豬脊髓軸向張力改變中脊髓周圍血流變化的實驗研究

林 峰，季承龍，孫凱強，王 元，徐錫明，史建剛*

1. 海軍軍醫大學（第二軍醫大學）第二附屬醫院骨科，上海200003

2. 青島大學附屬煙臺毓璜頂醫院骨科，煙臺 264000

脊髓和神經高張力損傷一直以來被認為是外力牽引所致［1］，除了脊髓栓系外，尚未有證據顯示在人體脊髓系統中存在自發性神經高張力。然而在臨床觀察中，一些非外傷性神經損傷可能由神經高張力損傷導致，對于脊髓及神經高張力的研究正逐漸成為熱點。通過分析神經高張力損傷動物模型相關文獻發現，目前造模分析的主要研究方向在于間接發現脊髓血流的變化［2］和神經根張力的機械測定［3］。神經根張力測定儀器對神經根有機械性損傷，多用于尸體研究。而活體脊髓血流的監測目前主要采用放射自顯影技術［4］，該技術主要是通過觀察14C 安替比林從血管中滲出的程度判斷局部血流情況，是一種間接的血流判定方法，其結果存在一定誤差。因此，實驗技術本身對于通過脊髓血流變化判定脊髓神經高張力損傷有著較明顯的影響。

超聲作為一種無創的檢查手段，很早在脊柱外科就有應用［5］。由于成年人脊柱骨性結構的阻擋，目前經皮超聲檢查多應用于幼兒，但有越來越多的學者嘗試在成人脊柱手術中應用超聲觀察和監測脊柱與脊髓［6-7］。然而脊柱和脊髓的超聲監測集中在術中精準減壓節段的判定和減壓效果的評估，且主要為形態學變化的描述。超聲造影劑的應用使超聲下觀察脊髓血流變化成為可能。

動物脊髓牽張模型建立的報道最早見于Dolan等［4］利用貓開展的實驗，后來陸續有Dabney 等［8］、黃平等［9］在雌性Long-Evans 大鼠、日本大耳白兔等小型動物上進行脊髓牽張造模，這些實驗主要觀察動物脊髓牽張損傷后的運動功能、神經電生理指標、生物化學指標及組織形態學變化。目前未見關于大型哺乳動物脊髓張力變化情況下血流改變的研究報道。本研究借助最新的超聲造影技術觀察實驗廣西白豬脊髓不同張力情況下的血流變化，為人脊髓軸向高張力損傷研究提供新思路。

1 材料和方法

1.1 實驗動物 3 頭雄性廣西白豬（巴馬白豬的一種；動物合格證號為20150005003905）由上海甲干生物科技有限公司［實驗動物生產許可證號為SCXK（滬）2015-0005］提供，3 個月齡，體重分別為36、37 和39 kg。實驗動物正常飼養于實驗室［實驗動物使用許可證號為SYXK（滬）2020-0017］，飼養及實驗操作過程均遵守實驗動物管理保護的規定。本研究獲得海軍軍醫大學（第二軍醫大學）第二附屬醫院實驗動物研究倫理委員會審批（2020SL017）。本實驗為探索類研究，受經費限制，無法獲得更多實驗豬，因此實驗動物不分組，均接受相同的實驗操作。

1.2 實驗步驟 采用氯胺酮15 mg/kg 進行基礎麻醉，氣管插管后改為異氟烷吸入麻醉。麻醉生效后，留置導尿管，實驗豬取俯臥位，將四肢捆綁固定于手術臺上，碘伏消毒皮膚，手術區域鋪單。實驗豬均以L3為中點做后正中切口，依次切開皮膚、深筋膜后向兩側剝離椎旁肌肉。第一步，切除部分關節突及椎板，應用B 型超聲（Aplio 300，日本TOSHIBA 公司）觀察、記錄形態學和血流動力學參數，觀察指標包括硬脊膜直徑、M 波振幅、造影后血流。第二步，選取豬腰椎L3/4椎間隙，于L3及L4置入雙側椎弓根螺釘，連接棒固定后標記刻度，然后將椎弓根螺釘撐開5 mm 并固定，通過超聲測量形態學及血流動力學參數。第三步，將豬L3及L4的椎弓根螺釘根據原有刻度短縮5 mm 并固定，應用超聲測量形態學及血流動力學參數。根據倫理學要求，實驗后對實驗豬進行安樂死處理，不予喚醒。

