引用本文： 孟钊, 王晨, 郭旭朝, 陈伟, 丁文元, 刘丰雨. 基于感压纸材料的小型猪上胸椎生物力学试验研究. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(8): 992-997. doi: 10.7507/1002-1892.20160201 复制
任何脊柱曲度改变均会引起特定的脊柱畸形，脊柱侧弯是一种复杂的三维畸形[1]，目前病因仍不明确[2-4]。脊柱侧弯出现后，生物力学因素是影响其进展的主要因素，尤其是椎体不平衡受力[5-8]。目前对于脊柱侧弯的生物力学研究多集中于下胸椎、胸腰段，上胸椎由于活动度小、结构复杂，研究难度较大，少见相关生物力学研究报道。我们以小型猪上胸椎作为研究对象，应用LLW双面型感压纸测量上胸椎各节段椎间盘在垂直受压以及5°前屈、后伸、侧弯时的压强变化，总结其生物力学特点及其与脊柱侧弯进展的关系。报告如下。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要材料、仪器
2月龄雌性康宁实验小型猪12只，体质量4.34～5.48 kg，平均4.91 kg；由涿州市康宁小型猪养殖有限公司提供，饲养条件符合国家实验动物饲育标准。
Electroforce生物力学试验机（型号3520-AT；Bose公司，美国）。LLW双面型感压纸、压力预分频读数计、预分频光度计（富士公司，日本）。义齿基托树脂（Ⅱ型）及自凝牙托粉（上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂）。
1.2 实验方法
1.2.1 标本制备
12只小型猪行肌肉注射戊巴比妥钠（30～40 mg/kg）麻醉后，取出完整脊柱，CT扫描确定标本无畸形、肿瘤等疾病。将脊柱标本分为两组（n=6），一组截取T1、2、T3、4、T5、6、T7、8节段椎间盘，另一组截取T2、3、T4、5、T6、7、T8、9节段椎间盘，两组合并即为完整上胸椎数据。所有标本密封于聚乙烯膜中，于—20℃冰箱中储存。实验前将标本于3℃解冻12 h，并用聚乙烯膜包裹以保持湿度。解冻后，将标本用自凝牙托粉上、下包埋，上、下厚度均为1.5 cm，保证脊柱处于牙托粉中央，且牙托粉上、下平行，与脊柱垂直，制备单节段脊柱椎间盘标本（图 1a）。
图1
标本制备 ⓐ 单节段脊柱椎间盘标本(T6、7) ⓑ 将制备的5°楔形斜面置于标本与生物力学试验机之间模拟侧弯脊柱 图 2 给予150 N载荷后LLW双面型感压纸图像（T6、7） ⓐ 垂直载荷 ⓑ 5°前屈 ⓒ 5°后伸 ⓓ 5°侧弯
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 生物力学检测
检测环境温度保持20℃，湿度44%。将单节段脊柱椎间盘标本连接至生物力学试验机，预先加载300 N的轴向垂直载荷15 min，以减少椎间盘过度水合效应的影响[9]。切开椎间盘，注意不破坏前、后纵韧带及关节突，将LLW双面型感压纸裁剪成合适形状，包裹保鲜膜，置于切开的椎间盘内。然后，将单节段脊柱椎间盘标本再次固定于生物力学试验机，依次给予100、150、200 N垂直载荷，每次加载前均需预加载3次，以消除黏弹性。应用2分法进行LLW双面型感压纸法检测，即5 s显影后保持2 min，以便得到更稳定、均匀图像。应用自凝牙托粉制备5°楔形斜面，置于生物力学试验机与标本之间（图 1b），模拟5°前屈、后伸及侧弯，试验过程同垂直加载。每个椎间盘标本进行连续加载，每次加载结束后更换感压纸，如3次加载结果相似，图像稳定，则取最后1次LLW双面型感压纸作为检测结果（图 2）。如3次结果不相似，考虑为预加载不足或不规范，再次预加载后，重新测量3次结果，直至取得相似结果。由于对标本进行300 N以下的载荷，故重复测量不会引起标本损伤，对实验结果无影响。
1.3 数据测量
