Межпозвонковый диск
- Ольга С.
- 9 июн. 2024 г.
- 11 мин. чтения
Введение.
Межпозвоночный диск имеет сложную структуру, состоящую из студенистого студенистого ядра, богатого протеогликанами, окруженного богатым коллагеном фиброзным кольцом.
Протеогликан в студенистом ядре обеспечивает высокое содержание воды в студенистом ядре и, в свою очередь, способствует выдерживанию больших нагрузок, приложенных к телу позвонка.
Нагрузка распределяется равномерно на фиброзное кольцо за счет гидростатического давления.
Ориентация волокон фиброзного кольца позволяет противостоять окружным напряжениям, создаваемым гидростатическим давлением в здоровых условиях.
Дегенеративные изменения биомеханических свойств могут возникать в тканях студенистого ядра и фиброзного кольца по отдельности. Это можно показать как изменения свойств материала каждой ткани. Дегенеративные изменения структурных свойств можно представить как следствие этих изменений свойств материала субструктуры диска. Однако дегенеративные структурные изменения диска, такие как потеря объема студенистого ядра и трещины фиброзного кольца, можно оценить только путем анализа структурных параметров. Важно понять, как эти изменения влияют на функцию двигательного сегмента и связаны с такими симптомами, как боль в пояснице (БНС) (см. статью Карппинена и др.). В этом обзоре мы рассмотрим дегенеративные изменения свойств материала студенистого ядра и фиброзного кольца с последующими изменениями структурных свойств всего диска, уделяя особое внимание дегенеративным изменениям вязкоупругих свойств всего диска. Будет наблюдаться нестабильность двигательного сегмента как следствие структурного нарушения, связанного с дегенеративными изменениями диска. Наконец, будет рассмотрена нестабильность поясничного отдела позвоночника, которая считается одной из важных причин механической БНС.
Пульпозное ядро
Процесс дегенерации диска влияет на некоторые структуры по-разному и, по-видимому, в разные периоды своего развития.
При описании этой последовательности событий важно иметь в виду нарушение синтеза матрикса диска, поскольку в него вовлечены все его компоненты в разные моменты времени.
Считается, что процесс начинается в студенистом ядре, демонстрируя уменьшение в концентрации протеогликана и постепенном изменении типа коллагена, который переходит в более фиброзную ткань.
Эти факторы эффективно обезвоживают студенистое ядро по сравнению с пиковым содержанием воды в ядре диска взрослого человека, составляющим примерно от 70 до 80%.11
Недавно Мураками и др. количественно определили разницу в содержании воды между старыми (3 года) и молодыми (6 месяцев) тканью фиброзного кольца и студенистого ядра кроликов, показав существенные различия между ними. Кроме того, содержание ГАГ, ДНК, агрекана и коллагена типов I и II в студенистом ядре было значительно больше в более молодой ткани. Подобные данные показывают, что больше всего поражается ткань ядра. Его распад, возможно, является одним из крупнейших факторов дальнейшей дегенерации диска. Этот переход к более фиброзному типу ткани приводит к более жесткому студенистому ядру, и «амортизирующие» свойства диска сильно ограничиваются.
Студенистое ядро, обычно называемое жидкостью, теряет свои характеристики гидростатического давления.
Более фиброзная (с повышенным содержанием коллагена в студенистом ядре) ткань не будет вести себя так же, как жидкость/гель. студенистое ядро. Ткань студенистого ядра подвергается процессу уплотнения за счет постепенной потери протеогликанов и изменения коллагена от типа II к типу I становясь более волокнистой и твердой тканью которая, как было обнаружено, объединяется в одну твердую фазу с фиброзным кольцом в 75% случаев.
Потеря протеогликанов вызывает снижение давления набухания в студенистом ядре, которое идентифицировано как основной механизм, несущий нагрузку при недегенеративное студенистое ядро.
Как следствие, механика нагрузки изменяется, и в течение некоторого периода времени, во время начальной фазы дегенерации, диск становится нестабильным.
Фиброзное кольцо
Механическое поведение фиброзного кольца хорошо документировано при испытаниях на растяжение и сжатие, но не на сдвиг.
Поведение при растяжении соответствует окружному направлению стенки кольца и было охарактеризовано в статических и динамических испытаниях, чтобы объяснить механизм сопротивления окружным напряжениям, создаваемым гидростатическим давлением студенистого ядра.
