引用本文： 孟釗, 王晨, 郭旭朝, 陳偉, 丁文元, 劉豐雨. 基于感壓紙材料的小型豬上胸椎生物力學試驗研究. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(8): 992-997. doi: 10.7507/1002-1892.20160201 復制
任何脊柱曲度改變均會引起特定的脊柱畸形，脊柱側彎是一種復雜的三維畸形[1]，目前病因仍不明確[2-4]。脊柱側彎出現后，生物力學因素是影響其進展的主要因素，尤其是椎體不平衡受力[5-8]。目前對于脊柱側彎的生物力學研究多集中于下胸椎、胸腰段，上胸椎由于活動度小、結構復雜，研究難度較大，少見相關生物力學研究報道。我們以小型豬上胸椎作為研究對象，應用LLW雙面型感壓紙測量上胸椎各節段椎間盤在垂直受壓以及5°前屈、后伸、側彎時的壓強變化，總結其生物力學特點及其與脊柱側彎進展的關系。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
2月齡雌性康寧實驗小型豬12只，體質量4.34～5.48 kg，平均4.91 kg；由涿州市康寧小型豬養殖有限公司提供，飼養條件符合國家實驗動物飼育標準。
Electroforce生物力學試驗機（型號3520-AT；Bose公司，美國）。LLW雙面型感壓紙、壓力預分頻讀數計、預分頻光度計（富士公司，日本）。義齒基托樹脂（Ⅱ型）及自凝牙托粉（上海醫療器械股份有限公司齒科材料廠）。
1.2 實驗方法
1.2.1 標本制備
12只小型豬行肌肉注射戊巴比妥鈉（30～40 mg/kg）麻醉后，取出完整脊柱，CT掃描確定標本無畸形、腫瘤等疾病。將脊柱標本分為兩組（n=6），一組截取T1、2、T3、4、T5、6、T7、8節段椎間盤，另一組截取T2、3、T4、5、T6、7、T8、9節段椎間盤，兩組合并即為完整上胸椎數據。所有標本密封于聚乙烯膜中，于—20℃冰箱中儲存。實驗前將標本于3℃解凍12 h，并用聚乙烯膜包裹以保持濕度。解凍后，將標本用自凝牙托粉上、下包埋，上、下厚度均為1.5 cm，保證脊柱處于牙托粉中央，且牙托粉上、下平行，與脊柱垂直，制備單節段脊柱椎間盤標本（圖 1a）。
圖1
標本制備???單節段脊柱椎間盤標本(T6、7)???將制備的5°楔形斜面置于標本與生物力學試驗機之間模擬側彎脊柱??圖 2?給予150 N載荷后LLW雙面型感壓紙圖像（T6、7）???垂直載荷???5°前屈???5°后伸???5°側彎
Figure1.
Specimen preparation???The intervertebral disc model of T6, 7Simulate 5°lateral bending by placing the 5°wedge-shaped model between the biomechanical machine and segment model Fig.2 Pressure sensitive film at T6, 7 under 150 N loading???Vertical pressure???5°flexion???5°extension???5°lateral bending
1.2.2 生物力學檢測
檢測環境溫度保持20℃，濕度44%。將單節段脊柱椎間盤標本連接至生物力學試驗機，預先加載300 N的軸向垂直載荷15 min，以減少椎間盤過度水合效應的影響[9]。切開椎間盤，注意不破壞前、后縱韌帶及關節突，將LLW雙面型感壓紙裁剪成合適形狀，包裹保鮮膜，置于切開的椎間盤內。然后，將單節段脊柱椎間盤標本再次固定于生物力學試驗機，依次給予100、150、200 N垂直載荷，每次加載前均需預加載3次，以消除黏彈性。應用2分法進行LLW雙面型感壓紙法檢測，即5 s顯影后保持2 min，以便得到更穩定、均勻圖像。應用自凝牙托粉制備5°楔形斜面，置于生物力學試驗機與標本之間（圖 1b），模擬5°前屈、后伸及側彎，試驗過程同垂直加載。每個椎間盤標本進行連續加載，每次加載結束后更換感壓紙，如3次加載結果相似，圖像穩定，則取最后1次LLW雙面型感壓紙作為檢測結果（圖 2）。如3次結果不相似，考慮為預加載不足或不規范，再次預加載后，重新測量3次結果，直至取得相似結果。由于對標本進行300 N以下的載荷，故重復測量不會引起標本損傷，對實驗結果無影響。