采用压力预分频读数计及预分频光度计读取LLW双面型感压纸的压强。具体方法：将预分频光度计放置在感压纸图像某一点，可得出该点的光度值，再应用预分频读数计将光度值转换为压强值。读取选取范围内所有点的压强值，取均值即为该范围压强。根据脊柱前、中、后柱划分，前方纤维环的取值范围为椎体及椎间盘的前2/3，后方纤维环为椎体和椎间盘的后1/3。整个纤维环全部压强点的均值即为纤维环压强。侧弯时椎间盘的取值范围为椎间盘侧弯时凹侧部分，以椎间盘中线划分的一半范围。
1.4 数据分组
为简明描述实验结果，数据根据不同载荷及运动条件分组：SA1（垂直载荷前方纤维环压强，100 N），SA2（垂直载荷前方纤维环压强，150 N），SA3（垂直载荷前方纤维环压强，200 N）；SP1（垂直载荷后方纤维环压强，100 N），SP2（垂直载荷后方纤维环压强，150 N），SP3（垂直载荷后方纤维环压强，200 N）；AA1（5°前屈前方纤维环压强，100 N），AA2（5°前屈前方纤维环压强，150 N），AA3（5°前屈前方纤维环压强，200 N）；AP1（5°前屈后方纤维环压强，100 N），AP2（5°前屈后方纤维环压强，150 N），AP3（5°前屈后方纤维环压强，200 N）；RA1（5°后伸前方纤维环压强，100 N），RA2（5°后伸前方纤维环压强，150 N），RA3（5°后伸前方纤维环压强，200 N）；RP1（5°后伸后方纤维环压强，100 N），RP2（5°后伸后方纤维环压强，150 N），RP3（5°后伸后方纤维环压强，200 N）；B1（5°侧弯凹侧压强，100 N），B2（5°侧弯凹侧压强，150 N），B3（5°侧弯凹侧压强，200 N）；S1（整体纤维环压强，100 N），S2（整体纤维环压强，150 N），S3（整体纤维环压强，200 N）。
1.5 统计学方法
采用SPSS13.0统计软件进行分析。各组数据经Shapiro-Wilk正态性检验后，组间比较采用配对t检验；检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 前屈、后伸条件下椎间盘压强变化
100 N载荷：与垂直载荷相比，前屈时各胸椎节段前方纤维环压强均增大，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T5、6、T6、7、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，T7、8节段增大、其余节段均减小，差异均有统计学意义(P < 0.05)。
与垂直载荷相比，后伸时除T7、8节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各节段前方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T5、6、T6、7，T7、8、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余节段均增大，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 3a、b。
图3
前屈、后伸、垂直载荷时范围压强比较 ⓐ 100 N, 前方纤维环压强 ⓑ 100 N, 后方纤维环压强 ⓒ 150 N, 前方纤维环压强 ⓓ 150 N, 后方纤维环压强 ⓔ 200 N, 前方纤维环压强 ⓕ 200 N, 后方纤维环压强 图 4 侧弯时不同载荷条件下压强比较 ⓐ 侧弯时各载荷条件下凹侧纤维环压强#160;ⓑ 100 N, 侧弯时凹侧纤维环压强与垂直载荷时整体纤维环压强 ⓒ 150 N, 侧弯时凹侧纤维环压强与垂直载荷时整体纤维环压强 ⓓ 200 N, 侧弯时凹侧纤维环压强与垂直载荷时整体纤维环压强
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载荷：与垂直载荷相比，前屈时除T7、8、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各胸椎节段前方纤维环压强均增加，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T4、5、T5、6、T6、7、T7、8、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各节段后方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）。
