博士（医学）浅野 学位論文題名

     博士（医学）浅野 学位論文題名

The mechanical properties of the human L4‑ 5functional       spinal unit during cyclic loading     ‑The structural effects of the posterior elements‑

（繰り返し負荷中におけるヒトL4 ―5 脊椎機能単位の      カ 学 的 特 性 ― 後 方 要 素 の 構 造 効 果 ― ）

学 位論文内容の要旨

【緒言】ヒト腰椎の機能や腰椎疾患の病態解明およぴ有効な治療法開発の ためには生体力学的研究が必要であり、この基礎研究として脊椎機能単位

（functional spinal unit:FSU）のカ学的特性の把握は非常に重要である。し かし、いまだ十分に解明されていない点が多い。そこで本研究では、可動性 と荷重負担能カが大きく、臨床的に最も障害を受けやすい第4‑5腰椎（以下

L4‑5

）FSUに対象を限定し 、生理的状態に近いと考えられる連続繰り返し負 荷（引張‐圧縮、ねじり）中のカ学的特性を詳細かつ定量的に評価し、力学 的特性と変形量との関係、およびカ学的特性に及ぼす後方要素各成分の構造 効果の検討を目的とした。

【材料およぴ 方法】

MTS

社製

858 Bionix

材料試験機を用いてヒト新鮮屍体

(35,‑67

歳：平均53.5歳）から採取したL4‑5FSUl0個のカ学試験を行った。標 本は採取後直ちに二重のプラスチックバッグに入れ‑26℃に冷凍保存した。

実験には椎間板変性が軽度なFSUを選んで、試験直前に常温で解凍し、椎間 関節および関節包と各靭帯成分を温存して周囲の軟部・筋組織は除去した。

FSU

はL5椎体上面を水平にしてボルトで治具に強固に固定し、これを試験機 の作動軸に固定した。ねじり試験では回転中心が椎体後壁の中央にくるよう に調節した。負荷条件は、引張‐圧縮試験は最大変位土1.5 mm、負荷速度

0.3 mm/

秒、ねじり試験は最大変位土

5

°、負荷速度1°／秒とし、それぞれ5 サイクル連続して行った。次に、

FSU

と治具を作動軸に固定したままで、1） 棘上・棘間靭帯、2）片側（左）椎問関節、3）両側椎間関節、4）黄色靭帯の順 に後方要素の各成分を順次切除し、各々に健常

FSU

と同一の負荷条件で試験 を行い：各成分の構造効果を確認した。試験中は実験材料を湿潤状態に保ち、

各負荷試験間には常に

15

分の間隔をおいた。試験機に接続したパーソナルコ ンピューターで、連続的に送られて来る電気信号を直ちに処理して記録し、

これ に 接続したX‑Yプ口ツタ ーで荷重− 変位曲線を 描かせた。 すべての実 験で ヒス テ リシスルー プを示す非 線形な荷重 一変位曲線 が得られ、4サイ クルまで には 定 常ループと なった。そ こで4サイクル目 の結果より 、引張‐圧 縮のそれ ぞれ で 変位 を0.5mmず つ の小 区 間に 分 け、 各 区間 ご との 負 荷 曲線 勾 配と除 荷 曲線 勾 配の 平 均値 を この 区 間に お ける 剛 性 値と 定 義し た 。ね じ りで も1°ず つの区間に 分けて左ね じり、右ね じり時の曲 線勾配の平均値を剛性値とした。

また、．後 方要素各成 分の切除に よる剛性値 の減少率を求めた。これらのパラ メ― 夕 ーと 変 形量 と の関 係 およ び 後方 要素各 成分の構造 効果につい て考察し た。 統 計学 的 検定 に は一 元 配置 分 散分 析法と ピァソンの 相関係数を 用いた。

  【 結果 】 健常FSUで の 圧縮 剛 性値 は0.70〜1.54MN/m、 引張 剛 性値 は0.54〜 0.97 MN/m、 ね じ り 剛 性 値 は3.13〜9.66N．m/deg.で 、 高変 形 領域 ほ ど大 き かっ た 。後 方 要素 の 状態 に よら ず 、い ずれの 負荷におい ても変位が 大きいほ ど剛性値は 有意に増大 した(Pく0.01）。全 後方要素を切除すると、圧縮剛性値 は0.49〜1.18M N/m（減少率24〜30%）、引 張剛性値は0.39〜0.73M N/m（減 少 率21〜26％）、 ねじり剛性 値は1.84〜4.50N．m/deg.（減少率42〜54%）に減少 した 。 その 効 果は 圧 縮と 引 張で は 低変 形領域 ほど大きく 、ねじりで は逆に高 変形 領 域ほ ど 大き か った 。 後方 要 素の 各成分 では、両側 椎間関節切 除にて圧 縮剛性は有 意に減少し （Pく0.05）、その効果は変形領域によらずほぼ一定だっ た(FSU全 体 の 約14％ ） 。 引 張剛 性 は棘 上 ・棘 間 靭帯 切 除後 に 有意 に 減少 し