1.3 數據測量
采用壓力預分頻讀數計及預分頻光度計讀取LLW雙面型感壓紙的壓強。具體方法：將預分頻光度計放置在感壓紙圖像某一點，可得出該點的光度值，再應用預分頻讀數計將光度值轉換為壓強值。讀取選取范圍內所有點的壓強值，取均值即為該范圍壓強。根據脊柱前、中、后柱劃分，前方纖維環的取值范圍為椎體及椎間盤的前2/3，后方纖維環為椎體和椎間盤的后1/3。整個纖維環全部壓強點的均值即為纖維環壓強。側彎時椎間盤的取值范圍為椎間盤側彎時凹側部分，以椎間盤中線劃分的一半范圍。
1.4 數據分組
為簡明描述實驗結果，數據根據不同載荷及運動條件分組：SA1（垂直載荷前方纖維環壓強，100 N），SA2（垂直載荷前方纖維環壓強，150 N），SA3（垂直載荷前方纖維環壓強，200 N）；SP1（垂直載荷后方纖維環壓強，100 N），SP2（垂直載荷后方纖維環壓強，150 N），SP3（垂直載荷后方纖維環壓強，200 N）；AA1（5°前屈前方纖維環壓強，100 N），AA2（5°前屈前方纖維環壓強，150 N），AA3（5°前屈前方纖維環壓強，200 N）；AP1（5°前屈后方纖維環壓強，100 N），AP2（5°前屈后方纖維環壓強，150 N），AP3（5°前屈后方纖維環壓強，200 N）；RA1（5°后伸前方纖維環壓強，100 N），RA2（5°后伸前方纖維環壓強，150 N），RA3（5°后伸前方纖維環壓強，200 N）；RP1（5°后伸后方纖維環壓強，100 N），RP2（5°后伸后方纖維環壓強，150 N），RP3（5°后伸后方纖維環壓強，200 N）；B1（5°側彎凹側壓強，100 N），B2（5°側彎凹側壓強，150 N），B3（5°側彎凹側壓強，200 N）；S1（整體纖維環壓強，100 N），S2（整體纖維環壓強，150 N），S3（整體纖維環壓強，200 N）。
1.5 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。各組數據經Shapiro-Wilk正態性檢驗后，組間比較采用配對t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 前屈、后伸條件下椎間盤壓強變化
100 N載荷：與垂直載荷相比，前屈時各胸椎節段前方纖維環壓強均增大，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T5、6、T6、7、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，T7、8節段增大、其余節段均減小，差異均有統計學意義(P < 0.05)。
與垂直載荷相比，后伸時除T7、8節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各節段前方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T5、6、T6、7，T7、8、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余節段均增大，差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 3a、b。
圖3
前屈、后伸、垂直載荷時范圍壓強比較???100 N, 前方纖維環壓強???100 N, 后方纖維環壓強???150 N, 前方纖維環壓強???150 N, 后方纖維環壓強???200 N, 前方纖維環壓強???200 N, 后方纖維環壓強??圖 4?側彎時不同載荷條件下壓強比較???側彎時各載荷條件下凹側纖維環壓強#160;??100 N, 側彎時凹側纖維環壓強與垂直載荷時整體纖維環壓強???150 N, 側彎時凹側纖維環壓強與垂直載荷時整體纖維環壓強???200 N, 側彎時凹側纖維環壓強與垂直載荷時整體纖維環壓強
Figure3.