与垂直载荷相比，后伸时各节段前方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T2、3、T3、4、T4、5、T5、6、T7、8节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，T6、7节段减小，其余节段增大，差异均有统计学意义(P < 0.05)。见图 3c、d。
200 N载荷：与垂直载荷相比，前屈时各胸椎节段前方纤维环压强均增大，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T4、5、T5、6、T6、7、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，T7、8节段增大，其余各节段均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）。
与垂直载荷相比，后伸时各胸椎节段前方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T2、3、T3、4节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各节段均增大，且差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 3e、f。
2.2 侧弯条件下纤维环压强变化
侧弯载荷影响分析：100、150、200 N载荷条件下，随着载荷增大，各节段凹侧压强呈增大趋势，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 4a。
侧弯压强分析：侧弯时压强图像显示，凹侧压强明显增大，但凸侧感压纸几乎不显影，提示所受压强极小。100、150、200 N载荷条件下，各节段侧弯时凹侧压强明显大于整体纤维环压强，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 4b～d。
3 讨论
作为一种可以直观测量压强的材料，LLW双面型感压纸被广泛应用于脊柱椎间盘压强测量[10-12]。不同于只能测量一个特定点压强的传感器与探针，LLW双面型感压纸可反映不同区域内的任意点压强变化[13-18]。上胸椎侧弯临床多见，但生物力学特征研究较少，阐明其生物力学规律以指导临床胸椎侧弯的治疗具有重要意义。
Adams等[9]对人腰椎椎间盘标本进行了垂直加载应力检测，结果显示不同腰椎节段的受力分布不同，其中L1、2前方纤维环压强大于后方，L2、3、L3、4、L4、5节段后方纤维环压强大于前方，且数值各不相同。Gay等[18]应用压力轮廓测定法及探针对腰椎进行了生物力学研究，同样也发现测量结果受多因素协同影响，其中椎体节段是影响因素之一。本实验中，上胸椎各节段受力同样具有各自特点，其与上胸椎的生理曲度及结构特点，甚至所受载荷大小密切相关。随着载荷的改变，上胸椎的受力特点发生变化。
既往下胸椎、胸腰椎及腰椎节段椎间盘压强测量研究提示，在前屈时，椎体前方纤维环压强增大，后方纤维环压强减小；而在后伸时，椎体前方纤维环压强减小，后方纤维环压强增大，最大压强多出现在后伸时后方纤维环范围[12-13, 19]。但本次上胸椎研究得到了不同结果。前屈时，上胸椎前方纤维环压强呈增大趋势，但部分上胸椎节段后方纤维环压强未显著减小，反而呈增大趋势或无明显变化；后伸时，上胸椎前方纤维环压强减小，但部分上胸椎节段后方纤维环压强并未增大，呈无明显变化趋势。上胸椎独特的受力特点与其生理结构有关。McAfee等[20]提出脊柱三柱理论，即人体脊柱沿矢状面自前向后分为三柱，前柱为椎体前2/3，包括前纵韧带、椎间盘前部；中柱为脊柱后1/3，包括后纵韧带、椎间盘后部及椎弓根；后柱为椎板、上下关节突、横突、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带及椎旁肌肉。椎间盘承受脊柱大部分压力。腰椎椎间盘较大，承担着椎体的大部分压力；相反，上胸椎椎间盘较小，椎体后柱结构较多，椎间盘承担的压力较少。椎体前屈时，由于上胸椎的椎间盘结构偏前，因此椎间盘压强呈整体增大趋势。同样后伸时，上胸椎的后柱结构承担了绝大部分受力，使得椎间盘的受力整体减小。