（PくO． 05）、その効果は低変形領域ほど大きかった（16〜12ワ。）。ねじり剛性は 両側椎間関 節切除後に 有意に減少し（PくO.Ol）、その効果は高変形領域ほど有 意(PくO．05）に大きかった(33〜48％）。片側（左）椎間関節切除後のねじり剛 性値の減少 は、どの変 形領域にお いても右ね じりの方が大きかった。しかし、

有意 差 はな か った 。 いず れ の剛 性 値に 対して も、CT写真（椎 間関節レベ ル）

での 椎 体後 壁 の接 線 と椎 間 関節 面 の接 線がな す角度(facetangle)と両側椎 間 関 節 切 除 後 の 剛 性 値 の 減 少 率 と の 間 に 有 意 な 相 関 は な か っ た 。

【考 察 】本研究の 特徴は、1）対象 をL4‑5FSUに限定 し、2）生理的範 囲内と考 えられる連 続した繰り 返し負荷試験（引張‐圧縮、ねじり）を行い、3）非線形 で大 き なヒ ス テリ シ スル ー プを 示 す荷 重‐変 位曲線全体 を近似して 定量的評 価する剛性 値を独自に 定義し、異 なった状態 でのカ学的特性を比較検討して、

4） 力 学的特 性と変形量 との関係、 およぴカ学 的特性に及 ぼす後方要 素の構造 効果を検討 したことで ある。本研 究によりい くっかの新しい知見が得られた。

まず 、 これ ま で報 告 のな か った カ 学的 特性と 変形量の関 係に関し、 後方要素 の状 態 に関 わ らず 、 変位 が 大き い ほどFSUの 剛 性値 が 大き い こと が 明ら かに なった。第 二に、腰椎 のカ学的特 性に及ぼす 後方要素の効果についてである。

圧縮 負 荷で は これ を 否定 す る報 告 も多 く、引 張負荷での 研究はなか った。ね じり 負 荷で は 、椎 間 関節 の 効果 は 今ま でも認 められてい たが、棘上 ・棘間靭 帯の 関 与に つ いて は 結果 が 相反 し てい た。本 研究により 、すべての 負荷で後

方要 素 全 体の 効 果は 明 白と な り、 また、 圧縮剛性と ねじり剛性 には両側椎 間 関節 の 、 引張 剛 性に は 棘上 ・ 棘間 靭帯の 有意な関与 が明らかと なった。ね じ り剛 性 に 対す る 棘上 ・ 棘間 靭 帯の 有意な 効果はなか った。また 、椎間関節 の 圧縮 剛 性 に及 ぼ す効 果 は一 定 だが 、ねじ り剛性に及 ぼす効果は 高変形領域 ほ ど大 き く 、一 方 、棘 上 ・棘 間 靭帯 が引張 剛性に及ぼ す効果は低 変形領域ほ ど 大き か っ た。 各 後方 要 素が 各 剛性 に及ぽ す効果と変 位との関係 が初めて明 ら かに な っ た。 さ らに 、 全後 方 要素 およぴ 後方要素各 成分がそれ ぞれの剛性 に どの程度関与しているか、定量的に示された。

【結語】1）生理的範囲内と考えられる連続した繰り返し負荷（引張・圧縮、ねじり）

中のL4‑5FSUのカ学的特性と変形量の関係と後方要素の構造効果を検討した。2）後 方要素および負荷の状態に関わらず、変位が大きいほど剛性は有意に大きかった。3） 全後方要素は圧縮剛性の24〜30%、引張剛性の21〜26%、ねじり剛性の42〜540/0に関 与し、その効果は圧縮、引張では低変形領域ほど大きく、ねじりでは高変形領域ほ ど有意に大きかった。4）圧縮剛性とねじり剛性には椎間関節が、引張剛性には棘上・

棘間靭帯が有意に関与していた。圧縮での椎間関節の効果はほぽ一定だが、引張で の棘上・棘間靭帯の効果は低変形領域ほど大きく、ねじりにおける椎間関節の効果 は高変形領域ほど有意に大きかった。

