强迫体位下谐振对腰部椎间盘组织形态学影响的实验研究＊

张智慧，黄昌林，王 帅

振动是引起下腰痛的重要危险因素，流行病调查研究结果发现驾驶员中腰痛的患病率比其他不接触振动的人们要高很多，并且其差异有统计学意义［1］。国外Pope等实验研究车辆振动可以使驾乘人员腰椎产生垂直和水平运动，并且下腰椎的水平位移最大，腰椎的谐振区在4～6 Hz，当振动频率与腰椎的谐振区重叠，产生谐振时可加大对腰部的损伤［2］。腰椎间盘是引起下腰痛的主要部分已广为人知，但研究谐振对腰椎间盘组织的影响情况却鲜有报道。本课题通过观察谐振频率对兔腰椎间盘组织的形态学影响，以期探讨振动对椎间盘组织产生损伤的机制，并进一步为振动所致椎间盘源性下腰痛寻找积极有效的预防方法。

1 材料和方法

1.1 研究对象和实验造模 新西兰大白兔90只，雌雄不限，体重 1.5～2 kg，8 月龄，随机分为 5 组，分别为：正常对照组；造模对照组；振动4 Hz组；振动5 Hz组；振动6 Hz组。每组各18只，各组在同一条件下分笼饲养。分别在实验2、4、6周随机抽取6只动物处死。

正常对照组动物进行自由活动；造模对照组动物模仿驾驶员强迫直立臀位坐于固定笼中，无振动；振动组（振动4 Hz组、振动5 Hz组、振动6 Hz组）实验动物模仿驾驶员姿势强迫直立臀位坐于特制振动笼中，以保证振动时实验动物臀部完全接触振动。振动时间2 h，1次/d。振动时造模对照组动物置于固定笼中，时间2 h，1次/d。其他非振动时间，各组动物处于同一环境条件下进行喂养。

1.2 主要试剂 甲醛溶液，由郑州化学三厂提供；苏木素染液、伊红染液，均由福州迈新生物技术开发公司提供。

1.3 主要实验仪器 振动台，由天津宏达试验仪器有限公司提供；操作台，由洛阳新思路电气有限公司提供；BM－VII型生物组织包埋机，由孝感市宏业医用仪器有限公司提供；Tissue－Tek VIPTM 5Jr型全封闭组织自动脱水机，由日本樱花公司提供；赛默飞世尔自动染色机，由Thermo公司提供；RM 2128型切片机，由LEICA公司提供；光学显微镜BX－40型，由OLYMPUS公司提供。

1.4 标本采集及处理 每组分别于实验第2、4、6周随机抽取6只实验动物，采用耳源静脉空气栓塞法处死，取出腰5～6椎间盘，修剪整齐后，生理盐水进行清洗；椎间盘标本组织置于10%甲醛溶液固定72 h，置入10%硝酸脱钙液3 d脱钙后，切开修材，流水冲洗，自动脱水机脱水；12 h后石蜡包埋，沿正中横断面切片，切片厚4 μm，60℃烤箱烤片30 min，放入自动染色机，行常规HE染色，经过60 min染色后，取出切片，中性树脂封胶。石蜡切片经过HE染色后，显微镜下观察椎间盘组织的病理学改变。

1.5 组织病理学评分 采用标准五分法对实验兔椎间盘组织进行病理学评分以便于进行统计学分析，科学判断椎间盘组织受损情况。具体方法如下：显微镜下（10×40）每张切片随机选5个视野，观察椎间盘髓核组织、胶原纤维等的病理学变化并按标准予以评分，取5个视野平均分值为标本得分。病理学评分标准：基质成分多，髓核组织饱满，形状规则；胶原纤维纤细，排列致密整齐，评1分；基质成分减少，髓核组织松散，形状不规则；胶原纤维增粗增多，出现梭形或不规则形态的细胞，排列不规整，评2分；髓核组织干瘪，出现裂隙、巨大空泡，距纤维环距离增宽；胶原纤维扭曲，排列紊乱，纤维环出现裂隙，评3分；髓核组织出现宽大裂隙；胶原纤维裂隙宽大，评4分；髓核组织出现断裂，细胞分布极其散乱，形状极不规则；纤维环出现断裂，评5分。

1.6 统计学处理 采用 SPSS14.0统计学软件，实验数据以±s表示，组间差异比较采用单因素方差分析，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 动物椎间盘组织病理学变化 见表1、2、3。

2.2 病理学评分 采用单因素方差分析，组间具有显著性差异，其中振动6 Hz组椎间盘组织病理学评分明显高于其他组别（P＜0.05），且组内每时期病理学评分随时间逐渐升高（P＜0.05），在 6周达到高峰；振动5 Hz病理学评分高于振动4 Hz组及造模对照组，且组内每时期病理学评分随时间逐渐升高（P＜0.05），在6周达到高峰；振动4 Hz组病理学评分与造模对照组比较无显著性差异，但在第四、六周明显高于同期正常对照组（P＜0.05），见表 4。

