脊柱的生物力學與退行性骨關節病 王志勇 人體脊柱實質上是一個通過 杠桿運動軸操縱的力學復合體結構致動體限制體這個力學復合體不僅柔韌性好 運動范圍廣 而且非常堅固穩定 作為一個力學結構 脊柱有以下特點 脊柱矢狀面的正常曲度使得脊柱靈活運動 承載軸向負荷的同時維持相應的強度及站立姿勢的穩定性 矢狀面曲度的改會很大程度上影響脊柱的力學行為 椎體承載軀干及上肢主要的軸向負荷 椎體所須承載的重量從頭端到尾端逐漸增加 椎體本身也逐漸增大 脊柱后方的肌肉群產生 張力作用 用來維持直立姿勢及保持人體矢狀面和冠狀面的平衡 這些肌肉群被稱為 張力帶 任何前柱或后柱的破壞及疾病均可打破脊柱在骨盆及髖關節上的平衡 導致后方肌肉群的疲勞和疼痛 同樣后方肌肉群的損傷及疾患也可使脊柱失去矢狀面的平衡 椎體組成脊柱的前柱 承載80 的軸向負荷 體重 后方結構 主要是關節突關節 組成脊柱后柱 向下肢傳遞20 的軸向負荷 脊柱平衡的概念 正常脊柱在骨盆和股骨頭上保持平衡時 僅需要肌肉最少量的做功以維持直立姿勢 多數脊柱疾患可影響脊柱矢狀面的平衡 從而增加脊柱肌肉負荷 產生肌肉疲勞和背痛 懷孕使身體重心前移 腰椎前凸增加以維持脊柱平衡 人體重心前移可增加脊柱后方肌肉負荷 是導致矢狀面失衡的主要原因 通常在前柱缺損而失去結構上的支撐時發生脊柱矢狀面的失衡 例如 椎體腫瘤或骨折破壞椎體結構完整性 使得椎體塌陷導致病變節段上方的脊柱過度后凸 另外下腰椎多個間盤的退變可以改變其前高后低的楔形外觀 哪怕是細微的改變也可以帶來明顯后凸 如果前柱正常 很少因后方張力帶薄弱而出現矢狀面失衡 我們從整體 區域和局部三方面評價脊柱的平衡 它們雖然不同但彼此相關 從整體角度看脊柱包括顱骨 骨盆 髖關節及髖部肌肉 應特別注意到 骶骨的位置及傾斜度與脊柱整體平衡密切相關 脊柱可以分為以下幾個區域 頸段 頸胸段 胸段 胸腰段和腰段 另外 相鄰的幾個運動節段也可組成一個運動區域 脊柱的局部往往指一個運動節段 脊柱失平衡 多數脊柱疾患可影響脊柱矢狀面的平衡 從而增加脊柱肌肉負荷 產生肌肉疲勞和背痛 人體重心前移可增加脊柱后方肌肉負荷 是導致矢狀面失衡的主要原因 頭部位于骨盆前方時喪失矢狀面的平衡 為維持直立姿勢脊柱后方的肌肉拉力增加 通常在前柱缺損而失去結構上的支撐時發生脊柱矢狀面的失衡 例如 椎體腫瘤或骨折破壞椎體結構完整性 使得椎體塌陷導致病變節段上方的脊柱過度后凸 另外下腰椎多個間盤的退變可以改變其前高后低的楔形外觀 哪怕是細微的改變也可以帶來明顯后凸 所有這些疾病可導致脊柱和軀干前屈 頭部位于髖的前方 這樣脊柱后方肌肉為維持直立姿勢必須做更多的功 其他代償機制如膝關節屈曲和拖曳步態 目的都是為了維持直立姿勢的同時減輕脊柱肌肉負荷 總之 脊柱矢狀面的失衡是脊柱疾患的主要后果 這一點非常重要 但經常被忽視 所以骨科醫師在治療脊柱疾病時必須強調維持脊柱矢狀面的平衡 脊柱冠狀面的失衡經常發生在脊柱側彎的病人 也可發生在脊柱創傷 腫瘤及下肢不等長的病人身上 外科醫師在脊柱手術中應特別重視使頭部和雙肩的中心位于骨盆中線上 骨盆與肩關節不平行使得脊柱冠狀面平衡 脊柱產生代償性彎曲 運動節段 運動節段是脊柱基本功能單位 是脊柱的最小單元 但是卻體現出整個脊柱所具有的生物力學特點 一個運動節段包括相鄰兩個椎體 椎間盤 關節囊包裹的小關節和相連的韌帶 盡管脊柱的肌肉不包括在運動節段內 但它們對運動節段功能的發揮致關重要 運動節段 后面觀 運動節段 前面觀 脊柱的各個運動節段通過以下機制彼此連接起來 運動節段作用機制 運動軸 椎間盤及小關節 圍繞它們的軸可作旋轉運動 杠桿 椎體和其上的骨性突起 