人體脊柱結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性
脊柱作為人體中軸骨，有著復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)體系。骨骼、椎體、關(guān)節(jié)突、椎間盤(pán)、韌帶以及周圍的肌肉組織結(jié)構(gòu)、功能各異，而在正常生理狀態(tài)下這些結(jié)構(gòu)共同作用，協(xié)調(diào)一致，使脊柱起到了承載、運(yùn)動(dòng)、保護(hù)
脊髓等作用。因此脊柱結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性是脊柱外科醫(yī)生必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)。
一、骨
人體的骨骼由有機(jī)物質(zhì)、無(wú)機(jī)物質(zhì)以及骨細(xì)胞組成。有機(jī)物，如膠原。賦予骨骼韌性。無(wú)機(jī)物，如鈣、磷，賦予骨骼剛性，使其能夠承受人體負(fù)荷。骨細(xì)胞成分約占骨質(zhì)體積的15%。由于承擔(dān)的力不同，不同處骨骼的生物力學(xué)特性也不同。Wolff定律描述了骨骼的生長(zhǎng)特性，可簡(jiǎn)單表述為：骨骼能承受骨組織的機(jī)械應(yīng)變，并具有適應(yīng)這些功能需要的能力，骨骼結(jié)構(gòu)受應(yīng)力的影響，負(fù)荷增加骨增粗，負(fù)荷減少骨變細(xì)。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加椎體的負(fù)荷有利于術(shù)后骨融合的達(dá)成。另外，
骨折的發(fā)生及骨折形式也同椎體所受力的大小、方向以及椎體穩(wěn)定性密切相關(guān)。
二、脊柱
人體脊柱由33塊不同椎體組成，其間通過(guò)韌帶、小關(guān)節(jié)及椎間盤(pán)相互聯(lián)系。在矢狀面上脊柱有四個(gè)生理彎曲。脊柱生理彎曲的存在可增加其靈活度，同時(shí)增強(qiáng)抗沖擊能力。
正常的脊柱，從其C7椎體做一鉛垂線，應(yīng)該同時(shí)經(jīng)過(guò)腰骶連接處（圖2-4），此線稱作矢狀面軸向垂線（sagittalverticalaxis,SVA）。（注：SVA另外一種做法為從C2椎體尾部中心做鉛垂線，應(yīng)分別經(jīng)過(guò)C2、T1、L1、S1椎體。）矢狀面軸向垂線是用來(lái)衡量矢狀面上脊柱平衡的有效方法。若SVA位于腰骶連接處腹側(cè)，稱之為正矢狀位平衡。正矢狀位平衡對(duì)于人體機(jī)能及肌肉正常工作有重大意義。在此狀態(tài)下，為了維持整體平衡，骨盆會(huì)代償性的向后移動(dòng)同時(shí)使得人體重心后移，與此同時(shí)患者會(huì)盡量伸髖。一旦以上代償方式不再能保持人體平衡，患者接下來(lái)則會(huì)處于一種生物力學(xué)上極其不利的屈髖、屈膝體位來(lái)維持平衡。
三、椎體
椎體由外層較硬的皮質(zhì)骨與內(nèi)部較軟的松質(zhì)骨組成。大體上，自上而下，椎體的長(zhǎng)、寬、高逐漸增加。究其原因，低節(jié)段椎體需要承受更大的壓力。因年齡及骨質(zhì)成分的不同，骨松質(zhì)可承擔(dān)35%至90%不等的負(fù)荷。若骨內(nèi)礦物質(zhì)成分減少25%，其承重能力將減少50%以上。椎體的承重能力不僅與骨密度有關(guān)，還與骨結(jié)構(gòu)和骨修復(fù)速度的變化有關(guān)。若椎體內(nèi)多孔的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)水平關(guān)聯(lián)減弱，正常的緊密排列的骨板層樣結(jié)構(gòu)將會(huì)被相互開(kāi)放的條索樣結(jié)構(gòu)所取代，最終降低了椎體垂直方向上承擔(dān)負(fù)荷的能力。對(duì)于胸椎，因其通過(guò)關(guān)節(jié)連接與各條肋骨及胸骨形成整體，大大提高了胸椎承擔(dān)負(fù)荷的能力。
