脊柱的生物力学

12脊柱的生物力学脊柱是人体的中轴，由脊椎骨、椎间盘、椎间关节和椎旁各关节、韧带及肌肉紧密连结而成。椎管是各脊椎的椎孔连贯而成，内容脊髓。成人整个脊柱从正面观为一条直线，从侧面观分为四个弯曲，颈部向前凸，胸部向后凸，腰部向前凸，骶部向后凸。这些弯曲是适应人体直立行走的姿势，在生长发育的过程中逐步形成。脊柱的功能为：支持体重、传递重力；保护脊髓和神经根；参与形成胸腔、腹腔及骨盆腔；至此和附着四肢与躯干联系的肌肉和筋膜。脊柱由前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的运动能力。在脊柱运动时，椎间盘的髓核成为杠杆作用的支点。由于生理弯曲存在，胸椎椎间盘髓核在中央，而颈及腰椎髓核偏后。其髓核前方的纤维环比后侧强而厚，前纵韧带亦较后纵韧带强而有力，当仰头、伸腰时，椎间盘后方受挤压，髓核向前移动。反之，低头、弯腰时，髓核向后推挤。如用力过度后纵韧带和后方纤维环易发生损伤破裂而使髓核发生突出，尤其在椎间盘已有退变的基础上更容易发生椎间盘突出。由于脊髓各段的后关节面排列方向不同，其旋转轴心亦有各异。后关节面脊椎近似水平面，胸椎呈冠状面，而腰椎呈矢状面。同时由于各段椎间盘中髓核位置不同，在脊柱运动时颈部和腰部旋转的轴心位于椎管后部与椎板联合处，胸部的旋转轴心在椎间盘中心。脊柱使人体保持直立位，同3时承受挤压、牵拉、弯曲、剪切和旋转应力，主要有3个基本的生物学功能，即将头和躯干的载荷传递到骨盆，提供在三维空间的生理活动和保护脊髓。脊柱活动和脊柱的稳定性：脊柱活动通常是多个活动节段的联合动作。由于椎间盘和后关节的存在，使脊柱能沿横轴、矢状面和纵轴活动。正常脊柱能够前屈后伸、左右侧弯和轴向旋转。因小关节面的排列方向不同，不同节段的活动方向和幅度也不一样。颈椎关节面的方向接近水平，故能做较大幅度的屈伸、侧屈和旋转活动；胸椎的小关节面呈冠状位，又有胸廓的存在，使其活动受到一定的限制；腰椎的小关节面呈矢状面，与横截面呈90°，与冠状面呈45°，其伸屈活动幅度从上至下逐渐增大，而旋转、侧屈活动幅度则受限明显。另外，由于小关节面的排列各异，当脊柱做水平旋转活动时，其轨迹的中心也不相同，颈椎的轨迹中心位于前方体外，胸椎在前方体内，腰椎位于后方体外。因此，只要小关节少许错动，即可引起退变和损伤性关节炎。脊柱屈曲的最初50°~60°主要发生在腰段，随后骨盆前倾可提供进一步屈曲。躯干侧屈活动位于胸段与腰上段脊柱。颈椎和上胸椎侧屈时伴有旋转，棘突转向侧屈的凸侧；腰段则相反，侧屈时棘突转向侧屈的凹侧。脊柱具有内源性稳定和外源性稳定。前者靠椎间盘和韧带，后者靠有关肌肉，特别是胸腹肌。内源性稳定时：椎间盘髓核内的应压力使相邻椎体分开，而纤维环及其周围韧带在抵抗髓核的4分离压应力情况下，使椎体靠拢，这两种不同方向的作用力，使脊柱得到较大的稳定性。一般认为，脊柱外源性稳定较内源性重要。失去内源性稳定，脊柱的变化较缓慢，而失去外源性稳定，则脊柱不能维持其正常功能。