Эти два условия нагрузки обычно используются для моделирования веса тела, воспринимаемого позвоночником (сжатие), и дополнительных напряжений, наблюдаемых при боковом изгибе наружу и сгибании/разгибании (напряжении). Наибольшая прочность обычно наблюдается при нагружении ламелей по направлению армирующих волокон.
Расположение эластичных волокон играет очень важную роль в общих механических свойствах фиброзного кольца.
Упругая анизотропия в кольце сохраняется при дегенерации, при этом заднелатеральные и наружные области пластинок уменьшаются примерно на 30–50% по мере продвижения вперед.
Однако в таких случаях, как спондилолистез, передне-задний сдвиг, по-видимому, является доминирующим типом разрушения, и он не изучен, а также сдвиг внутри пластинок кольца в случаях кольцевого разрушения, приводящего к грыжеобразованию. В дегенеративном фиброзном кольце структура волокон становится дезорганизованной, и, как следствие, меняется упругая реакция. Упругие свойства в неповрежденной модели анизотропны и сильно нелинейны. Эта нелинейность, проявляющаяся в виде «области пальца» на кривых растяжения-деформации, характерна для хрящевых тканей. Более того, было показано, что ответом дегенерированной ткани фиброзного кольца является двукратное увеличение модуля упругости области пальца при испытании на растяжение, что коррелирует с возрастом, а также перестройкой волокон в направлении нагрузки.
Динамический вязкоупругие испытания показали, что динамический модуль фиброзного кольца увеличивается с дегенерацией при растяжении более 6%.
Более ранние результаты квазистатических испытаний Акароглу и др. описывают сильное влияние дегенерации на упругие свойства, такие как коэффициент Пуассона. , напряжение разрушения и плотность энергии деформации фиброзного кольца.
В работе Guerin не сообщается о других существенных изменениях эластических свойств ткани фиброзного кольца.
В дополнение к упругой анизотропии было показано, что проницаемость также изменяется в пространстве и зависит от возраста, дегенерации и содержания воды в диске.50 Эти значения были включены в моделирование методом конечных элементов Натараджаном и др. и показали свой эффект. от высоты диска и кольцевого разрушения.
Дегенеративные изменения структурных свойств двигательного сегмента
Функция двигательного сегмента заключается в обеспечении осевой устойчивости позвоночника, одновременно обеспечивая подвижность.
Межпозвонковый диск отвечает за выдерживание огромных сжимающих нагрузок, сохраняя при этом гибкость. Нагрузка на диск в основном сжимающая, но он также подвергается к другим типам нагрузок, таким как напряжения растяжения и сдвига.
Поскольку диск подвергается сжимающей нагрузке, внутри внутреннего ядра студенистого ядра развивается гидростатическое давление, которое выталкивает наружу, вызывая выпячивание внешнего кольца фиброзного кольца. и испытывают растягивающее напряжение в волокнах.
Нагрузки на поясничный диск (L3/4) у добровольцев, выполняющих различные позы тела, а также давление на диск измерялись in vivo. Эти исследования выявили, что нагрузка на диск уровня L3/4 в положении сидя и в положении стоя при сгибании 20 градусов составляла 250% от общей массы тела, хотя часть тела выше уровня L3/4 представляла только 60%. Столь большие нагрузки были подтверждены математическими моделями.
Это предполагает, что нагрузка на поясничный диск состоит из внешних и внутренних воздействий.
Внешняя нагрузка — это вес тела над поясничным диском, а внутренняя нагрузка — мышечная сила, необходимая для стабилизации позвоночника в различных позах. Следует также ожидать повышения давления в диске при введении жидкости, как показали Андерссон и Шульц, когда они задавались вопросом о влиянии инъекции физиологического раствора на диск и обнаружили различные реакции в случаях, когда введенная жидкость сохранялась, особенно большие повышение давления (до 83%). С другой стороны, в дегенерированном диске наблюдалось снижение давления.
Был создан ряд животных моделей для исследования дегенеративных изменений структурных свойств пояснично-двигательного сегмента. Обычно используемым методом механического повреждения, вызывающим дегенерацию диска, является прокол иглой или ножевое ранение. Несколько исследователей недавно пришли к тем же выводам, сообщив, что диаметр раны должен быть достаточно большим, чтобы вызвать дегенерацию.