Pressure change and distribution in 5°flexion, extension, and vertical pressure under different loadings???The anterior annulus pressure under 100 N loading???The posterior annulus pressure under 100 N loading???The anterior annulus pressure under 150 N loading???The posterior annulus pressure under 150 N loading???The anterior annulus pressure under 200 N loading???The posterior annulus pressure under 200 N loading Fig. 4 Pressure change and distribution in lateral bending under different loadings???The pressure of the annulus at the concave side???The pressure of the annulus at the concave side and pressure of the whole annulus under 100 N loading???The pressure of the annulus at the concave side and pressure of the whole annulus under 150 N loading???The pressure of the annulus at the concave side and pressure of the whole annulus under 200 N loading
150 N載荷：與垂直載荷相比，前屈時除T7、8、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各胸椎節段前方纖維環壓強均增加，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T4、5、T5、6、T6、7、T7、8、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各節段后方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）。
與垂直載荷相比，后伸時各節段前方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T2、3、T3、4、T4、5、T5、6、T7、8節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，T6、7節段減小，其余節段增大，差異均有統計學意義(P < 0.05)。見圖 3c、d。
200 N載荷：與垂直載荷相比，前屈時各胸椎節段前方纖維環壓強均增大，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T4、5、T5、6、T6、7、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，T7、8節段增大，其余各節段均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）。
與垂直載荷相比，后伸時各胸椎節段前方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T2、3、T3、4節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各節段均增大，且差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 3e、f。
2.2 側彎條件下纖維環壓強變化
側彎載荷影響分析：100、150、200 N載荷條件下，隨著載荷增大，各節段凹側壓強呈增大趨勢，差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 4a。
側彎壓強分析：側彎時壓強圖像顯示，凹側壓強明顯增大，但凸側感壓紙幾乎不顯影，提示所受壓強極小。100、150、200 N載荷條件下，各節段側彎時凹側壓強明顯大于整體纖維環壓強，差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 4b～d。
3 討論
作為一種可以直觀測量壓強的材料，LLW雙面型感壓紙被廣泛應用于脊柱椎間盤壓強測量[10-12]。不同于只能測量一個特定點壓強的傳感器與探針，LLW雙面型感壓紙可反映不同區域內的任意點壓強變化[13-18]。上胸椎側彎臨床多見，但生物力學特征研究較少，闡明其生物力學規律以指導臨床胸椎側彎的治療具有重要意義。
Adams等[9]對人腰椎椎間盤標本進行了垂直加載應力檢測，結果顯示不同腰椎節段的受力分布不同，其中L1、2前方纖維環壓強大于后方，L2、3、L3、4、L4、5節段后方纖維環壓強大于前方，且數值各不相同。Gay等[18]應用壓力輪廓測定法及探針對腰椎進行了生物力學研究，同樣也發現測量結果受多因素協同影響，其中椎體節段是影響因素之一。本實驗中，上胸椎各節段受力同樣具有各自特點，其與上胸椎的生理曲度及結構特點，甚至所受載荷大小密切相關。隨著載荷的改變，上胸椎的受力特點發生變化。