1.3 觀察指標

1.3.1 豬脊髓形態學數據測量 首先通過超聲觀察確認監測節段，在脊髓長軸面觀察可以明確測量的節段，并在矢狀面測量選定椎間盤層面的硬脊膜直徑和該椎間盤層面近端5 mm 及遠端5 mm水平的硬脊膜直徑（圖1A）。然后在保持探頭無位移的情況下旋轉90°測量橫斷面的硬脊膜直徑，包括橫斷面上橫軸及縱軸相互垂直的2 個直徑（圖1B）。

1.3.2 豬脊髓的M 波振幅測量 于選定椎間盤層面固定探頭，打開M 波模式，測量脊髓M 波振幅（圖2）。

1.3.3 豬脊髓的血流測量 豬脊髓的血供主要來自脊髓背側動脈和脊髓腹側動脈發出的周緣支構成的血管網，血管網直徑細小，在超聲下顯示為無回聲，難以被檢測到，因此血流測量需要進行豬脊髓造影。新一代的超聲造影劑由六氟化硫微泡和磷脂包膜組成，體積小，不易破裂，不彌散至組織內，能產生豐富的諧波，易于成像，所以超聲造影是監測微循環的首選手段［10］。具體操作：首先用探頭確認責任節段后保持穩定，造影時控制豬血壓平穩，取等量超聲造影劑六氟化硫微泡（1 mL）靜脈推注，探頭保持同一平面并記錄對應節段的血流變化情況。血流動力學數據通過超聲儀自帶軟件分析，從而獲得相應的強度-時間曲線（圖3），并分析以下指標。（1）曲線開始時間：自靜脈注射造影劑開始到觀察區域內出現超聲造影劑的時間。（2）達峰時間：自靜脈注射造影劑開始到觀察區域內超聲造影劑達到最高濃度的時間。（3）最大強度：觀察區域內超聲造影劑達到最高濃度所對應的超聲強度值。（4）AUC：測量曲線下的面積，代表一段時間內組織血流灌注量。

1.4 統計學處理 應用SPSS 24.0 軟件進行數據分析。對所有的測量數據進行匯總，并采用配對t檢驗對椎間隙撐開、短縮狀態下測量的數據與初始狀態進行比較。檢驗水準（α）為0.05。

2 結 果

2.1 豬脊髓形態學數據 無論從橫斷面還是矢狀面，均觀察到撐開狀態硬脊膜直徑縮小，短縮狀態硬脊膜直徑增大，與初始狀態相比差異均有統計學意義（P均＜0.05）。見表1。

表1 3 頭實驗豬脊髓不同張力下的實驗數據

2.2 豬脊髓的M 波振幅 與初始狀態相比，豬脊髓的M 波振幅在撐開狀態下降低（P＜0.05），而在短縮狀態下增加（P＜0.05）。見表1。

2.3 豬脊髓的血流數據 無論是在撐開還是短縮狀態，豬脊髓周圍血流的曲線開始時間和達峰時間均大于初始狀態、最大強度均小于初始狀態（P均＜0.05）。在單位時間對應的豬脊髓周圍血流AUC 方面，在短縮狀態AUC 最大，在撐開狀態AUC 最小，與初始狀態相比差異均有統計學意義（P均＜0.05）。見表1。

3 討 論

在脊柱外科中脊髓和神經根張力研究的首位疾病是脊髓栓系綜合征，通常認為脊髓栓系導致的脊髓和神經根張力異常增高是其癥狀出現的病理生理學基礎。目前脊髓栓系綜合征的治療仍然非常棘手，常規的終絲松解手術治療后仍然有復發病例。Kokubun 等［11］在1995 年證明了脊柱短縮手術對于脊髓栓系綜合征的有效性。Grande 等［12］在尸體研究中證明了骨性結構的短縮能達到松解脊髓和神經根的效果。本團隊研究也發現，脊柱均勻短縮脊髓軸性減壓術可緩解脊髓栓系綜合征合并脊柱側凸患者的脊髓軸向壓力，恢復脊柱和脊髓的協調性［13］。