不对称应力导致椎间盘及椎体楔形变被认为是脊柱侧弯进展的重要因素[5-8, 21-23]。引起椎间盘及椎体楔形变的原理，主要包括脊柱不平衡受力及Hueter-Volkmann原理[21]，即骨骺压力法则：骨骺所受压力增加，骨的生长就会受到抑制；骨骺所受压力减小，骨的生长就会加速。过度施压可抑制骺板生长，跨骺板牵张力可加速其生长。Arkin等[24]对机械压力和拉力对生长软骨的影响进行了研究，其结果与该原理相符。Aronsson等[25]及Stokes等[26]建立了鼠尾及牛尾模型，验证了负荷大的一侧侧弯进展快，牵张力的一侧生长快于压力侧。脊柱的生长依赖于椎体的骺板软骨细胞分化和软骨内骨化。Coillard等[27]通过制备小型猪脊柱侧弯模型并进行研究，验证了骺板软骨生长的重要性。侧弯时，凹侧椎间盘压强明显增加，而凸侧几乎不受力，因此凹侧骺板生长较凸侧慢；同时随着载荷增大，凹侧受力同样增加。侧弯后长期不平衡受力使得椎体及椎间盘楔形变，从而导致侧弯进展。
重力因素是脊柱侧弯受力分析中不可忽视的因素，许多脊柱结构均会对力学负荷作出反馈，导致病理变化[28]。本次研究中，随着载荷的增大，侧弯凹侧纤维环的压强显著增大。McMillan等[14]也发现，随着载荷增加，椎间盘压强呈线性增加。载荷反映在脊柱侧弯患者中，可以认为是体质量因素。体质量大的患者脊柱承受的载荷也较大，椎间盘所承受的压力也较大。同一患者不同脊柱节段由于位置的原因，所承受的载荷也不相同，上胸椎处于躯干上部，承受载荷最轻，因此椎间盘受到的压力也较小，这可能是上胸椎脊柱侧弯进展缓慢的原因之一。
综上述，上胸椎各节段具有独特形态及生物力学特点，后侧椎体结构在上胸椎节段运动及受力分配中起着重要作用。上胸椎侧弯时凹侧压强明显增大，受力不对称是脊柱侧弯进展的重要原因之一，同时重力因素是脊柱侧弯进展的重要影响因素。
任何脊柱曲度改变均会引起特定的脊柱畸形，脊柱侧弯是一种复杂的三维畸形[1]，目前病因仍不明确[2-4]。脊柱侧弯出现后，生物力学因素是影响其进展的主要因素，尤其是椎体不平衡受力[5-8]。目前对于脊柱侧弯的生物力学研究多集中于下胸椎、胸腰段，上胸椎由于活动度小、结构复杂，研究难度较大，少见相关生物力学研究报道。我们以小型猪上胸椎作为研究对象，应用LLW双面型感压纸测量上胸椎各节段椎间盘在垂直受压以及5°前屈、后伸、侧弯时的压强变化，总结其生物力学特点及其与脊柱侧弯进展的关系。报告如下。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要材料、仪器
2月龄雌性康宁实验小型猪12只，体质量4.34～5.48 kg，平均4.91 kg；由涿州市康宁小型猪养殖有限公司提供，饲养条件符合国家实验动物饲育标准。
Electroforce生物力学试验机（型号3520-AT；Bose公司，美国）。LLW双面型感压纸、压力预分频读数计、预分频光度计（富士公司，日本）。义齿基托树脂（Ⅱ型）及自凝牙托粉（上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂）。
1.2 实验方法
1.2.1 标本制备
12只小型猪行肌肉注射戊巴比妥钠（30～40 mg/kg）麻醉后，取出完整脊柱，CT扫描确定标本无畸形、肿瘤等疾病。将脊柱标本分为两组（n=6），一组截取T1、2、T3、4、T5、6、T7、8节段椎间盘，另一组截取T2、3、T4、5、T6、7、T8、9节段椎间盘，两组合并即为完整上胸椎数据。所有标本密封于聚乙烯膜中，于—20℃冰箱中储存。实验前将标本于3℃解冻12 h，并用聚乙烯膜包裹以保持湿度。解冻后，将标本用自凝牙托粉上、下包埋，上、下厚度均为1.5 cm，保证脊柱处于牙托粉中央，且牙托粉上、下平行，与脊柱垂直，制备单节段脊柱椎间盘标本（图 1a）。