既往下胸椎、胸腰椎及腰椎節段椎間盤壓強測量研究提示，在前屈時，椎體前方纖維環壓強增大，后方纖維環壓強減小；而在后伸時，椎體前方纖維環壓強減小，后方纖維環壓強增大，最大壓強多出現在后伸時后方纖維環范圍[12-13, 19]。但本次上胸椎研究得到了不同結果。前屈時，上胸椎前方纖維環壓強呈增大趨勢，但部分上胸椎節段后方纖維環壓強未顯著減小，反而呈增大趨勢或無明顯變化；后伸時，上胸椎前方纖維環壓強減小，但部分上胸椎節段后方纖維環壓強并未增大，呈無明顯變化趨勢。上胸椎獨特的受力特點與其生理結構有關。McAfee等[20]提出脊柱三柱理論，即人體脊柱沿矢狀面自前向后分為三柱，前柱為椎體前2/3，包括前縱韌帶、椎間盤前部；中柱為脊柱后1/3，包括后縱韌帶、椎間盤后部及椎弓根；后柱為椎板、上下關節突、橫突、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶及椎旁肌肉。椎間盤承受脊柱大部分壓力。腰椎椎間盤較大，承擔著椎體的大部分壓力；相反，上胸椎椎間盤較小，椎體后柱結構較多，椎間盤承擔的壓力較少。椎體前屈時，由于上胸椎的椎間盤結構偏前，因此椎間盤壓強呈整體增大趨勢。同樣后伸時，上胸椎的后柱結構承擔了絕大部分受力，使得椎間盤的受力整體減小。
不對稱應力導致椎間盤及椎體楔形變被認為是脊柱側彎進展的重要因素[5-8, 21-23]。引起椎間盤及椎體楔形變的原理，主要包括脊柱不平衡受力及Hueter-Volkmann原理[21]，即骨骺壓力法則：骨骺所受壓力增加，骨的生長就會受到抑制；骨骺所受壓力減小，骨的生長就會加速。過度施壓可抑制骺板生長，跨骺板牽張力可加速其生長。Arkin等[24]對機械壓力和拉力對生長軟骨的影響進行了研究，其結果與該原理相符。Aronsson等[25]及Stokes等[26]建立了鼠尾及牛尾模型，驗證了負荷大的一側側彎進展快，牽張力的一側生長快于壓力側。脊柱的生長依賴于椎體的骺板軟骨細胞分化和軟骨內骨化。Coillard等[27]通過制備小型豬脊柱側彎模型并進行研究，驗證了骺板軟骨生長的重要性。側彎時，凹側椎間盤壓強明顯增加，而凸側幾乎不受力，因此凹側骺板生長較凸側慢；同時隨著載荷增大，凹側受力同樣增加。側彎后長期不平衡受力使得椎體及椎間盤楔形變，從而導致側彎進展。
重力因素是脊柱側彎受力分析中不可忽視的因素，許多脊柱結構均會對力學負荷作出反饋，導致病理變化[28]。本次研究中，隨著載荷的增大，側彎凹側纖維環的壓強顯著增大。McMillan等[14]也發現，隨著載荷增加，椎間盤壓強呈線性增加。載荷反映在脊柱側彎患者中，可以認為是體質量因素。體質量大的患者脊柱承受的載荷也較大，椎間盤所承受的壓力也較大。同一患者不同脊柱節段由于位置的原因，所承受的載荷也不相同，上胸椎處于軀干上部，承受載荷最輕，因此椎間盤受到的壓力也較小，這可能是上胸椎脊柱側彎進展緩慢的原因之一。
綜上述，上胸椎各節段具有獨特形態及生物力學特點，后側椎體結構在上胸椎節段運動及受力分配中起著重要作用。上胸椎側彎時凹側壓強明顯增大，受力不對稱是脊柱側彎進展的重要原因之一，同時重力因素是脊柱側彎進展的重要影響因素。
任何脊柱曲度改變均會引起特定的脊柱畸形，脊柱側彎是一種復雜的三維畸形[1]，目前病因仍不明確[2-4]。脊柱側彎出現后，生物力學因素是影響其進展的主要因素，尤其是椎體不平衡受力[5-8]。目前對于脊柱側彎的生物力學研究多集中于下胸椎、胸腰段，上胸椎由于活動度小、結構復雜，研究難度較大，少見相關生物力學研究報道。我們以小型豬上胸椎作為研究對象，應用LLW雙面型感壓紙測量上胸椎各節段椎間盤在垂直受壓以及5°前屈、后伸、側彎時的壓強變化，總結其生物力學特點及其與脊柱側彎進展的關系。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
2月齡雌性康寧實驗小型豬12只，體質量4.34～5.48 kg，平均4.91 kg；由涿州市康寧小型豬養殖有限公司提供，飼養條件符合國家實驗動物飼育標準。
Electroforce生物力學試驗機（型號3520-AT；Bose公司，美國）。LLW雙面型感壓紙、壓力預分頻讀數計、預分頻光度計（富士公司，日本）。義齒基托樹脂（Ⅱ型）及自凝牙托粉（上海醫療器械股份有限公司齒科材料廠）。
1.2 實驗方法
1.2.1 標本制備
12只小型豬行肌肉注射戊巴比妥鈉（30～40 mg/kg）麻醉后，取出完整脊柱，CT掃描確定標本無畸形、腫瘤等疾病。將脊柱標本分為兩組（n=6），一組截取T1、2、T3、4、T5、6、T7、8節段椎間盤，另一組截取T2、3、T4、5、T6、7、T8、9節段椎間盤，兩組合并即為完整上胸椎數據。所有標本密封于聚乙烯膜中，于—20℃冰箱中儲存。實驗前將標本于3℃解凍12 h，并用聚乙烯膜包裹以保持濕度。解凍后，將標本用自凝牙托粉上、下包埋，上、下厚度均為1.5 cm，保證脊柱處于牙托粉中央，且牙托粉上、下平行，與脊柱垂直，制備單節段脊柱椎間盤標本（圖 1a）。
圖1
標本制備???單節段脊柱椎間盤標本(T6、7)???將制備的5°楔形斜面置于標本與生物力學試驗機之間模擬側彎脊柱??圖 2?給予150 N載荷后LLW雙面型感壓紙圖像（T6、7）???垂直載荷???5°前屈???5°后伸???5°側彎
Figure1.