椎體終板是椎間盤(pán)與椎體中心骨松質(zhì)之間的一層骨結(jié)構(gòu)，由厚約1-2mm的皮質(zhì)骨曾及軟骨層組成。軟骨層具有半透膜作用，允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到椎間盤(pán)，同時(shí)能夠防止椎間盤(pán)內(nèi)的大分子物質(zhì)丟失。終板厚度不一，外周部分最為厚且堅(jiān)硬，中心部分最薄且脆弱。于間盤(pán)部位放置植入物時(shí)，終板表層4mm最難以穿透。終板厚度與椎間盤(pán)內(nèi)蛋白多糖含量呈正相關(guān)，髓核部位的中央椎板更是如此。骨與椎間盤(pán)退行性變有關(guān)的改變均有可能引起相應(yīng)節(jié)段終板的弱化。終板在壓力下可發(fā)生骨折，骨折形式可分為三種類型：中央型骨折、邊緣型骨折以及全終板骨折。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)正常樣本骨折多發(fā)生于終板中心，而退行性變的樣本骨折多發(fā)生于外周。而當(dāng)承擔(dān)極大負(fù)荷時(shí)，無(wú)論標(biāo)本有無(wú)退行性變，骨折均會(huì)存在于整個(gè)終板。其原因可能與同時(shí)退變的髓核不能承壓有關(guān)。在椎間盤(pán)退變情況下，負(fù)荷主要由纖維環(huán)承擔(dān)，從而容易導(dǎo)致終板周圍發(fā)生骨折。
四、椎間盤(pán)
椎間盤(pán)位于相鄰兩節(jié)椎體之間，占整個(gè)脊柱高度的20%到33%，是由中央的髓核、外周的纖維環(huán)以及上下兩端的軟骨終板組成的具有黏彈性（viscoelastic）的結(jié)構(gòu)。髓核為一液態(tài)團(tuán)塊，由含有大量親水性氨基葡萄糖聚糖的膠樣凝膠組成。髓核占椎間盤(pán)面積的30%到50%。在腰椎，髓核位置較靠前，位于前中三分之一處。髓核的黏彈性使其具有吸收震蕩的能力。髓核含水量為70%到90%，隨著年齡增大，水分逐漸減少。髓核的黏彈性也會(huì)隨著其含水量的變化而發(fā)生改變，這些改變是椎間盤(pán)退行性變的基礎(chǔ)。纖維環(huán)由膠原纖維構(gòu)成的同軸層疊帶組成，相鄰兩層纖維束走行相互交叉，呈120°夾角，纖維方向與椎間盤(pán)水平約呈30°角。其中心部分連接于終板軟骨，而其最外層纖維連接于椎體外緣的皮質(zhì)骨。纖維環(huán)因其特殊的纖維排列方式，使得椎間盤(pán)能夠有效地抵抗旋轉(zhuǎn)、牽拉及剪切力。但纖維環(huán)本身不能有效抵抗擠壓力。
椎間盤(pán)的黏彈性使其具有獨(dú)特的生物力學(xué)特性，主要表現(xiàn)為蠕變和松弛。所謂蠕變，是指在一段時(shí)間內(nèi)在負(fù)荷持續(xù)作用下所導(dǎo)致的持續(xù)變形，也就是變形程度因時(shí)間而變化。而應(yīng)力松弛則指材料承受負(fù)荷后變形達(dá)一定程度時(shí)應(yīng)力和負(fù)荷隨時(shí)間而減低。以上特性使得椎間盤(pán)能夠有效地緩沖和傳遞負(fù)荷。負(fù)荷量越大所產(chǎn)生的變形就越大，蠕變率也就越高。退變的椎間盤(pán)其自身的黏彈性會(huì)有明顯下降，這使其緩沖和傳遞負(fù)荷的功能相應(yīng)減弱。
老年人髓核彈性降低，變形能力差。當(dāng)受到壓力時(shí)，難以發(fā)生黏彈性形變，取而代之的是壓力通過(guò)變形能力差的纖維環(huán)向下傳遞，從而使終板受到較大負(fù)荷，可能引起下腰痛及纖維環(huán)撕裂，易導(dǎo)致
壓縮性骨折的發(fā)生。此情況尤其容易出現(xiàn)于老年
骨質(zhì)疏松患者。
五、關(guān)節(jié)突及椎體背側(cè)結(jié)構(gòu)
小關(guān)節(jié)面的形狀、位置及方向在很大程度上決定了脊柱的運(yùn)動(dòng)形式，例如C2-C7可旋轉(zhuǎn)8°至12°，而L1-L5僅可旋轉(zhuǎn)2°至5°。下
頸椎的小關(guān)節(jié)面與冠狀面平行，與水平面成45°，允許頸椎發(fā)生前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。胸椎的小關(guān)節(jié)面與冠狀面成20°，與水平面成60°，允許側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)和一定程度的屈伸。腰椎小關(guān)節(jié)面與水平面垂直，與矢狀面成25-50°角，允許前屈、后伸和側(cè)彎，但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受限。