如脊柱侧凸症，无论是麻痹性还是特发性，若失去外源性稳定，脊柱即开始出现原发性侧弯，继之出现代偿性侧弯，整个脊柱可发生明显的畸变。而失去内源性稳定时，脊柱的畸变往往不明显。脊柱的内源性或外源性稳定结构遭受破坏，均可影响脊柱的稳定性。脊柱负荷与应力分布：物体所支持的力，称为负荷。脊柱是负荷结构，虽然脊柱需承受牵拉、弯曲和旋转负荷，但它主要承受的使压缩负荷。外部负荷作用于脊柱，椎骨和椎间盘即产生应力和应变。由于椎骨的弹性模量明显大于椎间盘，因此，椎间盘更容易产生应变。在大多数情况下，椎体和椎间盘承受了大部分载荷，小关节面仅承受0~33%的载荷。椎体承载后，载荷可从椎体上方的软骨终板，经过椎体皮质骨或松质骨，而传递到下方软骨终板。椎间盘的生物力学：椎间盘构成脊柱整个高度的20%~33%，其主要生物力学功能是对抗压缩力，但对脊柱活动也具有决定性影响。椎间盘是脊柱的主要承受较小的荷载时，由于椎间盘的弹性模量大大小于椎体，很易发生变形，因而能起到吸收振动、减缓冲击和均布外力的作用。5脊椎骨与椎间盘正常人脊柱由32~34个脊椎骨：颈椎7个，胸椎12个，腰椎5个，骶椎5个和尾椎3~5个。有椎间盘23个和关节134个。脊柱的侧面观呈“S”形，正面观呈一条直线。一、脊椎骨：脊椎骨的共有形态：椎体在前，除环椎无椎体外，其余各椎均有椎体。椎弓在后，椎弓呈半圆形，与其椎体连接部称椎弓根，其上下缘有切迹，两侧壁呈椎板。椎孔是由椎体与椎弓相连而成一孔。各椎孔链接构成椎管，为脊髓所在处。椎间孔由椎弓根上缘与上一椎弓根下缘的切迹构成。脊髓发出的脊神经根、脊神经节并有血管在此通过。胸腰椎部还有交感神经节前纤维通过。6关节突。在左、右椎弓根与椎板相连处向上和乡下突出成为上关节突和下关节突。由下一椎的上关节突与上一椎的下关节突构成后关节（亦称关节突关节），形成椎间孔的后壁。横突。由椎弓根与椎板相连处向左右突出，左右各一个。棘突。由两侧椎板会合后向后方突起。二、颈椎的特点：正常人有7个颈椎，6个椎间盘，35个大小关节。7枕环椎间和环枢椎间无椎间盘。6个椎间盘包括第7颈椎与第1胸椎间的椎间盘。椎体较小，横径长，纵径短，约差1/2。前缘矮些，后缘高些。颈轴前弯弧度由椎间盘形成。椎体上面凹两侧偏后有钩突。椎体下面略凸，两侧偏后有斜坡。下一椎的钩突与上一椎体斜坡之间构成钩椎关节，此为滑膜关节（又称椎体侧方关节、椎体半关节、神经弓椎体关节、弓体关节及Luschka关节）。其作用可防止椎间盘向后突出。椎体上面前缘呈斜坡状，下面前缘呈嵴状突起，约为椎体厚度的1/3，故椎体前方椎间隙小，前路手术时，切勿过多切除椎间下方的椎体骨。椎间较短，故椎孔前后径小。当椎体发生前后滑脱移位，黄韧带和后纵韧带钙化肥厚，或发生椎间盘突出时，神经根和脊髓易受挤压损害。椎间孔为椭圆形的骨性管道，纵径长，横径短，神经根通过其中只占1/2~2/3左右。当椎间盘变窄时，椎孔纵径缩短成为圆形；钩椎关节和后关节发生错位时，椎间孔横径变成多边形或肾形且狭窄，变窄1/3~1/2即刺激或压迫神经根而引起颈椎病症状。