Specimen preparation???The intervertebral disc model of T6, 7Simulate 5°lateral bending by placing the 5°wedge-shaped model between the biomechanical machine and segment model Fig.2 Pressure sensitive film at T6, 7 under 150 N loading???Vertical pressure???5°flexion???5°extension???5°lateral bending
1.2.2 生物力學檢測
檢測環境溫度保持20℃，濕度44%。將單節段脊柱椎間盤標本連接至生物力學試驗機，預先加載300 N的軸向垂直載荷15 min，以減少椎間盤過度水合效應的影響[9]。切開椎間盤，注意不破壞前、后縱韌帶及關節突，將LLW雙面型感壓紙裁剪成合適形狀，包裹保鮮膜，置于切開的椎間盤內。然后，將單節段脊柱椎間盤標本再次固定于生物力學試驗機，依次給予100、150、200 N垂直載荷，每次加載前均需預加載3次，以消除黏彈性。應用2分法進行LLW雙面型感壓紙法檢測，即5 s顯影后保持2 min，以便得到更穩定、均勻圖像。應用自凝牙托粉制備5°楔形斜面，置于生物力學試驗機與標本之間（圖 1b），模擬5°前屈、后伸及側彎，試驗過程同垂直加載。每個椎間盤標本進行連續加載，每次加載結束后更換感壓紙，如3次加載結果相似，圖像穩定，則取最后1次LLW雙面型感壓紙作為檢測結果（圖 2）。如3次結果不相似，考慮為預加載不足或不規范，再次預加載后，重新測量3次結果，直至取得相似結果。由于對標本進行300 N以下的載荷，故重復測量不會引起標本損傷，對實驗結果無影響。
1.3 數據測量
采用壓力預分頻讀數計及預分頻光度計讀取LLW雙面型感壓紙的壓強。具體方法：將預分頻光度計放置在感壓紙圖像某一點，可得出該點的光度值，再應用預分頻讀數計將光度值轉換為壓強值。讀取選取范圍內所有點的壓強值，取均值即為該范圍壓強。根據脊柱前、中、后柱劃分，前方纖維環的取值范圍為椎體及椎間盤的前2/3，后方纖維環為椎體和椎間盤的后1/3。整個纖維環全部壓強點的均值即為纖維環壓強。側彎時椎間盤的取值范圍為椎間盤側彎時凹側部分，以椎間盤中線劃分的一半范圍。
1.4 數據分組
為簡明描述實驗結果，數據根據不同載荷及運動條件分組：SA1（垂直載荷前方纖維環壓強，100 N），SA2（垂直載荷前方纖維環壓強，150 N），SA3（垂直載荷前方纖維環壓強，200 N）；SP1（垂直載荷后方纖維環壓強，100 N），SP2（垂直載荷后方纖維環壓強，150 N），SP3（垂直載荷后方纖維環壓強，200 N）；AA1（5°前屈前方纖維環壓強，100 N），AA2（5°前屈前方纖維環壓強，150 N），AA3（5°前屈前方纖維環壓強，200 N）；AP1（5°前屈后方纖維環壓強，100 N），AP2（5°前屈后方纖維環壓強，150 N），AP3（5°前屈后方纖維環壓強，200 N）；RA1（5°后伸前方纖維環壓強，100 N），RA2（5°后伸前方纖維環壓強，150 N），RA3（5°后伸前方纖維環壓強，200 N）；RP1（5°后伸后方纖維環壓強，100 N），RP2（5°后伸后方纖維環壓強，150 N），RP3（5°后伸后方纖維環壓強，200 N）；B1（5°側彎凹側壓強，100 N），B2（5°側彎凹側壓強，150 N），B3（5°側彎凹側壓強，200 N）；S1（整體纖維環壓強，100 N），S2（整體纖維環壓強，150 N），S3（整體纖維環壓強，200 N）。
1.5 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。各組數據經Shapiro-Wilk正態性檢驗后，組間比較采用配對t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 前屈、后伸條件下椎間盤壓強變化
100 N載荷：與垂直載荷相比，前屈時各胸椎節段前方纖維環壓強均增大，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T5、6、T6、7、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，T7、8節段增大、其余節段均減小，差異均有統計學意義(P < 0.05)。