   学位論文審査の要旨 主査   教授   金田清志 副査   教授   宮坂和男 副査   教授   寺沢浩一

    学位論文題名

The mechanical properties of the human L4‑5 functional spinal unit during     cyclic loading

    ー The structural effects of the posterior elements‑

  （ 繰 り 返 し 負 荷 中 に お け る ヒ ト L4‑5脊 椎 機 能 単 位 の カ 学 的 特 性     ‐後方要素の構造効果・）

     研究目的

   ヒト腰椎の機能や腰椎疾患の病態解明および有効な治療法開発の ためには生体力学的研究が必要であり、この基礎研究として脊椎 機能単位（functional spinal unit:FSU ）のカ学的特性の把握は非常 に重要である。しかし、いまだ未解明の点も多い。そこで本研究 では、可動性と荷重負担能カが大き＜、臨床的に最も障害を受け やすい第 4‑5 腰椎（以下 L4‑5)FSU に対象を限定し、生理的状態に 近いと考えられる連続繰り返し負荷（引張−圧縮、ねじり）中のカ 学的特性を詳細に評価し、力学的特性と変形量の関係、およびカ 学的特性に及ぼす後方要素各成分の構造効果の検討を目的とした。

     材料およぴ方法

  MTS 社製858 Bionix 材料試験機を用いてヒト新鮮屍体(35‑67 歳：

平均53.5 歳）から採取したL4‑ SFSU 10 個のカ学試験を行った。標本

は採取後直ちに二重のプラスチックノヾッグに入れ‑26 ℃に冷凍保存

した。実験には椎間板変性が軽度な FSU を選んで、試験直前に常温

で解凍し、椎間関節および関節包と各靭帯成分を温存して周囲の

軟部・筋組織は除去した。  FSU はL5 椎体上面を水平にしてボルト

で治具に強固に固定し、これを試験機の作動軸に固定した。ねじ

り験で は回 転中心 を椎 体後壁 の中央にした。負荷条件は、引張‐圧縮試 験は最 大変 位土

1.5 mm

、負荷 速度

0.3 mm/

秒、ねじり試験は最大変位土5

。、負 荷速 度

1

° ／秒と し、 それぞれ5サイクル連続して行った。次に、

FSU

と治具を作動軸に固定したままで、1）棘上・棘間靭帯、2）片側（左）

椎問関節、

3

）両側椎間関節、4）黄色靭帯の順に後方要素の各成分を順次 切除し 、各 々に健 常

FSU

と同 一の負 荷条 件で試 験を 行い、 各成 分の構造 効果 を 確 認 し た 。 試験 中 は 実験 材料 を湿潤 状態 に保ち 、各 負荷試 験間 には常 に

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分の間 隔を おいた 。試験機に接続したノヾーソナルコンピュ ータ ー で 、 連 続 的 に送 ら れ て来 る電 気信号 を直 ちに処 理し て記録 し、

これに 接続 した

X

ー

Y

プ ロツタ ーで荷重‐変位曲線を描かせた。すべての 実験でヒステリシスループを示す非線形な荷重−変位曲線が得られ、

4

サ イクル まで には定 常ル ープと なっ た。そ こで

4

サイ クル目 の結 果より、

引張・ 圧縮 のそれ ぞれ で変位 を

0.5mm

ず つの小 区間 に分け 、各 区間ごと の負 荷 曲 線 勾 配 と 除荷 曲 線 勾配 の平 均値を この 区間に おけ る剛性 値と 定義し た。 ねじり でも

1

゜ず つの区 間に 分けて 左ね じり、 右ね じり時の 曲線 勾 配 の 平 均 値 を剛 性 値 とし た。 また、 後方 要素各 成分 の切除 によ る剛 性 値 の 減 少 率 を求 め た 。こ れら のパラ メ一 夕ーと 変形 量との 関係 およ び 後 方 要 素 各 成分 の 構 造効 果に ついて 考察 した。 統計 学的検 定に は 一 元 配 置 分 散 分 析 法 と ピ ァ ソ ン の 相 関 係 数 を 用 い た 。

    

結果

  

健 常

FSU

で の 圧 縮 剛 性 値 は

0.70

〜

1.54MN/m

、 引 張 剛 性 値 は

0.54

〜

0.97 MN/m

、ねじり剛性値は

3.13 ‑‑‑9.66N

．m/deg.で、高変形領域ほど大 き か った 。 後 方 要 素 の 状態 によ らず 、いず れの 負荷に おい ても変 位が 大きいほど剛性値は有意に増大した（Pく0.01）。全後方要素を切除すると、