本團隊在臨床中經常見到脊柱退行性疾病患者的影像學壓迫不嚴重但下肢神經根損傷癥狀嚴重，以及椎間盤突出患者術中采用了較大的椎間融合器撐開但術后出現更嚴重的神經根損傷癥狀的情況，這可能都與過高的脊髓和神經根張力有關，但是缺乏明確的證據支持。Singh 等［14］采用靜態和動態拉力牽拉大鼠腰骶神經根發現，牽拉時神經根像橡膠一樣被拉長，同時橫截面積逐漸減小，呈現一定彈性系數。電生理監測發現，隨著神經根軸向牽引力增大神經傳導速率降低、波幅下降，集合動作電位變小甚至消失，最終出現神經根傳導阻滯［15］。當脊髓及神經根長期處于過度牽拉狀態時其血流、代謝和電生理等會發生一系列改變，如周圍血管變細、神經元缺氧、細胞內線粒體減少、ATP 產生減少，從而使脊髓由機械性損傷發展為代謝性損傷并發生變性、壞死、軟化、萎縮等病理變化，進而出現一系列神經功能損害的臨床表現［16］。這些臨床和基礎實驗結果都提示了脊髓和神經根高張力不僅僅存在于脊髓栓系綜合征中，在其他脊柱疾病中也可能存在并會導致嚴重的臨床癥狀，因此本團隊提出了腰骶神經弓弦病的概念［17］。

如何發現和證實活體脊髓及神經根的高張力改變仍然是一個難題。截至目前神經張力測定的研究集中于尸體研究，對于人體活體研究尚未見報道。由于倫理的限制，不能直接應用機械儀器測定神經根張力?；铙w研究主要是通過14C 安替比林放射自顯影技術間接反映神經張力的變化。本實驗的目的在于觀察脊柱骨性結構撐開和短縮對于脊髓血流和活動度的影響，從而判斷脊髓和神經張力改變與局部血流及搏動之間的關系。本實驗通過超聲造影技術測定實驗豬椎間盤層面的局部血流，實現了活體狀態下更精確的血流測定，能夠精準反映脊髓及神經根張力的變化情況。

從實驗數據分析來看，椎間隙被撐開5 mm 時局部張力處于增高狀態，硬脊膜和脊髓均被拉長，硬脊膜直徑減??；椎間隙短縮5 mm 時局部張力降低，硬脊膜直徑增大，在物理學角度符合彈性模量的變化，因此認為先撐開后短縮對于最終短縮狀態各參數的影響有限。

硬脊膜和脊髓被動拉長時，脊髓搏動幅度下降；硬脊膜和脊髓在短縮狀態下，脊髓搏動幅度相對增大，這證實了神經高張力狀態與脊髓生理搏動存在關聯。

對脊髓周圍血管造影的數據結果解讀頗為復雜，由于條件所限，無法確定先撐開后短縮對最后短縮狀態數據的測量有無影響，只能進行自身對照。通過統計學分析，在短縮狀態脊髓周圍血流AUC 最大，而撐開狀態AUC 最小，說明脊髓張力改變與血流AUC 相關。推測原因可能是脊髓周圍血管由于張力增高被拉長，血管變細，局部流量減少；而脊髓張力降低時，血管直徑增大，血流量增加。不同狀態其他客觀指標（曲線開始時間、達峰時間、最大強度）差異有統計學意義，但數據變化趨勢與傳統血流數據變化不符合，因此不能作為判斷脊髓張力改變的指標。

超聲造影技術目前最大的缺陷仍然是不能直接反映人脊髓及神經根張力，而且神經根局部血流在人體內可能存在諸多影響因素。從理論上推斷神經根受到牽拉后，周圍的微血管同樣因張力被拉長，局部血流量減少，但是這種情況是否存在線性對應關系不得而知。本實驗為應用超聲造影技術在實驗豬脊髓血流測量中的探索性研究，因客觀條件限制無法獲得大量樣本進行實驗，研究結果也僅為人體的脊髓和神經根張力研究提供一個新的思路。