是致動體的附著點 致動體 指與運動節段接觸的前方和后方的肌肉 是脊柱功能單位的運動控制結構 限制體 運動節段的韌帶 用以維持脊柱的穩定 將運動節段的活動限制在正常范圍 簡而言之 運動節段的運動是這樣產生的 肌肉收縮推動椎體上的杠桿 作以椎間盤及小關節為軸的旋轉運動 韌帶組織提供穩定性 限制運動節段在生理范圍內運動 盡管每一運動節段只有有限的運動范圍 但所有運動節段彼此疊加 脊柱就具有很大的屈曲性和廣泛的運動范圍 側屈圖例 屈曲圖例 脊柱機械性不穩定 脊柱外科醫生對何種情況下脊柱是不穩定的各持己見 在生理負荷下 正常脊柱有兩個很重要的特征 限制脊柱結構位移以保證神經組織不受損傷或刺激 2 維持結構完整 防止嚴重畸形的發展和疲勞性疼痛的出現 因此如果脊柱因結構移位導致已經出現的或潛在的神經損傷及因無法承擔生理負荷而出現疼痛畸形時 脊柱出現不穩定 在嚴重的病例 這兩種情況可同時出現 多種原因可導致脊柱不穩定 包括創傷 腫瘤 代謝異常 退變及椎體滑移 椎體 椎間盤和韌帶的損傷是脊柱不穩定的常見原因 例如 腫瘤破壞椎體后 它無法承載正常的軸向負荷 導致椎體塌陷形成后凸畸形 此時可伴有或沒有疼痛 這種情況也可發生在因骨質疏松引起骨折時 不同的是這時通常伴有明顯疼痛 脊柱節段性不穩定 脊柱創傷 脊柱腫瘤 脊柱滑脫 退行性疾病 退行性疾病 是指隨年齡老化所致的正常組織結構及功能的丟失 組織的正常老化意味著隨著時間的推移 組織的解剖結構發生累積性的變化 這種變化是逐漸性的 但有時急性創傷可以加速所受累組織的退變進程 退行性改變可以發生在身體的所有關節 對于個體而言 退行性改變并不都出現臨床癥狀 很多人即使有退行性改變也能夠正常工作和生活 當退行性改變導致關節出現臨床癥狀 一般是疼痛時 就被稱為骨性關節炎 意味著由于關節的退行性改變 骨與軟骨出現了炎癥反應 在脊柱上 脊椎病用來代表具有癥狀的脊柱退變性骨性關節炎 本章將復習一種常見的脊椎病 退變性椎間盤病 首先 復習一些與脊柱退變疾病有關的解剖與生物力學因素 解剖與生物力學回顧 人類的脊柱是一個機械結構 其運動節段是該結構的運動單位 其本質在于脊柱如何工作來產生活動 每一運動節段由三個關節構成 即后方的兩個小關節及前方的椎間盤 退行性改變可能首先出現在三個關節中的其中一個 但最終三個關節均會被累及 脊柱由每一個運動節段相互疊加而成 它負載軀干的重量 脊柱可以發生內部變形以對抗軀干對其的壓力 這種變形主要是對于椎間盤產生的 但并不僅限于椎間盤 脊柱由運動節段疊加組成 椎間盤 椎間盤是一彈力纖維結構組織 它有兩個重要功能 首先 椎間盤作為一個減震墊 將上肢及軀干的縱向壓力轉移至椎體 椎間盤上的負荷往往大大超過身體的重量 在坐姿時其負荷是軀干重量的三倍 某些動態的活動如跳躍或奔跑可使椎間盤的軸向負荷甚至高于靜態坐姿時的負荷 椎間盤作用類似于減震墊 其次 椎間盤是運動節段的軸心點 它類似于一個密閉的 可變形的球體 可以承受各個方向的應力并允許脊柱在各方向活動 這意味著椎間盤可能同時承受多種應力 壓力 張力 彎曲力 剪切力及旋轉力 椎間盤解剖 椎間盤的兩種主要成分是纖維環和髓核 纖維環由幾層同心圓的纖維層 類似三個環 構成 稱為板層纖維 其中含有豐富的膠原及彈力素 蛋白多糖和水 膠原是構成體內結締組織的主要蛋白 彈力素保持組織的彈性 蛋白多糖存在于結締組織的細胞外基質 并與水結合在一起 椎間盤作用類似于減震墊 每一層纖維板的纖維與椎間盤水平面呈30度斜形排列 此外 每層纖維板的纖維與其相鄰層面的纖維排列方向相反 這樣 纖維板就像一個網狀的格子樣結構 極其堅固并富有彈性 椎間盤解剖 每一層纖維板的纖維與椎間盤水平面呈30度斜形排列 