圧縮剛性値は

0.49

〜

1.18MN/m

（減少率24〜

30

％）、引張剛性値はO．

39

〜

0.73MN/m(

減少率

21

〜260/0)、ねじり剛性値は1.84 ‑‑‑4;50N．m/deg.（減少 率

42

〜

54

％ ）に 減少し た。 その効果は圧縮と引張では低変形領域ほど大 き く 、ね じ り で は 逆 に 高変 形領 域ほ ど大き かっ た。後 方要 素の各 成分 では、両側椎間関節切除にて圧縮剛性は有意に減少し（

P

く

0.05)

、その効 果は 変形領 域に よらず ほぼ 一定だった

(FSU

全体の約

14

％）。引張剛性は 棘上・棘間靭帯切除後に有意に減少し（

P

く

0.05)

、その効果は低変形領域 ほど大きかった（

16

〜

12

％）。ねじり剛性は両側椎間関節切除後に有意に

減少し（

P

く0.01）、その効果は高変形領域ほど有意（Pく0.05)に大きかった

(33

〜

48

％）。片側（左）椎間関節切除後のねじり剛性値の減少は、どの 変 形 領 域 に おい て も 右 ねじめ の方 が大き かっ た。し かし 、有意 差は な か っ た 。 い ずれ の 剛 性 値に対 して も、CT写真 （椎間 関節 レベル ）で の 椎体後壁の接線と椎間関節面の接線がをす角度(facet angle)と両側椎間 関 節 切 除 後 の 剛 性 値 の 減 少 率 と の 間 に 有 意 な 相 関 は な か っ た 。

    

考察

  

本研究の特徴は、1）対象を

L4‑5 FSU

に限定し、2）生理的範囲内と考え られる連続した繰り返し負荷試験（引張‐圧縮、ねじり）を行い、3）．非 線形 で大 きなヒ ステ リシス ルー プを示 す荷重一変位曲線全体を近似して 定 量 的 評 価す る 剛 性 値 を 独 自に 定 義 し 、異な った 状態で のカ 学的特 性 を比 較検討して、4）力学的特性と変形量との関係、およびカ学的特性に 及 ぼ す 後 方要 素 の 構 造 効 果 を検 討 し た ことで ある 。本研 究に よりい く っ か の 新 しい 知 見 が 得 ら れ た。 ま ず 、 これま で報 告のな かっ たカ学 的 特 性 と 変 形量 の 関 係 に 関 し 、後 方 要 素 の状態 に関 わらず 、変 位が大 き い ほど

FSU

の 剛性 値が大 きい ことが 明ら かにな った 。第二 に、 腰椎の カ 学 的 特 性 に及 ぼ す 後 方 要 素 の効 果 に つ いてで ある 。圧縮 負荷 ではこ れ を 否 定 す る報 告 も 多 く 、 引 張負 荷 で の 研究は なか った。 ねじ り負荷 で は 、 椎 間 関節 の 効 果 は 今 ま でも 認 め ら れてい たが 、棘上 ・棘 間靭帯 の 関 与 に つ いて は 結 果 が 相 反 して い た 。 本研究 によ り、す べて の負荷 で 後方 要素 全体の 効果 は明白 とな り、． また、圧縮剛性とねじり剛性には 両 側 椎 間 関節 の 、 引 張 剛 性 には 棘 上 ・ 棘間靭 帯の 有意な 関与 が明ら か と な っ た 。ね じ り 剛 性 に 対 する 棘 上 ・ 棘間靭 帯の 有意な 効果 はなか っ た 。 ま た 、椎 間 関 節 の 圧 縮 剛性 に 及 ぽ す効果 は一 定だが 、ね じり剛 性 に 及 ぼ す 効果 は 高 変 形 領 域 ほど 大 き く 、一方 、棘 上・棘 間靭 帯が引 張 剛 性 に 及 ぼす 効 果 は 低 変 形 領域 ほ ど 大 きかっ た。 各後方 要素 が各剛 性 に 及 ぼ す 効果 と 変 位 と の 関 係が 初 め て 明らか にな った。 さら に、全 後 方要 素お よび後 方要 素各成 分の 各剛性 への関与が、定量的に示された。

  

以 上、 本 研 究 は 繰 り 返 し負荷 中に おける ヒト

L4‑5

脊 椎機 能単位 のカ 学 的 特性 に 及 ぼ す 後 方 要 素の構 造効 果を明 らか にした もの であり 、博 士 （ 医 学 ） の 学 位 を 授 与 す る に 値 す る も の と 認 定 さ れ た 。