人体脊柱生物力学特性

2018-03-08 来源：华人神经脊柱时讯标签：掌上医生喝茶减肥一天瘦一斤安全减肥 cps联盟美容护肤

摘要：由此可见，适当增加椎体的负荷有利于术后骨融合的达成。另外，骨折的发生及骨折形式也同椎体所受力的大小、方向以及椎体稳定性密切相关。

人体脊柱结构的生物力学特性

脊柱作为人体中轴骨，有着复杂的力学结构体系。骨骼、椎体、关节突、椎间盘、韧带以及周围的肌肉组织结构、功能各异，而在正常生理状态下这些结构共同作用，协调一致，使脊柱起到了承载、运动、保护脊髓等作用。因此脊柱结构的生物力学特性是脊柱外科医生必须具备的基础知识。

一、骨

人体的骨骼由有机物质、无机物质以及骨细胞组成。有机物，如胶原。赋予骨骼韧性。无机物，如钙、磷，赋予骨骼刚性，使其能够承受人体负荷。骨细胞成分约占骨质体积的15%。由于承担的力不同，不同处骨骼的生物力学特性也不同。Wolff定律描述了骨骼的生长特性，可简单表述为：骨骼能承受骨组织的机械应变，并具有适应这些功能需要的能力，骨骼结构受应力的影响，负荷增加骨增粗，负荷减少骨变细。由此可见，适当增加椎体的负荷有利于术后骨融合的达成。另外，骨折的发生及骨折形式也同椎体所受力的大小、方向以及椎体稳定性密切相关。

二、脊柱

人体脊柱由33块不同椎体组成，其间通过韧带、小关节及椎间盘相互联系。在矢状面上脊柱有四个生理弯曲。脊柱生理弯曲的存在可增加其灵活度，同时增强抗冲击能力。

正常的脊柱，从其C7椎体做一铅垂线，应该同时经过腰骶连接处（图2-4），此线称作矢状面轴向垂线（sagittalverticalaxis,SVA）。（注：SVA另外一种做法为从C2椎体尾部中心做铅垂线，应分别经过C2、T1、L1、S1椎体。）矢状面轴向垂线是用来衡量矢状面上脊柱平衡的有效方法。若SVA位于腰骶连接处腹侧，称之为正矢状位平衡。正矢状位平衡对于人体机能及肌肉正常工作有重大意义。在此状态下，为了维持整体平衡，骨盆会代偿性的向后移动同时使得人体重心后移，与此同时患者会尽量伸髋。一旦以上代偿方式不再能保持人体平衡，患者接下来则会处于一种生物力学上极其不利的屈髋、屈膝体位来维持平衡。

三、椎体

椎体由外层较硬的皮质骨与内部较软的松质骨组成。大体上，自上而下，椎体的长、宽、高逐渐增加。究其原因，低节段椎体需要承受更大的压力。因年龄及骨质成分的不同，骨松质可承担35%至90%不等的负荷。若骨内矿物质成分减少25%，其承重能力将减少50%以上。椎体的承重能力不仅与骨密度有关，还与骨结构和骨修复速度的变化有关。若椎体内多孔的松质骨结构水平关联减弱，正常的紧密排列的骨板层样结构将会被相互开放的条索样结构所取代，最终降低了椎体垂直方向上承担负荷的能力。对于胸椎，因其通过关节连接与各条肋骨及胸骨形成整体，大大提高了胸椎承担负荷的能力。

椎体终板是椎间盘与椎体中心骨松质之间的一层骨结构，由厚约1-2mm的皮质骨曾及软骨层组成。软骨层具有半透膜作用，允许营养物质进入到椎间盘，同时能够防止椎间盘内的大分子物质丢失。终板厚度不一，外周部分最为厚且坚硬，中心部分最薄且脆弱。于间盘部位放置植入物时，终板表层4mm最难以穿透。终板厚度与椎间盘内蛋白多糖含量呈正相关，髓核部位的中央椎板更是如此。骨与椎间盘退行性变有关的改变均有可能引起相应节段终板的弱化。终板在压力下可发生骨折，骨折形式可分为三种类型：中央型骨折、边缘型骨折以及全终板骨折。实验中发现正常样本骨折多发生于终板中心，而退行性变的样本骨折多发生于外周。而当承担极大负荷时，无论标本有无退行性变，骨折均会存在于整个终板。其原因可能与同时退变的髓核不能承压有关。在椎间盘退变情况下，负荷主要由纤维环承担，从而容易导致终板周围发生骨折。

四、椎间盘

椎间盘位于相邻两节椎体之间，占整个脊柱高度的20%到33%，是由中央的髓核、外周的纤维环以及上下两端的软骨终板组成的具有黏弹性（viscoelastic）的结构。髓核为一液态团块，由含有大量亲水性氨基葡萄糖聚糖的胶样凝胶组成。髓核占椎间盘面积的30%到50%。在腰椎，髓核位置较靠前，位于前中三分之一处。髓核的黏弹性使其具有吸收震荡的能力。髓核含水量为70%到90%，随着年龄增大，水分逐渐减少。髓核的黏弹性也会随着其含水量的变化而发生改变，这些改变是椎间盘退行性变的基础。纤维环由胶原纤维构成的同轴层叠带组成，相邻两层纤维束走行相互交叉，呈120°夹角，纤维方向与椎间盘水平约呈30°角。其中心部分连接于终板软骨，而其最外层纤维连接于椎体外缘的皮质骨。纤维环因其特殊的纤维排列方式，使得椎间盘能够有效地抵抗旋转、牵拉及剪切力。但纤维环本身不能有效抵抗挤压力。