與垂直載荷相比，后伸時除T7、8節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各節段前方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T5、6、T6、7，T7、8、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余節段均增大，差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 3a、b。
圖3
前屈、后伸、垂直載荷時范圍壓強比較???100 N, 前方纖維環壓強???100 N, 后方纖維環壓強???150 N, 前方纖維環壓強???150 N, 后方纖維環壓強???200 N, 前方纖維環壓強???200 N, 后方纖維環壓強??圖 4?側彎時不同載荷條件下壓強比較???側彎時各載荷條件下凹側纖維環壓強#160;??100 N, 側彎時凹側纖維環壓強與垂直載荷時整體纖維環壓強???150 N, 側彎時凹側纖維環壓強與垂直載荷時整體纖維環壓強???200 N, 側彎時凹側纖維環壓強與垂直載荷時整體纖維環壓強
Figure3.
Pressure change and distribution in 5°flexion, extension, and vertical pressure under different loadings???The anterior annulus pressure under 100 N loading???The posterior annulus pressure under 100 N loading???The anterior annulus pressure under 150 N loading???The posterior annulus pressure under 150 N loading???The anterior annulus pressure under 200 N loading???The posterior annulus pressure under 200 N loading Fig. 4 Pressure change and distribution in lateral bending under different loadings???The pressure of the annulus at the concave side???The pressure of the annulus at the concave side and pressure of the whole annulus under 100 N loading???The pressure of the annulus at the concave side and pressure of the whole annulus under 150 N loading???The pressure of the annulus at the concave side and pressure of the whole annulus under 200 N loading
150 N載荷：與垂直載荷相比，前屈時除T7、8、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各胸椎節段前方纖維環壓強均增加，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T4、5、T5、6、T6、7、T7、8、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各節段后方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）。
與垂直載荷相比，后伸時各節段前方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T2、3、T3、4、T4、5、T5、6、T7、8節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，T6、7節段減小，其余節段增大，差異均有統計學意義(P < 0.05)。見圖 3c、d。
200 N載荷：與垂直載荷相比，前屈時各胸椎節段前方纖維環壓強均增大，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T4、5、T5、6、T6、7、T8、9節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，T7、8節段增大，其余各節段均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）。