图1
标本制备 ⓐ 单节段脊柱椎间盘标本(T6、7) ⓑ 将制备的5°楔形斜面置于标本与生物力学试验机之间模拟侧弯脊柱 图 2 给予150 N载荷后LLW双面型感压纸图像（T6、7） ⓐ 垂直载荷 ⓑ 5°前屈 ⓒ 5°后伸 ⓓ 5°侧弯
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 生物力学检测
检测环境温度保持20℃，湿度44%。将单节段脊柱椎间盘标本连接至生物力学试验机，预先加载300 N的轴向垂直载荷15 min，以减少椎间盘过度水合效应的影响[9]。切开椎间盘，注意不破坏前、后纵韧带及关节突，将LLW双面型感压纸裁剪成合适形状，包裹保鲜膜，置于切开的椎间盘内。然后，将单节段脊柱椎间盘标本再次固定于生物力学试验机，依次给予100、150、200 N垂直载荷，每次加载前均需预加载3次，以消除黏弹性。应用2分法进行LLW双面型感压纸法检测，即5 s显影后保持2 min，以便得到更稳定、均匀图像。应用自凝牙托粉制备5°楔形斜面，置于生物力学试验机与标本之间（图 1b），模拟5°前屈、后伸及侧弯，试验过程同垂直加载。每个椎间盘标本进行连续加载，每次加载结束后更换感压纸，如3次加载结果相似，图像稳定，则取最后1次LLW双面型感压纸作为检测结果（图 2）。如3次结果不相似，考虑为预加载不足或不规范，再次预加载后，重新测量3次结果，直至取得相似结果。由于对标本进行300 N以下的载荷，故重复测量不会引起标本损伤，对实验结果无影响。
1.3 数据测量
采用压力预分频读数计及预分频光度计读取LLW双面型感压纸的压强。具体方法：将预分频光度计放置在感压纸图像某一点，可得出该点的光度值，再应用预分频读数计将光度值转换为压强值。读取选取范围内所有点的压强值，取均值即为该范围压强。根据脊柱前、中、后柱划分，前方纤维环的取值范围为椎体及椎间盘的前2/3，后方纤维环为椎体和椎间盘的后1/3。整个纤维环全部压强点的均值即为纤维环压强。侧弯时椎间盘的取值范围为椎间盘侧弯时凹侧部分，以椎间盘中线划分的一半范围。
1.4 数据分组
为简明描述实验结果，数据根据不同载荷及运动条件分组：SA1（垂直载荷前方纤维环压强，100 N），SA2（垂直载荷前方纤维环压强，150 N），SA3（垂直载荷前方纤维环压强，200 N）；SP1（垂直载荷后方纤维环压强，100 N），SP2（垂直载荷后方纤维环压强，150 N），SP3（垂直载荷后方纤维环压强，200 N）；AA1（5°前屈前方纤维环压强，100 N），AA2（5°前屈前方纤维环压强，150 N），AA3（5°前屈前方纤维环压强，200 N）；AP1（5°前屈后方纤维环压强，100 N），AP2（5°前屈后方纤维环压强，150 N），AP3（5°前屈后方纤维环压强，200 N）；RA1（5°后伸前方纤维环压强，100 N），RA2（5°后伸前方纤维环压强，150 N），RA3（5°后伸前方纤维环压强，200 N）；RP1（5°后伸后方纤维环压强，100 N），RP2（5°后伸后方纤维环压强，150 N），RP3（5°后伸后方纤维环压强，200 N）；B1（5°侧弯凹侧压强，100 N），B2（5°侧弯凹侧压强，150 N），B3（5°侧弯凹侧压强，200 N）；S1（整体纤维环压强，100 N），S2（整体纤维环压强，150 N），S3（整体纤维环压强，200 N）。
1.5 统计学方法
采用SPSS13.0统计软件进行分析。各组数据经Shapiro-Wilk正态性检验后，组间比较采用配对t检验；检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 前屈、后伸条件下椎间盘压强变化
100 N载荷：与垂直载荷相比，前屈时各胸椎节段前方纤维环压强均增大，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T5、6、T6、7、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，T7、8节段增大、其余节段均减小，差异均有统计学意义(P < 0.05)。