椎间盘的黏弹性使其具有独特的生物力学特性，主要表现为蠕变和松弛。所谓蠕变，是指在一段时间内在负荷持续作用下所导致的持续变形，也就是变形程度因时间而变化。而应力松弛则指材料承受负荷后变形达一定程度时应力和负荷随时间而减低。以上特性使得椎间盘能够有效地缓冲和传递负荷。负荷量越大所产生的变形就越大，蠕变率也就越高。退变的椎间盘其自身的黏弹性会有明显下降，这使其缓冲和传递负荷的功能相应减弱。

老年人髓核弹性降低，变形能力差。当受到压力时，难以发生黏弹性形变，取而代之的是压力通过变形能力差的纤维环向下传递，从而使终板受到较大负荷，可能引起下腰痛及纤维环撕裂，易导致压缩性骨折的发生。此情况尤其容易出现于老年骨质疏松患者。

五、关节突及椎体背侧结构

小关节面的形状、位置及方向在很大程度上决定了脊柱的运动形式，例如C2-C7可旋转8°至12°，而L1-L5仅可旋转2°至5°。下颈椎的小关节面与冠状面平行，与水平面成45°，允许颈椎发生前屈、后伸、侧弯和旋转运动。胸椎的小关节面与冠状面成20°，与水平面成60°，允许侧弯、旋转和一定程度的屈伸。腰椎小关节面与水平面垂直，与矢状面成25-50°角，允许前屈、后伸和侧弯，但旋转运动受限。

关节突除了能够引导脊柱运动外，还承受压缩、拉伸、剪切、扭转等不同类型的负荷，其承受负荷的多少因脊柱姿态的不同而变化，可为总负荷的0%至33%。脊柱后伸时关节突承担的负荷最大，约占总负荷的30％。脊柱前屈并旋转时关节突的负荷也较大。关节突对于保持脊柱稳定性亦起到重要作用，并与关节突关节的面积、形态有着密切关系。关节面的面积越大，关节越稳定。

椎体背侧结构控制并引导椎体节段的运动。椎板为组成椎管的一部分，可为脊髓及硬膜囊提供保护，同时椎板还是黄韧带的附着点。棘突为棘间韧带和棘上韧带的附着点。横突椎旁肌的附着点，以上结构均对脊柱稳定性有重要作用。对于横突，还需提到的是，中胸段及腰椎的横突最为坚固，并且其大小也足够作为横突钩的锚定点。但实际手术时仍应谨慎操作，系横突血供较差，并且容易发生骨折。

椎弓根是椎体与背侧结构的桥梁，也是保持脊柱稳定性的关键结构。在颈椎，椎弓根短而宽。从颈椎至中段胸椎，椎弓根宽度逐渐减小；而向下至腰椎，椎弓根宽度又逐渐增大。椎弓根高度由颈椎至胸腰段逐渐增加，而随着腰椎节段的向下逐渐减低。水平面上椎弓根角度由颈椎至胸腰段椎体逐渐变小，继而随腰椎向下逐渐增大。矢状面椎弓根角度在胸椎及胸腰段椎体最大。椎弓根及椎弓峡部是应力集中的区域，椎弓的破坏多发生于此。

六、韧带

韧带主要由胶原纤维和弹力纤维组成，胶原纤维为韧带提供一定的强度和刚度，弹力纤维则赋予韧带在负荷作用下延伸的能力。韧带纤维大多平行排列，故韧带主要能承受该方向上的拉伸负荷。脊柱韧带的主要功能是限制脊柱在生理范围内活动，并维持脊柱的稳定性。韧带的强度与其截面积密切相关。牵拉韧带时，韧带的疲劳曲线呈三相改变。在拉伸一松弛韧带的初始阶段，韧带处于其中性区，仅需很小的轴向负荷即可产生明显形变。随着牵拉负荷逐渐增大，韧带进入其弹性区，产生形变的阻力也逐渐加大。最后，负荷继续增大至韧带临近破坏前，韧带再次迅速出现变形，此为第三相。在脊柱韧带中，腰椎处韧带强度最高，可承受的负荷最大。除了韧带本身结构外，韧带与骨骼的结合强度也同时决定了韧带何时失效。对于存在严重骨质疏松的病人，脊柱受到暴力时，往往骨质破坏先于韧带破坏出现。

除外枕-寰-枢部位，人体共有7条韧带共同维持正常生理状态下脊柱的稳定（图2-5）。与此同时对脊柱的活动范围精确控制，并起到保护脊髓的作用。这7条韧带由前至后依次为前纵韧带，后纵韧带，关节囊韧带，横突间韧带，黄韧带，棘间韧带，棘上韧带。