表1 2周时实验动物腰L5～6椎间盘组织病理学主要表现

表2 4周时实验动物腰L5～6椎间盘组织病理学主要表现

表3 6周时实验动物腰L5～6椎间盘组织病理学主要表现

表4 各组动物不同时间点椎间盘组织病理学评分（±s）

表4 各组动物不同时间点椎间盘组织病理学评分（±s）

注：与同期正常对照组比较，*P＜0.05；与同期造模对照组比较，#P＜0.05；与同期振动 4 Hz 组比较，△P＜0.05；与同期振动 5 Hz 组比较，▲P＜0.05；与同期振动 6 Hz组比较，★P＜0.05。 与同组前时期比较，☆P＜0.05

组别 2周 4周 6周正常对照组 1.12±0.08#△▲★ 1.14±0.11#△▲★ 1.13±0.11#△▲★造模对照组 1.18±0.10*▲★ 1.58±0.16*▲★☆ 2.02±0.18*▲★☆振动 4Hz 组 1.23±0.09▲★ 1.66±0.15*▲★☆ 2.16±0.29*▲★☆振动 5Hz 组 1.58±0.10*#△★ 2.19±0.20*#△★☆ 3.26±0.36*#△★☆振动 6Hz 组 1.86±0.13*#△▲ 2.98±0.14*#△▲☆ 4.03±0.25*#△▲☆

3 讨 论

3.1 椎间盘组织的解剖基础 椎间盘主要是由中央的髓核、周围围绕的纤维环及上下两层软骨板组成的一个密封体，承担着传导和缓冲压力负荷的功能，保持着脊柱的稳定性。中央髓核是一种弹性胶状物质，髓核中含有蛋白多糖及大量水分。蛋白多糖分子通过与水分子结合保持髓核内的水分。椎间盘周围纤维环主要由胶原纤维、软骨细胞及细胞外基质组成，纤维环的纤维束相互斜行交叉重叠，使纤维环成为坚实的组织，和细胞基质共同维持着椎间盘的压力平衡，承受负荷，使椎间盘具有良好的黏弹性和抗压性［3，4］。 人体在振动环境中，动态载荷对脊柱组织间产生的应力与应变是同样大小静态载荷所产生的应力与应变的2～3倍［5］。当其振动频率与人体组织的振动频率相同或接近时，会发生谐振，使组织的振动幅度越来越大，最终造成组织撕裂、出血等损伤或其他功能性伤害［6］。

3.2 椎间盘组织形态学改变 在显微镜下观察椎间盘组织病理学变化，发现振动组动物髓核组织病变出现较造模对照组早，特别是振动6 Hz组在实验第2周髓核组织即出现松散、形状不规则等变化，继而出现髓核组织干瘪、裂隙，甚至断裂等病变。振动5 Hz组和4 Hz组椎间盘髓核组织在实验第2周时也出现了明显的变化，而造模对照组在实验6周时髓核组织才稍出现松散，形状不规则。考虑其主要原因可能是振动产生动态应力，极易导致髓核组织压力增大，髓核细胞代谢紊乱，髓核蛋白多糖及基质降解，髓核内水分流失，继而导致髓核组织出现松散、裂隙、干瘪，甚至断裂。而造模对照组仅仅是静态应力，产生的应力作用比较小，椎间盘有一定的承受负荷能力，因而造成损伤程度较轻。

3.3 椎间盘组织病理学评分 本文结果还提示：振动5 Hz组和6 Hz组实验动物椎间盘组织病理学评分在相同时期明显高于振动4 Hz、造模对照组和正常对照组，特别是振动6 Hz组椎间盘病理评分最高。主要考虑原因为6 Hz振动频率与椎间盘组织产生重叠谐振效应最强，5 Hz振动频率次之。谐振效应会对动物脊柱产生的应力负荷瞬间加大，振动的幅度瞬间加大，超过椎间盘对振动动态负荷的承受力，故而可早期导致椎间盘组织纤维环紊乱甚至断裂，髓核组织病变。而在振动4 Hz组，其椎间盘组织病理学评分与造模对照组比较无明显差异，主要考虑由于其振动频率与椎间盘组织重叠相比较小，产生的动态载荷应力较弱。实验结果还提示，各振动频率组病理学评分随着时间推移逐渐升高，这也提示振动对椎间盘造成的损伤具有持续性以及累积性。

3.4 对军事训练的指导意义 振动在交通工具中产生非常普遍，发动机、车辆行驶中均可产生振动，相关军事训练人员的下腰痛发病率非常高，大量文献调查显示其发病率在 30%～82%［1，5，6］。特别是椎间盘源性下腰痛，近几年呈上升趋势，其后遗伤害比较严重，严重影响了军队的战斗力。本实验研究了谐振频率对椎间盘组织的损伤。提示下一步通过研究利用各种物理、化学材料，致使机器产生的振动频率在传入人体过程中发生变化，使相关军事训练人员避开谐振频率，是预防椎间盘源性下腰痛的关键。

［1］侯树勋，于 红，吴闻文，等.高原汽车驾驶员腰痛的流行病学调查［J］.中国临床康复，2002，6（10）：1460.

［2］ Pope MH，Svensson M，Broman H，et al.Mounting of the transducer in measurement of sequential motion of the spine［J］.J Biomech，1986，19（6）：675－677.

［3］胥少汀，葛宝丰，徐印坎，等.实用骨科学［M］.第3版.北京：人民军医出版社，2005.1731－1743.

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