不同生理载荷下国人腰椎间盘瞬时三维运动和形变的研究

The most important function of intervertebral disc is the dynamics, it can transfer the load and provide a range of motion for the spine. Mastering the rules of the intervertebral disc movement and deformation under physiological state is helpful for understanding the mechanism of intervertebral disc degeneration and improving spinal disease treatment level. Due to the compression load,shear load, rotational movement, muscle, ligament tension and intervertebral disc fluid exchange and other many complex factors have important influence for adjusting disc movement and deformation, in vitro experiments simulating disc physiological movement is almost impossible. At present there is no human physiological loading in vivo intervertebral disc 3D motion and deformation data report. This project intends to use a combined dual fluoroscopic and MRI imaging system ( DFIS ) to study the in vivo motion and deformation of of lumbar intervertebral disc. Let the normal people take different loads (0, 5,10Kg) respectively when sitting, standing and let lumbar move like daily exercise. The dynamic image of the lumbar motion is recorded and introduced into the software to reconstruct lumbar invio motion. Many kenimatics and deformation parameters can be calculateed such as the center of rotation, displacement of intervertebral disc, stretch,compression, shear and other parameters. This kinematics data may be usefuo for the elaboration of disc degeneration mechanism and design of novel bionic artificial intervertebral disc.

椎间盘最重要功能是在运动力学上，它能转移负荷和提供脊柱一定范围的运动。掌握生理状态下椎间盘运动和形变规律对于理解椎间盘退变机制和提高脊柱疾病治疗水平有很大帮助。由于压缩负荷、剪切负荷、旋转运动、肌肉功能、韧带张力和椎间盘内外体液交换等众多复杂因素均对于调节椎间盘运动和形变有重要影响作用，通过体外实验精确模拟椎间盘生理运动几乎是不可能的。目前尚无人类生理载荷下在体椎间盘三维运动和形变数据报道。本项目拟采用双平面荧光透视系统与MRI相结合的技术来研究腰椎间盘在体运动和形变规律。让正常国人上肢不同负重（0、5、10Kg）时分别在坐、站体位下进行腰椎日常运动，摄取动态影像，导入软件系统，再与由MRI扫描获取的腰椎间盘三维模型匹配，重建在体运动，可以测算出椎间盘的旋转中心、位移、牵张、压缩、剪切等各种运动和形变参数。希望对阐述椎间盘退变发生机制和设计新型仿生人工椎间盘提供运动学数据和理论依据。

腰椎最重要的功能体现在运动力学上，其承担着人体的负荷转移与脊柱的运动。掌握生理载荷下人体腰椎的运动特点与规律，对于理解腰椎与椎间盘的退变机制以及提高脊柱疾病诊疗有较大的帮助。腰椎局部的运动同时受到轴向、横向、纵向的压缩与剪切负荷，单纯通过体外力学模拟或尸体试验重现腰椎生理状况下的真实运动情况十分困难。本研究拟通过双平面荧光透视系统与MRI/CT结合（DFIS）的技术，研究正常人不同负重载荷状况下腰椎在体复合运动的特点与规律，从生物力学角度分析负重因素对于腰椎在体运动所造成的影响。已经执行完成以下几点研究内容：（1）建立并改进了脊柱在体运动学研究平台；（2）采集正常人腰椎图像，将椎体轮廓数字化，建立腰椎椎体的的三维模型；（3）建立了腰椎不同解剖部位三维坐标系；（4）腰椎各解剖部位中心点运动学数据的获取及分析；（5）建立腰3-骶1椎间盘三维运动模型；（6）不同负重状态下和不同运动状态下腰椎间盘形变的测量；（7）腰椎峡部裂滑脱相邻节段三维瞬时运动特征的在体研究；（8）老年腰椎退变性滑脱椎体在体运动学特点。本研究所建立的双荧光系统具有良好的适应性与灵活性，可用以测量各种在体活动性特点。这些数据有助于临床医师对腰椎疾患的发病特点、机理及进一步发生、发展有更好的认识，也为进一步在脊柱施加干预的研究提供运动学的基线数据。随着负重的增加可使正常人屈伸运动时椎体间、棘突间、小关节间的运动范围与角度发生显著变化，且负重达到10kg后更为显著。不同的载荷条件与腰椎的结构特点使其在前屈-后伸运动时椎体的运动范围（ROM）产生差异。峡部裂缺损不仅改变滑脱节段的稳定性，同时还影响相邻头侧节段的稳定，但相邻尾侧节段趋于稳定。高龄腰椎退变性滑脱患者并不一定存在腰椎失稳，可能已发生再稳定，过伸运动范围增加是高龄腰椎滑脱患者运动学特点，对于高龄滑脱患者来说，应根据其滑脱程度、身体素质及临床症状妥善选择手术方式。