與垂直載荷相比，后伸時各胸椎節段前方纖維環壓強均減小，差異均有統計學意義（P < 0.05）；后方纖維環壓強除T2、3、T3、4節段差異無統計學意義(P > 0.05)外，其余各節段均增大，且差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 3e、f。
2.2 側彎條件下纖維環壓強變化
側彎載荷影響分析：100、150、200 N載荷條件下，隨著載荷增大，各節段凹側壓強呈增大趨勢，差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 4a。
側彎壓強分析：側彎時壓強圖像顯示，凹側壓強明顯增大，但凸側感壓紙幾乎不顯影，提示所受壓強極小。100、150、200 N載荷條件下，各節段側彎時凹側壓強明顯大于整體纖維環壓強，差異均有統計學意義（P < 0.05）。見圖 4b～d。
3 討論
作為一種可以直觀測量壓強的材料，LLW雙面型感壓紙被廣泛應用于脊柱椎間盤壓強測量[10-12]。不同于只能測量一個特定點壓強的傳感器與探針，LLW雙面型感壓紙可反映不同區域內的任意點壓強變化[13-18]。上胸椎側彎臨床多見，但生物力學特征研究較少，闡明其生物力學規律以指導臨床胸椎側彎的治療具有重要意義。
Adams等[9]對人腰椎椎間盤標本進行了垂直加載應力檢測，結果顯示不同腰椎節段的受力分布不同，其中L1、2前方纖維環壓強大于后方，L2、3、L3、4、L4、5節段后方纖維環壓強大于前方，且數值各不相同。Gay等[18]應用壓力輪廓測定法及探針對腰椎進行了生物力學研究，同樣也發現測量結果受多因素協同影響，其中椎體節段是影響因素之一。本實驗中，上胸椎各節段受力同樣具有各自特點，其與上胸椎的生理曲度及結構特點，甚至所受載荷大小密切相關。隨著載荷的改變，上胸椎的受力特點發生變化。
既往下胸椎、胸腰椎及腰椎節段椎間盤壓強測量研究提示，在前屈時，椎體前方纖維環壓強增大，后方纖維環壓強減小；而在后伸時，椎體前方纖維環壓強減小，后方纖維環壓強增大，最大壓強多出現在后伸時后方纖維環范圍[12-13, 19]。但本次上胸椎研究得到了不同結果。前屈時，上胸椎前方纖維環壓強呈增大趨勢，但部分上胸椎節段后方纖維環壓強未顯著減小，反而呈增大趨勢或無明顯變化；后伸時，上胸椎前方纖維環壓強減小，但部分上胸椎節段后方纖維環壓強并未增大，呈無明顯變化趨勢。上胸椎獨特的受力特點與其生理結構有關。McAfee等[20]提出脊柱三柱理論，即人體脊柱沿矢狀面自前向后分為三柱，前柱為椎體前2/3，包括前縱韌帶、椎間盤前部；中柱為脊柱后1/3，包括后縱韌帶、椎間盤后部及椎弓根；后柱為椎板、上下關節突、橫突、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶及椎旁肌肉。椎間盤承受脊柱大部分壓力。腰椎椎間盤較大，承擔著椎體的大部分壓力；相反，上胸椎椎間盤較小，椎體后柱結構較多，椎間盤承擔的壓力較少。椎體前屈時，由于上胸椎的椎間盤結構偏前，因此椎間盤壓強呈整體增大趨勢。同樣后伸時，上胸椎的后柱結構承擔了絕大部分受力，使得椎間盤的受力整體減小。
不對稱應力導致椎間盤及椎體楔形變被認為是脊柱側彎進展的重要因素[5-8, 21-23]。引起椎間盤及椎體楔形變的原理，主要包括脊柱不平衡受力及Hueter-Volkmann原理[21]，即骨骺壓力法則：骨骺所受壓力增加，骨的生長就會受到抑制；骨骺所受壓力減小，骨的生長就會加速。過度施壓可抑制骺板生長，跨骺板牽張力可加速其生長。Arkin等[24]對機械壓力和拉力對生長軟骨的影響進行了研究，其結果與該原理相符。Aronsson等[25]及Stokes等[26]建立了鼠尾及牛尾模型，驗證了負荷大的一側側彎進展快，牽張力的一側生長快于壓力側。脊柱的生長依賴于椎體的骺板軟骨細胞分化和軟骨內骨化。Coillard等[27]通過制備小型豬脊柱側彎模型并進行研究，驗證了骺板軟骨生長的重要性。側彎時，凹側椎間盤壓強明顯增加，而凸側幾乎不受力，因此凹側骺板生長較凸側慢；同時隨著載荷增大，凹側受力同樣增加。側彎后長期不平衡受力使得椎體及椎間盤楔形變，從而導致側彎進展。
重力因素是脊柱側彎受力分析中不可忽視的因素，許多脊柱結構均會對力學負荷作出反饋，導致病理變化[28]。本次研究中，隨著載荷的增大，側彎凹側纖維環的壓強顯著增大。McMillan等[14]也發現，隨著載荷增加，椎間盤壓強呈線性增加。載荷反映在脊柱側彎患者中，可以認為是體質量因素。體質量大的患者脊柱承受的載荷也較大，椎間盤所承受的壓力也較大。同一患者不同脊柱節段由于位置的原因，所承受的載荷也不相同，上胸椎處于軀干上部，承受載荷最輕，因此椎間盤受到的壓力也較小，這可能是上胸椎脊柱側彎進展緩慢的原因之一。
綜上述，上胸椎各節段具有獨特形態及生物力學特點，后側椎體結構在上胸椎節段運動及受力分配中起著重要作用。上胸椎側彎時凹側壓強明顯增大，受力不對稱是脊柱側彎進展的重要原因之一，同時重力因素是脊柱側彎進展的重要影響因素。
