻微损伤也会使髓核承受的负载减小、纤维环受力增大；疲劳失效会导致纤维环塌陷压入髓核。Panjabi等[31]测量T9-L3段标本，其中T12-L1后半部分椎间盘被切除后安装脊柱固定装置，测量弯曲角度和水平位移。该项实验评估了8种固定装置的融合固定效果和疲劳特性，对临床选择具有指导意义。 2.2.3 体外测量-稳定性测试稳定性测试研究脊柱的动力学特性，测量主体包括完整标本、受损标本和经置换术或融合术治疗后的标本。稳定性测试通常以2种方式加载：力矩控制和位移控制。为了测量脊柱改变后各节段运动重分配，每次应施加相同的位移总量，适合采用位移加载法。然而位移加载的弊端是脊柱旋转中心位置变化不定，且难以做到加载中心与标本旋转中心重合，进而对椎体运动造成限制甚至损伤。力矩加载由于只需保证施加的力矩，则可以有效避免对脊柱造成的运动限制。基于这种矛盾和实际操作中的困难，Panjabi等[31]提出一种新的混合式加载方法(见图5)：①将完整脊椎标本两端刚性连接到测试机上，初始位于中间位置(图5A)；②用非限制纯力矩加载(图5B)；③重新用非限制纯力矩加载处理(植入或融合)后的标本，直到加载与步骤2相同的ROM(图5C)；④测量计算在两组试验中各节段的运动变化。Panjabi的这种方法既利用了位移加载的优势可以有效评价临近阶段的变化，又使用了纯力矩加载，没有对标本运动造成限制。"

Abumi等[34]将12件2节段腰椎标本做后路韧带分离，单、双侧关节中度切除，单、双侧关节完全切除5种等级损伤处理；施加200 N预载荷，采用气缸牵拉绳索的方式在上节段几何中心加载纯力矩。嵌入7枚0.8 mm钢珠的树脂玻璃靶点与标本上节段固连，立体摄影测量系统记录靶点位置，经模数转换器输入电脑计算三维运动。该研究发现，中度关节切除(单双边)对除前屈外其他工况的ROM没有显著性影响，而完全切除则会造成前屈和旋转不稳定。因此针对治疗椎管狭窄等的关节切除手术，完全切除后有必要再进行关节融合术。融合术、置换术治疗后的稳定性测试：蒲婷等[35]利用SANS试验机和非接触式光电测量系统对比颈椎在融合术与置换术后的运动。发现在屈伸、旋转工况，置换术后的颈椎各节段恢复接近正常运动，而融合术后各节段运动大幅变化；侧弯工况两者均存在较多运动改变。刘伟强等[36]对7具实施C4-C5前路置换术、C3-C4、C5-C6切除后前路融合术3节段混合手术的人体颈椎标本用MTS测量其生物力学特性，并与3节段限制型、3节段滑动型融合术对比。发现3节段混合术对对生理活动保留最优，滑动型次之，限制型最不理想。 Zigler等[37]对经过置换术和切除融合术5年后的2组患者进行检查和访问，发现单节段置换比前路切除融合更能减少患者的疼痛，能够保留节段活动性，减少二次修复手术的概率。正常标本的稳定性测试：人体内椎间盘并非受单一的基准轴向载荷，而是复合轴向载荷。Spenciner等[38]利用图7所示装置，测量混合轴向加载腰椎力学特性。分别测量沿3根基准轴(x、y、z)、3个基准面上由基准轴两两合成与基准45°夹角的6根轴、在空间8象限由3根两两垂直基准轴合成共4根轴、共13根轴的力矩的运动。实验测量了上述13根轴正负共26个方向关于ROM、flexibility、NZ的生物力学特性数据。"

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