枕环及环枢椎间无椎间盘，亦无椎间孔保护第1、2颈神经，故神经较易受损伤。8横突较小，有突孔，椎动脉及静脉从中通过。横突上面呈沟状，脊神经根从中通过。关节突较低，呈块状。上关节突的关节面朝上，偏后方。下关节突出的关节面朝下，偏前方，神经根从关节突前方通过。颈椎后关节呈水平面，正常时使颈部运动较灵活；颈椎失稳时，则甚易发生错位。棘突较短且末端多分叉。第7颈椎棘突不分叉或分叉不明显，但最长，可作为体表标志之一。环椎（第1颈椎）无椎体和棘突，由前弓和左右侧块组成。前弓短，内面有关节面，与枢椎齿状突形成关节，齿状突由横韧带固定于关节内。前弓前方正中有结节，是两侧颈长肌附着点；后弓长，其后方正中有后结节向上突起，能防止头部过伸，时两侧头小直肌的附着点。后弓上面两侧近侧块处有椎动脉沟；侧块上面有椭圆形的凹形关节面，与枕骨髁突形成枕环关节。下面两侧各有平坦的关节面，朝下前内方，与枢椎上关节突形成关节。侧块两侧有横突，较长大，为环椎旋转的支点。枢椎椎体是颈椎中最厚者，成为环椎环绕运动的支点，上9方有齿突，与环椎构成环齿关节。上关节面在椎体与椎弓根连接处。朝上、稍后方，与环椎下关节面形成环枢关节。棘突宽大且分叉，横突较小且朝下。第2颈神经从关节突后方通过。颈椎的活动：前屈以下段为主，后伸以中段为主，左右侧屈时全部颈椎均参加活动。颈椎共有35个关节，颈椎后关节呈水平面，故正常时比胸椎腰椎更为灵活。枕环关节以伸屈为主，环枢关节以旋转为主。胸椎的特点：正常人有12个胸椎及12个椎间盘，全胸段脊椎排列成胸脊柱的后凸背弓。椎体比颈椎高大，椎体上面和下面均平坦，而后侧略厚。胸椎后外方近椎弓根处有与肋骨小头相关节的关节凹。第1、10至12胸椎只有上关节凹，第2-9胸椎因肋骨小头上移而与相邻的上下椎体相关节，故此8个胸椎各有上下两个肋凹，与肋骨构成肋骨小头关节。10胸椎横突比颈椎横突粗大，末端呈小球形膨大，侧方有小关节面与肋骨结节构成肋横突关节。胸椎后关节面平坦，上关节面向后外，下关节面向前内，故关节呈冠状面，这种关节结构使胸椎运动以侧屈和旋转为主。脊髓的颈膨大达到第2胸椎，腰膨大向上达第10胸椎，故1、2和10-12胸椎孔较大，呈三角形，其余椎孔较小，呈心形。胸椎棘突较长而细，呈三菱柱形，末端有较粗糙的结节，向后下方互相重叠如瓦盖状，故胸椎棘突与椎体的定位约相差一节。腰椎的特点：腰椎负重最大，故椎体比胸椎更粗大，呈肾形，上下面扁平。腰椎椎弓根很发达，棘突呈板状，呈水平方向向后伸，故腰椎与棘突体表定位一致。腰椎上关节突由椎弓根发出，关节面向内弧形；下关节突由椎体发出，面向外，故腰椎后关节呈矢状面，但从上而下又逐渐转为冠状面（腰骶关节面）。脊椎的变异：人体脊椎的变异是较常见的，尤其是某些附件的变异更多见。1、椎体：数量的变异，如椎体融合；椎体互变，例如腰椎骶化，骶椎腰化，第7颈肋或第12胸肋无肋骨等。