脊柱的组成及其力学性能

脊柱的组成及其力学性能广东省中医院骨一科孔畅引言脊柱基本组成及相应的力学特性腰椎运动学腰椎动力学脊柱基本组成和运动特征结构特征位置特征解剖特征运动特征肌肉作用胸腰筋膜结构特征人体运动的主轴，由多个椎体和多重关节（椎间关节、椎小关节）组成，众多肌肉和韧带围绕，并有生理弯曲，以满足脊柱的坚固性和可动性。其活动有三维方向（前后、左右、旋转）和6个自由度。位置特征脊柱的颈段支撑头颅，重心处于颈部前2/3与后1/3的交界处；胸段重心偏后（胸廓前后径的后1/4），与胸廓共同分担胸以上躯体的重量；腰段居中，甚至前凸，以支撑体重。解剖特征椎管椎骨椎间盘椎小关节脊柱韧带椎管由椎孔连结而成，上接枕骨大孔和颅腔相通，下延续为骶管而止于骶管裂孔。椎管的前壁由椎体后部、椎间盘后缘和后纵韧带构成，后壁是椎板和黄韧带，两侧壁为椎弓根和椎间孔。每个椎孔可分为中央区、侧区和后区，椎管内容有脊髓和马尾、脊神经根、脊髓的三层被膜、膜间隙及其内的脑脊液等。椎骨椎骨由椎体、椎弓、上下关节突、棘突、横突组成。椎体椭圆形短扁骨，致密的骨皮质包围海绵状的髓质，上下骨皮质中有较厚的软骨板衬垫，边缘由较厚的环形衬板构成。椎体前缘最薄弱，易发生椎体骨折。椎体中部和后部的骨折多涉及椎管椎间盘椎间盘是由纤维环、髓核和软骨终板三部分构成。纤维环由同心胶原纤维层组成，层内纤维平行排列，层间纤维排列则相互交叉，相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为±30°。纤维环内是透明凝胶状的髓核，约占椎间盘横截面积的50~60%。软骨终板指椎间盘上、下两面的透明软骨板，厚1mm左右。位于椎体终板表面的凹面关节之间。IVD在脊柱中形成最重要及独一无二的关节系统，允许脊柱在多个面上运动。这些纤维软骨的复合结构约占整个脊柱长度的1/4。从C2-3椎体间至L5-S1椎体间均有椎间盘。颅骨（C0）与寰椎（C1）间没有间盘，寰枢椎（C1-C2）间也没有真正的间盘。在每一个板层内，胶原纤维的排列方向与水平面呈30度角，由于每两个相邻板层的排列方向相反，导致胶原纤维的方向在两个相邻的板层间有120度的角度变化。胶原的交错排列使其张力强度大增，同时也允许多平面的运动。间盘的结构类似于辐射状的汽车轮胎，有很好的强度，同时抗压及抗张能力也很强。椎间盘纤维环内、外层纤维的组成与排列均有所不同，总的来看，纤维环中II型胶原含量高于I型胶原，但由内向外I型胶原所占比例逐渐增加，更重要的区别则在于外层纤维与椎体相联结，内层纤维则逐渐在形态上向软骨终板过渡。于是，纤维环的内层纤维就与软骨终板形成严密包容髓核的容器。椎间盘内压的测定早在1932年，Gocke就发现将髓核浸入液体后其重量增加1倍，以后其他学者陆续证实这一现象，并注意到髓核通过吸收液体使自身内部压力升高，并认为这可能是引起腰椎间盘突出的原因。1960年由Nachemsom证实正常与接近正常的椎间盘髓核均呈流体静压状态。他采用一种针式传感器从主应力的三个方向来测定椎间盘内压。椎间盘内压实验方法是将一个微型压力传感器装在一个特制的针尖上，当针刺入髓核后，压力便通过传感器反映出来。结果见右图椎间盘中的基质是髓核，由弹性凝胶组成，其中80%是水份，人在10~19岁间由血液供养，但20~29岁变窄逐渐失去血管，靠骨端板淋巴渗透来供养极富弹性和韧性，受力最频繁也最复杂，承受3倍体重的压力也不会破裂•椎间盘内压及生理特点体重的百分数相当体重的3倍结果显示正常椎间盘内压为轴向压缩载荷的1.3~1.5倍，当外载荷达到2000N之前，椎间盘内压与外载荷呈线性关系；并计算出垂直压应力大约为外载荷的50%，而切向应力与张应力却高达外载荷的4~5倍。黄韧带的预张力使椎间盘在不受载时即具有0.05MPa的所谓预压强。同时，对腰椎间盘在剪切、扭转、前屈和后伸等载荷作用时椎间盘内压的变化及其髓核含水量的关系进行研究表明，当承载量相同时，椎间盘内压从上腰椎到下腰椎逐渐减小。