与垂直载荷相比，后伸时除T7、8节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各节段前方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T5、6、T6、7，T7、8、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余节段均增大，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 3a、b。
图3
前屈、后伸、垂直载荷时范围压强比较 ⓐ 100 N, 前方纤维环压强 ⓑ 100 N, 后方纤维环压强 ⓒ 150 N, 前方纤维环压强 ⓓ 150 N, 后方纤维环压强 ⓔ 200 N, 前方纤维环压强 ⓕ 200 N, 后方纤维环压强 图 4 侧弯时不同载荷条件下压强比较 ⓐ 侧弯时各载荷条件下凹侧纤维环压强#160;ⓑ 100 N, 侧弯时凹侧纤维环压强与垂直载荷时整体纤维环压强 ⓒ 150 N, 侧弯时凹侧纤维环压强与垂直载荷时整体纤维环压强 ⓓ 200 N, 侧弯时凹侧纤维环压强与垂直载荷时整体纤维环压强
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载荷：与垂直载荷相比，前屈时除T7、8、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各胸椎节段前方纤维环压强均增加，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T4、5、T5、6、T6、7、T7、8、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各节段后方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）。
与垂直载荷相比，后伸时各节段前方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T2、3、T3、4、T4、5、T5、6、T7、8节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，T6、7节段减小，其余节段增大，差异均有统计学意义(P < 0.05)。见图 3c、d。
200 N载荷：与垂直载荷相比，前屈时各胸椎节段前方纤维环压强均增大，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T4、5、T5、6、T6、7、T8、9节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，T7、8节段增大，其余各节段均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）。
与垂直载荷相比，后伸时各胸椎节段前方纤维环压强均减小，差异均有统计学意义（P < 0.05）；后方纤维环压强除T2、3、T3、4节段差异无统计学意义(P > 0.05)外，其余各节段均增大，且差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 3e、f。
2.2 侧弯条件下纤维环压强变化
侧弯载荷影响分析：100、150、200 N载荷条件下，随着载荷增大，各节段凹侧压强呈增大趋势，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 4a。
侧弯压强分析：侧弯时压强图像显示，凹侧压强明显增大，但凸侧感压纸几乎不显影，提示所受压强极小。100、150、200 N载荷条件下，各节段侧弯时凹侧压强明显大于整体纤维环压强，差异均有统计学意义（P < 0.05）。见图 4b～d。