112、横突或棘突变形较多见，如过长、过短、弯曲或分叉等，故体表触诊时，切勿单靠骨标志的偏歪而定为错位，必须与临床症状及椎旁软组织同时由损害才下诊断为宜。脊柱的连接一、椎体之间由椎间盘连接。二、前纵韧带，位于椎体前方，从第1颈椎前弓前面至骶椎前面的膜状韧带。中部较厚；侧方较薄，由称为侧纵韧带者。第1颈椎前另有一条状较窄的膜样组织与颅底骨相连。三、后纵韧带：由第2颈椎椎体后面至骶骨，附着于椎间盘及椎体后方的长韧带。在椎管内通过处与各椎体之间的裂隙有椎体的动、静脉支穿过。由第2颈椎向上有膜样组织与枕骨斜坡相连。四、后关节囊：每个关节突之间有薄而松的关节囊及韧带相连。五、椎弓间韧带：每个椎弓之间有黄韧带，含大量弹性纤维，故较坚韧。其两侧有裂隙，有静脉通过。此韧带如变形则增厚失去弹12性，可引起神经根的压迫症状。六、横突间韧带：连接上下相邻的横突。七、棘间韧带：连接上下相邻的棘突。八、棘上韧带：强大的棘上韧带，在棘间韧带帮助下，可保持脊柱前屈后伸及转体运动于安全范围以内。在颈椎部的棘上韧带特别发达，又称项韧带。椎间盘成人的椎间盘比所连接的椎体稍大，其厚度约等于所连接的椎体厚度的1/3，其长度总和约占脊柱全长的1/4.颈部的椎间盘约占颈部脊柱高度的20%~40%。颈、腰部之椎间盘前侧厚后侧薄，形成颈、腰段脊柱有前凸之弧形。胸椎椎间盘前后侧等高。一、结构：1、纤维环。为纤维交错之同心环，围绕在椎间盘之外周。因前部厚而髓核靠后，后纵韧带又窄有薄，故椎间盘易向后突出。纤维环的纤维是斜形编织的弹性纤维，包绕髓核，使两个椎体的椎间限有5mm的扭距有摇椅样和三轴向运动。2、髓核。呈胶状物，由类蛋白组成。含水份约13有80%，随年龄的不同及负重的不同，可有改变。正常人早晚的身长高度可相差1~2cm，就使由于椎间盘的高度变化所致。髓核具有流体力学的特点。3、透明软骨板。是椎间盘的上下面。紧贴于椎体上，原为骨骺软骨，与椎体向高度增长有关。在成年后软骨板和纤维环融合在一起，将髓核密封于其中。二、椎间盘的血液供应和神经支配：椎间盘的血液供应在胎儿期使来自周围和相邻椎体的血管。椎体的血管进入透明软骨板，但不进入髓核。出生后这些血管发生变性并逐渐疤痕化而闭锁。因而成年人之椎间盘没有血供应，其营养来源是借以软骨板类似半渗透膜的渗透作用，与椎体进行液体交换，维持其新陈代谢。神经支配是由窦椎神经支配椎间盘后部纤维环边缘及后纵韧带。窦椎神经是脊神经的脊膜反支和交感神经的一部分所组成，为无髓鞘神经，能传导与疼痛有关的冲动。当纤维环后部、后纵韧带受牵张时可出现疼痛。椎动（静）脉椎动脉是由锁骨下动脉左右各发出一支，左侧较大，右侧较小，从第6颈椎横孔进入后沿各横突孔上行，至环椎侧块后侧弯向后外侧椎动脉沟内，然后转向前方，穿过环枕后膜外援上行，经枕骨大孔入颅内，到延髓前内上行，达桥脑下缘时，双侧椎动脉汇合而成基底动脉。14椎动脉分为四段，其分支较多一、第一段：自锁骨下动脉至第6颈椎横突孔，其通过颈长肌和前斜角肌的裂隙，当斜角肌痉挛时椎动脉受压迫。与椎动脉并行的椎静脉多位于其前方，其后侧有第7颈椎