椎间盘内压活体测量及人体各姿势及完成各种动作时椎间盘内压变化的观察，将椎间盘内压与腰背肌的肌电信号、腹内压作了比较，从而求出各种位置和动作时，椎间盘内压的相对比例（以直立为100%）椎间盘力学特性受压特性：受压后纤维四周膨出，脊柱运动节段的试验，首先破坏的是椎体而不是间盘。临床上的突出，多数是盘内应力分布不均，不单是由于受压受拉特性：椎间盘无论受压还是受拉其纤维环总是承受张力，纤维环在不同方向强度、刚度不同，沿纤维走向强度是竖向的3倍•受弯特性：变弯椎间盘膨出，前屈前膨，后屈后膨，即都在凹侧膨出，因而凹侧受压，凸侧受拉受扭特性：大的椎间盘能承受较大扭矩，但扭转角超过20o则发生断裂受剪特性：椎间盘水平剪切强度大约为260N/mm2(260MPa)是个很高的值，所以临床很少发现单纯剪切暴力导致纤维环破裂，其破裂多为弯、扭、拉组合作用时产生椎间盘的压缩特性压缩载荷通过终板作用于椎间盘的髓核和纤维环，髓核内部产生的液压使纤维环有向外膨胀的趋势。外层纤维环承受了最大张应力，内层纤维环承受的张应力较外层小，但承受一部分压应力。严重退变的椎间盘中，由于髓核脱水，压缩载荷在椎间盘内的分布发生较大的变化，表现为终板中心的压力减小，周围的压力增高，相应的纤维环纤维承受了更大的应力。椎间盘的压缩典型的椎间盘压缩试验标本应具有完好的前后纵韧带与毗邻的椎体，即所谓的“功能单位或运动节段”。典型的压缩载荷-变形曲线呈“S”形，表现三个特征阶段，即在低载荷时，曲线上升平缓，刚度值小，提供脊柱的柔韧性；随着载荷加大，曲线变陡，刚度值变大；当载荷增大到某一临界值时，曲线不再上升，刚度值下降，因此高载荷时提供脊柱的稳定性。椎间盘承受压缩载荷时，髓核内的压力为外压力的1.5倍，纤维环承受的压力为0.5倍，而后部纤维环的张应力是外压力的4~5倍。压缩载荷通过终板作用于椎间盘的髓核和纤维环，髓核内部产生的液压使纤维环有向外膨胀的趋势，外层纤维环承受最大的张应力，内层纤维环承受的张应力较外层为小，但承受一部分压应力。退变的椎间盘中，由于髓核脱水，压缩载荷在椎间盘内的分布发生较大的变化，表现为终板中心的压力减小，周围的压力增高，相应纤维环外层的张应力减小，压应力增高，但纤维环承受了更大的应力。椎间盘的压缩特性用腰椎活动节段所得到的载体-变形曲线呈S形，这提示椎间盘在低载荷时主要提供脊柱的柔韧性，并随载荷增加而加大刚度，当高载荷时则提供脊柱的稳定性。有人发现虽然高载荷可造成椎间盘的永久形变，但并不能造成纤维环的破裂和髓核突出，即使在纤维环的后外侧作一切口也无济于是。Brown通过静加载试验比较椎间盘与椎体的抗压强度，发现先发生破坏的总是椎体，而破坏的方式又取决于椎体本身情况。至于椎间盘正常与否并不影响椎体的破坏载荷。Farfan证明已发生退变的椎间盘在抗压强度上实际高于正常的椎间盘。他用椎间盘造影方法观察压缩负荷下腰椎间盘髓核的运动情况，试验中首先听到破裂声表明软骨板骨折，髓核进入椎体内，形成Schmorl’s结节，表明虽然Schmorl’s结节是由压缩载荷引起的，但过度的压缩载荷并不造成椎间盘突出。虽然压缩载荷并未能造成髓核的突出，但在实验中却发现椎间盘承受压载时纤维环向外膨出，且膨出以前方最为明显。纤维环的板层结构可对抗机械应力，防止脊柱结构单位异常运动纤维环的板层结构可对抗机械应力，防止脊柱结构单位异常运动内部高压力特性与汽车轮胎极其相似终板相对于髓核类似于代谢泵纤维环失神经支配导致不稳与疼痛失神经的髓核水肿的凝胶层环形撕裂外层纤维环撕裂椎间盘的拉伸特性无论脊柱承受何种载荷，其纤维环的某一部分总会产生张应力。承受轴向压载时纤维环的外层纤维沿纤维排列方向产生较大的张应力，而轴向张应力却比较小；与外层纤维相比，内层纤维的应力类型相同但量值却小的多。Brown将椎间盘作成标准试件进行拉伸试验，结果发现纤维环的前部和后部抗拉强度最高，而侧方相对较低，最低的是纤维环的中央部分与髓核。Galante从各相异性角度测定纤维环的抗拉强度和抗拉刚度，观察到其抗拉强度和刚度随加载方向不同而相差悬殊。