Korecki и соавт. показали, что в условиях циклического тестирования in vitro диски крупного рогатого скота показали немедленную и прогрессивные различия в динамическом модуле и жесткости ткани фиброзного кольца после пункции. Помимо ламеллярных нарушений, наблюдалась жизнеспособность клеток и ремоделирование матрикса. Другая животная модель (овца) с дегенерацией диска в результате индуцированных повреждений также показала регенерацию в средней стенке фиброзного кольца.
В других условиях нагрузки модель хвоста мыши также показала различия в ткани фиброзного кольца вследствие динамического сжатия. но не достиг дегенеративного качества диска после длительных циклов сжатия.
В целом эти отчеты предполагают, что колотые травмы приводят к дегенеративному ремоделированию, включая грануляционную ткань, которую современные методы диагностики на основе изображений могут быть не в состоянии отличить.
MacLean и др. исследовали статическое вязкоупругое поведение сегментов каудального движения крыс, позвонков и изолированных эксплантатов дисков при различных условиях проницаемости и продемонстрировали, что различия в условиях проницаемости концевой пластинки оказывают существенное влияние на вязкоупругое поведение. Йоханнессен и др. продемонстрировали снижение стресс-релаксации после десяти тысяч циклов сжимающей нагрузки в сегментах поясничных движений взрослых овец и восстановление стресс-релаксации после 18 часов разгрузки в растворе PBS, что указывает на транспорт жидкости между позвоночными дисками во время нагрузки и разгрузки.
Boxberger и др. использовали модель дегенеративного диска у крыс путем инъекции хондроитиназы-ABC в диски. В этой модели дегенерация студенистого ядра была успешно вызвана потерей ГАГ в результате инъекции хондроитиназы-ABC в диски, которые впоследствии были протестированы в линейном вязкоупругом режиме растяжения/сжатия. Результаты показали, что динамическая жесткость снижается при низких нагрузках. Показано, что содержание ГАГ в студенистом ядре связано со свойствами нейтральной зоны в циклических испытаниях на растяжение-сжатие. Однако крайних значений растяжения и сжатия на кривой смещения нагрузки не было. Это показывает, что дегенеративное ядро производит гипермобильность в дополнение к низкому давлению. Такое искажение распределения нагрузки приводит к развитию кольцевых напряжений в затрубном пространстве, сопротивляющихся сжимающим нагрузкам.
Ким и др. использовали модель дегенеративного диска кролика путем пункции диска иглой 18 калибра для исследования изменений динамических вязкоупругих свойств всего диска, связанных с дегенерацией диска. В этой модели содержание протеогликана снизилось, а содержание коллагена увеличилось через 4 недели после пункции. Динамический вязкоупругий тест показал снижение упругих и вязких свойств проколотого диска (рис. 1). Корреляционное исследование показало, что содержание протеогликанов положительно коррелирует с упруго-вязкими механическими свойствами и высотой диска; однако корреляции с содержанием коллагена не было. Эти результаты позволяют предположить, что протеогликан является определяющим фактором вязкоупругих свойств и структурных свойств диска.
Используя ту же модель дегенеративного диска кролика и метод динамического вязкоупругого тестирования, Миямото и др. исследовали влияние инъекции OP-1 в поясничный отдел диска на биомеханическое и биохимическое восстановление диска. В этом исследовании значительное увеличение сырой массы и содержания протеогликанов наблюдалось как в тканях студенистого ядра, так и в фиброзном кольце дисков, которым вводили OP-1, по сравнению с контрольными дисками, которым вводили лактозу, тогда как увеличение содержания коллагена наблюдалось только у студенистое ядро. Эти результаты позволяют предположить, что повышенное содержание протеогликанов, вызванное инъекцией OP-1, приводит к гидратации тканей как в студенистом ядре, так и в фиброзном кольце. Результаты динамического вязкоупругого теста показали, что модуль упругости имеет достоверную положительную корреляцию с содержанием протеогликана в студенистом ядре и содержанием протеогликана и коллагена в фиброзном кольце. Аналогичным образом было показано, что модуль вязкости имеет значительную положительную корреляцию с содержанием протеогликана в студенистом ядре и содержанием протеогликана и коллагена в фиброзном кольце.
Нестабильность двигательного сегмента, связанная с дегенерацией межпозвоночных дисков
По мере прогрессирования дегенерации диска структурная недостаточность диска проявляется разрывами и расщелинами фиброзного кольца. Эти разрушения материала происходят в разных направлениях и являются результатом множества воздействующих факторов, в том числе измененной загрузки диска. О потенциальных связях между остеофитами и периферическими разрывами впервые сообщили Schmorl и Junghanns,78 а также подчеркнули тот факт, что из-за разрывов может возникнуть сегментарная нестабильность. Фарфан и Киркалди-Уиллис пришли к выводу, что разрывы являются побочным продуктом скручивающих напряжений, предполагая, что они являются инициаторами отказа других компонентов диска в каскаде дегенерации диска.