此外 每層纖維板的纖維與其相鄰層面的纖維排列方向相反 這樣 纖維板就像一個網狀的格子樣結構 極其堅固并富有彈性 纖維 髓核髓核是椎間盤中央的一種球樣的膠凍樣物質 占間盤成分的40 它被纖維環所包繞 髓核的成分主要是散在的膠原纖維 水分及蛋白多糖 其水分及蛋白多糖的成分大大多于纖維環組織 出生時髓核的水分占90 逐漸減少至50歲時的70 在髓核與纖維化交界處有一個移行區 在此區兩種成分的纖維逐漸交織 故在此區區別兩種成分較困難 軸向應力時椎間盤的壓縮狀態 作為運動節段的軸點 當纖維環同時承受壓力 張力 和旋轉力時 髓核像一個可變形的軸承 例如 當一個人彎腰從地面揀起一個物體時 椎間盤要同時承受多種外力 在此屈曲和旋轉活動過程中 椎間盤的凹側壓縮 凸側伸展 因此 壓縮側的髓核膨出 纖維環向外擴張 伸展側的髓核在垂直面上變平 該側的纖維環被拉緊 此外 隨著脊柱的旋轉運動 纖維環同時還承受著扭轉應力 總之 正常的椎間盤是一個復雜的解剖結構 并具有復雜的生物力學功能 椎間盤的退行性改變可以導致明顯的運動節段的功能變化 屈曲應力時椎間盤的軸心運動狀態 椎體 脊柱椎體的寬度 高度和前后徑從頭端到尾端逐漸增大 以適應從上到下逐漸增大的壓力 身體80 的軸向負荷力由脊柱的前柱 椎體及椎間盤負載 壓力經間盤通過椎體的終板傳導至椎體 傳導的途徑有兩條 外層皮質骨承載已一部分壓力 大部分壓力集中在松質骨 松質骨受壓時可以明顯變形 而當壓力去除后又恢復原來的形態 C3與最底部的L5椎體形態之比較 加載壓力和去除壓力時椎體的變形和復形 椎體的終板表面是凹陷的 在接近皮質邊緣處較厚 中央處較薄 終板有兩層 外層軟骨層和內層骨層 它是椎間盤和椎體的交界區 軟骨層是多孔層 營養從骨層通過軟骨層表面滲透到椎間盤 因此 終板的退變將影響椎間盤的營養而最終影響運動節段的功能 椎間盤營養從終板滲透而來 松質骨軟骨層營養滲透骨性終板 小關節 小關節為滑膜關節 位于脊柱的后柱 它們承受脊柱應力的20 其表面覆蓋透明軟骨 該關節有較強的結締組織關節囊 其中含有滑液 這些關節如果出現滑膜炎則會引起腰痛 小關節在脊柱的穩定性上起著重要作用 其解剖位置和方向影響著不同區域脊柱的活動度 小關節的退變或損傷可導致運動階段的功能異常 頸椎小關節的方向是冠狀面的 它對于屈曲 側彎及旋轉沒有限制 對伸展略有限制 因此頸椎的活動范圍較大 腰椎的關節面是矢狀位的 它限制旋轉的范圍 但不限制伸屈和側彎活動 正常頸椎的小關節 無關節囊 正常腰椎的小關節上關節突下關節突關節囊 小關節 韌帶 腰椎的韌帶結構 前縱韌帶后縱韌帶黃韌帶關節囊韌帶橫突間韌帶棘間韌帶棘上韌帶 脊柱的解剖與生物力學特點 脊柱韌帶附著在骨骼上的多功能結構 它既維持脊柱的穩定性 又保持脊柱的正常活動 更重要的是 脊柱韌帶保護脊柱及其神經結構避免過度活動的損傷 它們有多層 單一方向的彈力纖維和膠原纖維構成 韌帶不能抗壓力 在承受壓力時韌帶變皺褶 但它可以抗張力 以免運動階段活動過度而超過其生理范圍 韌帶 附著在運動節段的韌帶有七個 前縱韌帶 后縱韌帶 黃韌帶 關節囊韌帶 橫突間韌帶 棘間韌帶和棘上韌帶 韌帶的退變可以導致兩個脊椎間的活動范圍減小 韌帶的過度延伸可使運動節段活動范圍異常 從而產生牽引性骨刺而使椎管狹窄 韌帶 肌肉 正常腰椎的肌肉附著點旋轉短肌旋轉長肌橫突間肌棘突間肌 雖然肌肉不是運動節段的一個組成部分 但對脊柱的功能來說也是相當重要的 肌肉是一個活動結構 它通過屈伸和旋轉脊柱的關節或運動節段來使脊柱活動 肌肉提供脊柱重要的動態穩定和強度 它通過等張應力來承受外部的負荷 脊柱的肌肉分為前后兩組 