Markolf观察到椎间盘的抗拉应力小于抗压应力，并认为这是椎间盘内压作用所致。椎间盘的弯曲特性弯曲载荷对椎间盘亦有影响。Roaf观察到纤维环的膨出，总是发生在弯曲脊柱的凹侧，前屈时膨出在前，后伸时膨出在后。而髓核的位置与形状无改变。Reuber发现腰椎以向侧方弯曲时纤维环膨出最为明显。Adams在实验中使腰椎活动节段过度前屈，首次造成在下腰椎实验中纤维环破裂与髓核的突出，而这一现象在退行性改变的椎间盘中就更加明显。椎间盘的剪切特性Markolf在椎间盘的剪切实验中测定其剪切刚度为260N/mm，据此认为剪切载荷一般不致引起纤维环的破裂，而可能是弯曲、扭转和拉伸复合作用的结果。椎间盘的扭转特性扭转是引起椎间盘损伤的诸负荷中最主要类型，扭转载荷在椎间盘的水平面和垂直面上产生剪切应力，其应力大小与距旋转轴的距离成正比。椎间盘的扭转特性Farfan根据对腰椎活动节段作扭转试验的结果，提出扭转是引起椎间盘损伤诸应力中最主要类型，他所记录的扭矩-转角曲线呈S形，完成0°~3°的轴向旋转仅需很小扭矩，而转角由3°~12°这一阶段二者基本成线性关系，若要造成破坏，则转角一般需达到20°左右，破坏后椎体及软骨终板并未发现有骨折，因而他认为是纤维环发生了损伤，另外正常椎间盘的破坏扭矩要比退变椎间盘高出25%，但破坏转角小于退变椎间盘。纤维环承受扭转载荷的能力较弱是由其解剖学特点决定的，如前所述，纤维环的纤维与椎间盘水平面成±30角，因此当其被扭转时承载的仅仅是其中一部分纤维，强度远远低于承受压载与拉载时。同样，外层纤维所受的扭力要大于内层纤维，因而也就更容易发生断裂。退变椎间盘的破坏扭矩比正常椎间盘小25%。椎间盘的粘弹性椎间盘的粘弹性主要表现为蠕变与松弛。所谓蠕变，系指在一段时间内由低载荷持续作用所导致的逐渐形变，也就是形变程度因时间而变化。应力松弛或载荷松弛则指材料受载后形变达一定程度时，应力载荷随时间而减低。椎间盘的粘弹性使其自身能够有效地缓冲和传递载荷，载荷量越大，所产生的变形越大，蠕变率也就越高，已有研究发现，腰椎的前屈范围在正常情况下傍晚要比早晨大5左右，而向尸体腰椎活动节段施加前屈蠕变载荷以模拟一天的活动时，发现其抵抗前屈的能力明显减弱，这说明前屈载荷在早晨所产生的应力要大得多，腰椎受损伤的危险性也大。椎间盘的退行性变对其本身的粘弹性有明显的影响，当椎间盘发生退变后，蠕变率与初始松弛率均增加，达到平衡所需时间也相应缩短，达到平衡时的载荷也减低。这说明椎间盘发生退变后，缓冲和传递载荷的功能相应减弱。椎间盘的粘弹性还表现为具有滞后特性，系指粘弹性材料在加载与卸载过程中的能量丢失现象。卸载后载荷-变形曲线如低于加载时则表现有滞后现象出现，通过滞后这一过程，椎间盘可有效地吸收能量而使人体免受伤害。椎间盘的滞后程度还与年龄、载荷量及节段有关。椎弓根和关节突椎弓根是椎体外侧面和后面交界处上部向后突出的短而厚的圆柱，因而椎弓根弧状的椎上切迹较椎下切迹浅。颈椎的椎弓根的形态学变异较大，对不同的个体和不同的节段，进行椎弓根固定须行个体化设计，总的来说，椎弓根的高度大于宽度。胸椎椎弓根上缘与椎体上面的终板相平行，其上下缘位于椎体的上2/3处，椎弓根的长轴中心线向下倾，其矢状径大于横径。腰椎椎弓根短小，容易辨认。椎弓的破坏多发生于椎弓根和椎弓峡部，采用三维有限元方法分析亦证实这两个部位均为应力集中区域，但椎弓根部的损伤临床上非常少见，多数椎弓峡部裂患者亦无明显外伤，目前多数意见认为腰椎椎弓峡部裂实质上系由局部应力异常增高所致的疲劳骨折。脊柱的节段的活动类型取决于椎间小关节面的取向，而小关节面取向在整个脊柱上有一定的变化。下颈椎的小关节面与冠状面平行，与水平面呈45，允许颈椎发生前屈、后伸、侧弯和旋转活动。胸椎的小关节面与冠状面呈20，与水平面呈60，允许侧弯、旋转和一定程度的屈伸。腰椎的小关节面与水平面垂直，与冠状面呈45，允许前屈、后伸和侧弯，但限制旋转运动。关节突除引导节段运动外，还承受压缩、拉伸、剪切、扭转等