Сегментарную нестабильность поясничного отдела позвоночника часто считают причиной БНС, но нестабильность позвоночника плохо определена и понята.
Основная концепция нестабильности позвоночника заключается в том, что чрезмерное движение, выходящее за пределы нормальных ограничений, вызывает либо сжатие, либо растяжение нервных элементов. или вызывает аномальные деформации связок, суставных капсул, кольцевых волокон или концевых пластинок, которые, как известно, имеют значительное количество ноцицепторов. Несмотря на то, что несколько исследований показали, что чрезмерные движения на рентгенограммах сгибания/разгибания связаны с БНС или дегенеративным заболеванием дисков, другие исследования указывают на снижение движений у пациентов с дегенеративными изменениями и такой болью.
Сегментарная нестабильность поясничного отдела может быть связана со спектром клинических проявлений дегенеративных изменений межпозвоночного диска. или степени) дегенерации диска и кинематические характеристики двигательного сегмента изучались с использованием трупных позвоночно-двигательных сегментов. эти исследования показывают, что биомеханические характеристики двигательного сегмента могут существенно изменяться при развитии дегенеративных изменений в межпозвонковом диске.
In vivo измерение сегментарного движения поясничного отдела
Было проведено множество исследований in vivo сегментарной нестабильности поясничного отдела позвоночника, в которых использовались динамические рентгенограммы сгибания/разгибания.
Однако эти динамические рентгенографические методы оказались неточными. Ошибки, связанные с измерением поступательного движения в сагиттальной плоскости. в литературе сообщается о диапазоне от 1 до 4 мм или от 3% до 15% глубины позвонка. Schaffer сообщили об удивительно высоких показателях ложноположительных и ложноотрицательных результатов (т.е. нормальные трансляции классифицируются за пределами нормальный диапазон и наоборот) со значительными различиями между методами измерения, несмотря на очень высокую надежность рентгенографического качества, оценщиков и измерений. Были внедрены более сложные методы, такие как бипланарная стереорадиография, анализ структуры центродов и тракционно-компрессионная рентгенография, но они не получили широкого распространения. Более точные методы включают инвазивные методы, заключающиеся в введении металлических шариков или остистого отростка проволоки для определения трехмерного (3-D) движения.
Однако, поскольку эти методы являются инвазивными, они не подходят для рутинного использования в клинической практике, а также для для исследований на людях in vivo. Исследования сегментарной нестабильности также были ограничены другими факторами в дополнение к этим проблемам, связанным с точным измерением сегментарного движения in vivo. Например, диапазон движений, измеряемый в большинстве этих исследований, зависит от вариативности произвольных усилий, которые субъект прилагает во время обследования, а также может быть ограничен из-за боли.
Другие методы двухмерной визуализации для измерения осевого вращения, в отличие от сгибания/разгибания, включали МР-визуализацию субъектов в различных ротированных положениях. Хотя эти исследования были неинвазивными и контролировали произвольные движения, они могли только определить изменения в сегментарных движениях. движение вокруг одной оси. Было высказано предположение, что совмещенные движения могут играть важную роль в определении нестабильности позвоночника. Чтобы измерить эти связанные движения, были проведены исследования по измерению трехмерных движений in vivo. Более инвазивные методы включают введение проводов в позвоночный отросток субъектов для определения трехмерного движения.
Хотя этот метод оказался более точным, чем рентгенограммы, его инвазивный характер ограничивает его широкое клиническое применение. В других исследованиях использовалась бипланарная рентгенография, при которой рентгенограммы позвоночника снимались одновременно с двух направлений, а трехмерные движения рассчитывались по положениям анатомических ориентиров на соответствующих изображениях. Высказывались некоторые опасения по поводу точности определения анатомических ориентиры для бипланарной рентгенографии, а также отсутствие оборудования для этого метода в типичных клинических условиях.