3 讨论
作为一种可以直观测量压强的材料，LLW双面型感压纸被广泛应用于脊柱椎间盘压强测量[10-12]。不同于只能测量一个特定点压强的传感器与探针，LLW双面型感压纸可反映不同区域内的任意点压强变化[13-18]。上胸椎侧弯临床多见，但生物力学特征研究较少，阐明其生物力学规律以指导临床胸椎侧弯的治疗具有重要意义。
Adams等[9]对人腰椎椎间盘标本进行了垂直加载应力检测，结果显示不同腰椎节段的受力分布不同，其中L1、2前方纤维环压强大于后方，L2、3、L3、4、L4、5节段后方纤维环压强大于前方，且数值各不相同。Gay等[18]应用压力轮廓测定法及探针对腰椎进行了生物力学研究，同样也发现测量结果受多因素协同影响，其中椎体节段是影响因素之一。本实验中，上胸椎各节段受力同样具有各自特点，其与上胸椎的生理曲度及结构特点，甚至所受载荷大小密切相关。随着载荷的改变，上胸椎的受力特点发生变化。
既往下胸椎、胸腰椎及腰椎节段椎间盘压强测量研究提示，在前屈时，椎体前方纤维环压强增大，后方纤维环压强减小；而在后伸时，椎体前方纤维环压强减小，后方纤维环压强增大，最大压强多出现在后伸时后方纤维环范围[12-13, 19]。但本次上胸椎研究得到了不同结果。前屈时，上胸椎前方纤维环压强呈增大趋势，但部分上胸椎节段后方纤维环压强未显著减小，反而呈增大趋势或无明显变化；后伸时，上胸椎前方纤维环压强减小，但部分上胸椎节段后方纤维环压强并未增大，呈无明显变化趋势。上胸椎独特的受力特点与其生理结构有关。McAfee等[20]提出脊柱三柱理论，即人体脊柱沿矢状面自前向后分为三柱，前柱为椎体前2/3，包括前纵韧带、椎间盘前部；中柱为脊柱后1/3，包括后纵韧带、椎间盘后部及椎弓根；后柱为椎板、上下关节突、横突、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带及椎旁肌肉。椎间盘承受脊柱大部分压力。腰椎椎间盘较大，承担着椎体的大部分压力；相反，上胸椎椎间盘较小，椎体后柱结构较多，椎间盘承担的压力较少。椎体前屈时，由于上胸椎的椎间盘结构偏前，因此椎间盘压强呈整体增大趋势。同样后伸时，上胸椎的后柱结构承担了绝大部分受力，使得椎间盘的受力整体减小。
不对称应力导致椎间盘及椎体楔形变被认为是脊柱侧弯进展的重要因素[5-8, 21-23]。引起椎间盘及椎体楔形变的原理，主要包括脊柱不平衡受力及Hueter-Volkmann原理[21]，即骨骺压力法则：骨骺所受压力增加，骨的生长就会受到抑制；骨骺所受压力减小，骨的生长就会加速。过度施压可抑制骺板生长，跨骺板牵张力可加速其生长。Arkin等[24]对机械压力和拉力对生长软骨的影响进行了研究，其结果与该原理相符。Aronsson等[25]及Stokes等[26]建立了鼠尾及牛尾模型，验证了负荷大的一侧侧弯进展快，牵张力的一侧生长快于压力侧。脊柱的生长依赖于椎体的骺板软骨细胞分化和软骨内骨化。Coillard等[27]通过制备小型猪脊柱侧弯模型并进行研究，验证了骺板软骨生长的重要性。侧弯时，凹侧椎间盘压强明显增加，而凸侧几乎不受力，因此凹侧骺板生长较凸侧慢；同时随着载荷增大，凹侧受力同样增加。侧弯后长期不平衡受力使得椎体及椎间盘楔形变，从而导致侧弯进展。
重力因素是脊柱侧弯受力分析中不可忽视的因素，许多脊柱结构均会对力学负荷作出反馈，导致病理变化[28]。本次研究中，随着载荷的增大，侧弯凹侧纤维环的压强显著增大。McMillan等[14]也发现，随着载荷增加，椎间盘压强呈线性增加。载荷反映在脊柱侧弯患者中，可以认为是体质量因素。体质量大的患者脊柱承受的载荷也较大，椎间盘所承受的压力也较大。同一患者不同脊柱节段由于位置的原因，所承受的载荷也不相同，上胸椎处于躯干上部，承受载荷最轻，因此椎间盘受到的压力也较小，这可能是上胸椎脊柱侧弯进展缓慢的原因之一。
综上述，上胸椎各节段具有独特形态及生物力学特点，后侧椎体结构在上胸椎节段运动及受力分配中起着重要作用。上胸椎侧弯时凹侧压强明显增大，受力不对称是脊柱侧弯进展的重要原因之一，同时重力因素是脊柱侧弯进展的重要影响因素。