關(guān)節(jié)突除了能夠引導(dǎo)脊柱運(yùn)動(dòng)外，還承受壓縮、拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)等不同類型的負(fù)荷，其承受負(fù)荷的多少因脊柱姿態(tài)的不同而變化，可為總負(fù)荷的0%至33%。脊柱后伸時(shí)關(guān)節(jié)突承擔(dān)的負(fù)荷最大，約占總負(fù)荷的30％。脊柱前屈并旋轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)節(jié)突的負(fù)荷也較大。關(guān)節(jié)突對(duì)于保持脊柱穩(wěn)定性亦起到重要作用，并與關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的面積、形態(tài)有著密切關(guān)系。關(guān)節(jié)面的面積越大，關(guān)節(jié)越穩(wěn)定。
椎體背側(cè)結(jié)構(gòu)控制并引導(dǎo)椎體節(jié)段的運(yùn)動(dòng)。椎板為組成椎管的一部分，可為脊髓及硬膜囊提供保護(hù)，同時(shí)椎板還是黃韌帶的附著點(diǎn)。棘突為棘間韌帶和棘上韌帶的附著點(diǎn)。橫突椎旁肌的附著點(diǎn)，以上結(jié)構(gòu)均對(duì)脊柱穩(wěn)定性有重要作用。對(duì)于橫突，還需提到的是，中胸段及腰椎的橫突最為堅(jiān)固，并且其大小也足夠作為橫突鉤的錨定點(diǎn)。但實(shí)際手術(shù)時(shí)仍應(yīng)謹(jǐn)慎操作，系橫突血供較差，并且容易發(fā)生骨折。
椎弓根是椎體與背側(cè)結(jié)構(gòu)的橋梁，也是保持脊柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在頸椎，椎弓根短而寬。從頸椎至中段胸椎，椎弓根寬度逐漸減?。欢蛳轮裂?，椎弓根寬度又逐漸增大。椎弓根高度由頸椎至胸腰段逐漸增加，而隨著腰椎節(jié)段的向下逐漸減低。水平面上椎弓根角度由頸椎至胸腰段椎體逐漸變小，繼而隨腰椎向下逐漸增大。矢狀面椎弓根角度在胸椎及胸腰段椎體最大。椎弓根及椎弓峽部是應(yīng)力集中的區(qū)域，椎弓的破壞多發(fā)生于此。
六、韌帶
韌帶主要由膠原纖維和彈力纖維組成，膠原纖維為韌帶提供一定的強(qiáng)度和剛度，彈力纖維則賦予韌帶在負(fù)荷作用下延伸的能力。韌帶纖維大多平行排列，故韌帶主要能承受該方向上的拉伸負(fù)荷。脊柱韌帶的主要功能是限制脊柱在生理范圍內(nèi)活動(dòng)，并維持脊柱的穩(wěn)定性。韌帶的強(qiáng)度與其截面積密切相關(guān)。牽拉韌帶時(shí)，韌帶的疲勞曲線呈三相改變。在拉伸一松弛韌帶的初始階段，韌帶處于其中性區(qū)，僅需很小的軸向負(fù)荷即可產(chǎn)生明顯形變。隨著牽拉負(fù)荷逐漸增大，韌帶進(jìn)入其彈性區(qū)，產(chǎn)生形變的阻力也逐漸加大。最后，負(fù)荷繼續(xù)增大至韌帶臨近破壞前，韌帶再次迅速出現(xiàn)變形，此為第三相。在脊柱韌帶中，腰椎處韌帶強(qiáng)度最高，可承受的負(fù)荷最大。除了韌帶本身結(jié)構(gòu)外，韌帶與骨骼的結(jié)合強(qiáng)度也同時(shí)決定了韌帶何時(shí)失效。對(duì)于存在嚴(yán)重骨質(zhì)疏松的病人，脊柱受到暴力時(shí)，往往骨質(zhì)破壞先于韌帶破壞出現(xiàn)。
除外枕-寰-樞部位，人體共有7條韌帶共同維持正常生理狀態(tài)下脊柱的穩(wěn)定（圖2-5）。與此同時(shí)對(duì)脊柱的活動(dòng)范圍精確控制，并起到保護(hù)脊髓的作用。這7條韌帶由前至后依次為前縱韌帶，后縱韌帶，關(guān)節(jié)囊韌帶，橫突間韌帶，黃韌帶，棘間韌帶，棘上韌帶。
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