根據它們與脊柱的關系 這些肌肉又進一步分為淺層 中成和深層肌肉 建議讀者自己復習這一部分的肌肉結構 遺憾的是 對于運動節段的各個肌肉的相關研究較少 需要作進一步的研究以了解肌肉促使脊柱運動和抵抗外力的機制 正常腰椎解剖 側位 中矢面所示正常年輕女性下腰椎 黑色箭頭所示為正常椎間盤及其高度 其它結構為 L4 L5髓核 NP 椎管內靜脈叢 BP 馬尾神經 CE 及黃韌帶 LF 同一標本 經椎弓根側矢面 纖維環邊緣不同的板層結構 AF L4神經根在L4椎弓根 P 下緣走出 小關節的關節軟骨 F 黑色箭頭所指為正常的椎體終板后唇 正常腰椎解剖 橫斷面及冠狀面 正常腰椎經椎弓根中部橫斷面 椎體松質骨粗糙的骨小梁 VB 骨小梁在近椎弓根出變得更致密 P 馬尾內可見分散的神經根 CE 小關節和其關節軟骨清晰可見 F 在椎體后緣和馬尾之間可見靜脈叢 經L2 L3 L4椎弓根正常腰椎冠狀面 LL2 4神經根 NR 出馬尾 CE 處 背根神經節 G 位于椎弓根下方 神經根行走于其下一節段脊椎的椎弓根側緣 L2 L3間馬尾兩側黑色區域為靜脈叢 運動節段的退變性疾病 脊柱退行性疾病的解剖改變是復雜多樣的 它是一個連續發展過程中 也可以同時發生在各個不同結構 運動節段的任何一個結構發生退行性變 都可以導致該節段的功能異常 退變開始于小關節或椎間盤 最終所有運動節段的結構都發生退變 椎間盤的變化 隨著年齡的增長 椎間盤經常是最早受退變影響的結構 到50歲時 95 的人都會有不同程度的間盤退變 但這并不意味著這些人都會有癥狀 最顯著的椎間盤改變為 髓核的水分和蛋白多糖的成分減少 纖維環水分和蛋白多糖的成分減少 但不象髓核減少的那么多 纖維環彈力纖維扭曲 由于纖維環彈力纖維扭曲 纖維板層可能出現撕裂 導致纖維環強度下降 椎間盤的變化 由于這些變化 椎間盤開始丟失高度和容積 并逐漸失去彈性和對外來負荷的阻抗力 髓核也由于水分的丟失而不能維持其內部靜水壓 不能有效的形變 纖維環也不能維持其網狀結構的張力 其結果就是椎間盤不能完全發揮其減震墊的功能 更多的軸向負荷從髓核中央轉移到髓核邊緣 導致椎體終板 椎體和小關節的解剖改變 椎間隙的狹窄同樣也導致節段不穩定 這更增加了其它結構的應力 尤其是韌帶 椎間盤的變化 正常與退變椎間盤之比較 右側退變的間盤有明顯的高度及容積的丟失 這是由于髓核及纖維環的水分和蛋白多糖丟失造成 同樣可見纖維環纖維的扭曲和斷裂 椎體的改變 退變所至椎體終板改變 隨著時間的推移椎體可以出現很多變化 其中兩個影響運動節段功能的變化是骨的硬化和骨刺的形成 退變隨年齡增長而出現 終板下的軟骨下骨形成增加 造成骨硬化 從而使該區域的血運減少 骨硬化對運動節段有兩個負面影響 首先 它減少了通過軟骨板滲透到椎間盤的營養 其次它使終板變硬 減震功能變差 椎體的改變 與間盤退變有關的椎體病變 椎體前后緣均有骨刺形成外緣骨刺椎間盤高度降低骨刺突入椎管及椎間孔 退變同時也影響椎體造成骨刺形成 這些骨性突出也稱為牽引性骨刺 位于椎體邊緣 由于間盤的高度和容量的丟失 骨刺可能對于穩定脊柱運動節段有一定的機械效應 但如果骨刺突入椎管壓迫神經 也可以造成不良后果 小關節的改變 盤高度丟失導致小關節騎跨 造成關節軟骨磨損 關節突增生 小關節騎跨增生骨刺間盤高度丟失軟骨磨損 小關節的退變類似于其他關節的退變 嚴重的創傷或反復的微創可以導致非特異性滑膜炎 覆蓋于觀表便面的透明軟骨逐漸丟失其水分 最終軟骨完全磨損 關節囊松弛 關節突互相騎跨 導致關節對合不佳 運動節段功能異常 韌帶的改變 盤高度丟失導致小關節騎跨 造成關節軟骨磨損 關節突增生 小關節騎跨增生骨刺間盤高度丟