Чтобы преодолеть некоторые из этих ограничений при измерении трехмерного движения, Лим и др. разработали метод трехмерной визуализации с использованием динамической компьютерной томографии (КТ) для определения трансформации отдельных трупов с 6 степенями свободы (3 вращения и 3 перемещения). шейных позвонков во время движения путем отслеживания собственных векторов отдельных позвонков. Авторы продемонстрировали, что точные измерения (±1 мм и ±1°) можно провести с помощью КТ in vitro. Исследовательская группа расширила эту технику для измерения движений сегментов позвонков в поясничном отделе позвоночника человека in vivo (рис. 2). Хотя этот метод позволил определить ротацию и перемещение поясничных позвонков во время движения in vivo, он был ограничен в определении трансформации крестца, поскольку полную трехмерную КТ-модель крестца трудно получить клинически, а анализ собственных векторов с использованием частичная трехмерная модель крестца вызвала ошибку измерения сегментарного движения на уровне L5-S1. Та же исследовательская группа разработала другой метод определения трансформации отдельных позвонков, включая крестец, во время движения с использованием трехмерной КТ-модели и метода слияния объемов (рис. 3).
Этот метод позволяет определять вращения и перемещения во время движения, даже если Трехмерная геометрия кости неполная, как и в случае с крестцом (предположение о кости как о твердом теле все еще сохраняется) в каждой позиции. Таким образом, он способен определить трансформацию неполной 3-D КТ-модели крестца с точностью менее 0,1 мм при трансляции и 0,2° при ротации.
Связь между нестабильностью и дегенерацией диска
У большинства пациентов с сегментарной нестабильностью наблюдается дегенерация диска, но связь между нестабильностью и дегенерацией не ясна. Takeuchi и соавт. представили исследование с использованием МР-изображений, в котором время релаксации Т1 уменьшалось в дегенеративных дисках, а энергия, рассеиваемая при осевой нагрузке, линейно коррелировала со временем релаксации Т1. Авторы попытались сопоставить внутренние биомеханические свойства диска с данными МРТ, но в результате этого исследования не удалось получить никакой информации о характеристиках сегментарного движения. Toyone и соавт. сообщили, что костный мозг, прилегающий к диску, у пациентов с симптоматической сегментарной нестабильностью поясничного отдела, определяемой сгибанием более 5° и динамическим передне-задним перемещением более 3 мм, имел сниженные сигналы на Т1-взвешенных МРТ-изображениях или Модик типа I меняется. В этом исследовании Toyone et al 172 использовали неточные рентгенограммы пациентов в сгибании/разгибании, и патогенез костных изменений при дегенерации диска неизвестен.
Результаты исследований in vitro характеристик сегментарных движений и дегенерации дисков, проведенных Fujiwara et al 96, показали, что на торсионное движение наиболее существенно влияют дегенеративные изменения в диске и фасеточных суставах. Кроме того, некоторые исследователи выступают за важность скручивающих нагрузок и стабильности при травмах и дегенерации двигательных сегментов.
Торсионная нестабильность в связи с дегенеративными изменениями в диске исследовалась in vivo с использованием вышеупомянутого in vivo 3-D. методика измерения.
Исследователи обнаружили, что существует связь между тяжестью дегенерации МПД и увеличением торсионного движения in vivo, которая ранее была продемонстрирована только в исследованиях на трупах.
Обобщение.
Снижение содержания протеогликанов и увеличение коллагеновых волокон, связанное с дегенерацией, способствуют изменению свойств материала студенистого ядра от жидкоподобного материала к твердоподобному. На изменение материальных свойств ткани фиброзного кольца влияет и содержание воды, что является прямым следствием содержания протеогликанов. Дегенеративные структурные изменения всего диска хорошо документированы, как и изменения его вязкоупругих свойств. Снижение содержания протеогликанов в студенистом ядре также рассматривается как определяющий фактор, влияющий на динамические вязкоупругие свойства всего диска. Самая высокая корреляция между нестабильностью и тяжестью дегенерации диска при торсии среди различных направлений нагрузки указывает на то, что нестабильности способствуют трещины фиброзного кольца. Этот результат согласуется с концепцией «дегенеративного каскада», предложенной Киркалди-Уиллисом. Повышенное сегментарное движение при дегенерации диска до 4-й степени также было измерено in vivo. Дальнейшие исследования все еще необходимы, чтобы подтвердить, связана ли БНС с увеличением сегментарного движения. С этой целью текущий прогресс, достигнутый в методах анализа изображений с использованием методов клинической визуализации, станет мощным инструментом для исследования этой сложной проблемы.
Пройти вебинар. При оплате введите код купона DISK20 и получите скидку в 20%
Comentarios