脊椎的生物力学

出处：按学科分类—医药、卫生 中山大学出版社《脊髓损伤》第37页（7552字）

脊柱具有静力学和动力学的特点，具有支持头部和躯干、保持头和上半身平衡、吸收作用于脊柱的外力和震荡力、保护脊髓和胸腔内脏器及腹腔内脏器、生产红细胞的功能。脊柱由其周围韧带及椎间盘提供内源性稳定，而脊柱周围肌肉则给予外源性支持。脊柱的活动节段(motion segment)或功能单位由相邻两节椎骨及其间的软组织构成，椎体、椎间盘和前、后纵韧带构成活动节段的前部，相应椎弓、椎间关节、横突、棘突和黄韧带、棘上、棘间韧带等则构成活动节段的后部(图1－55)。

图1－55 运动节段

一、脊柱的曲线

从正面看，脊柱是直的。从侧面看，成人的脊柱有4个生理弯曲。但婴儿早期只有头尾凸向后面的一个弯曲，随年龄增长，幼儿会抬头和坐起运动后才有颈前凸，站立行走后才出现腰部前凸。这4个弯曲是(图1－1)：颈前凸：第1颈椎至第2胸椎；胸后凸：第2胸椎至第12胸椎；腰前凸；第1腰椎至第5腰椎；骶后凸：位于骶骨。

颈前凸的顶点在第4、第5颈椎。胸后凸是胎儿的原始弯曲，随婴儿坐起与站立而变得更加明显；同时，其弯曲与胸椎椎体后方较高有关，胸椎后凸是站立与平衡所必需的。腰前凸随婴儿坐起而出现，站立行走后更加明显；同时，其弯曲与腰椎椎体及其椎间盘前高后低有关。骶后凸是在胎儿时就形成的弯曲。因此，颈前凸、腰前凸是继发性弯曲，若有上牵拉力或下牵拉外力作用于脊柱，颈弯曲及腰弯曲是可变直的。

老年人的椎间盘脱水及退行性改变，使其脊柱的颈前凸及腰前凸逐渐消失，而使胸后凸逐渐加重，即成老年性驼背。

脊柱与骨盆接合处成45°～60°角，脊柱承担的重力可经骨盆而传到双下肢，如此可减轻脊髓的震荡。

二、脊柱的运动

任何两个相邻椎体间的运动范围都很小，但脊柱的活动范围很大。脊柱可以沿3个轴运动，即最灵活的额状轴的屈伸运动、矢状轴的侧屈运动和纵轴的旋转运动(图1－56)。此外，脊柱尚能做弹跳运动，如跳跃时。在运动过程中，椎间盘可以减少冲击和震荡，构成坚固而又富于弹性的连接体，椎间盘越厚，脊柱的运动越大(图1－57)。椎间盘是脊柱可弯伸的重要因素。相邻两个椎体加上其间的椎间盘是一个活动节段。椎间关节有万能关节之称，它有4个轴线的活动，即水平轴线的上下挤压或分离，横轴线的前屈后伸和矢状轴线的矢状侧弯及垂直轴线的旋转运动。同时椎间关节可限制各个方向的过度运动。黄韧带、棘间韧带、棘上韧带及后纵韧带在脊柱前屈时紧张，借助其弹性也可以使脊柱伸直。前纵韧带可以防止过伸，横突间韧带可以限制过度的侧方运动。

图1－56 椎骨和椎间盘的运动方向

图1－57 脊柱屈曲活动时椎间盘的作用

头可以在各个方向上运动。寰枕间的椭圆形关节和寰枢间的枢轴关节联合产生三轴运动，成为一个“球与凹”型的关节，并因有翼状韧带和十字韧带加强，显得特别坚固。

颈椎关节突的关节面方向接近水平，颈段脊柱可做较大幅度的屈伸、侧屈和旋转运动。屈伸运动主要在寰枕关节发生，下颈段屈伸时，其运动范围大致为29°，椎间盘的厚度随屈伸发生改变。正常颈椎屈伸瞬时中心由上向下逐渐移向椎体的前上方。颈椎屈伸时，椎间孔的大小亦发生变化，前屈时扩大，后伸时缩小。颈椎旋转运动主要发生在寰枢关节，可达47°，占整个颈椎旋转运动的一半。枕颈屈伸范围共35°，后伸为25°，前屈为10°，并能轻度侧弯。寰枢椎的活动主要是旋转活动，是围绕齿状突进行的，其旋转度占整个颈椎旋转度的50%。愈靠下的颈椎活动节段，其旋转度愈小，如第6至第7颈椎节段的旋转度比第4至第5颈椎的为小。此外，寰枢椎间尚有5°～15°的屈曲活动、10°的后伸活动。下颈椎活动度很大，前后屈伸及左右侧弯均可达90°，第4颈椎与第5颈椎间的伸屈活动度最大。颈椎伸屈的或侧、弯的中心线在椎体内，旋转的中轴线在椎间盘内。每节段活动时，椎间盘如球在两椎体间旋动，而小关节则以滑动来引导椎体间的伸屈或侧弯。

胸椎的伸屈活动受胸廓的肋骨框架和与水平面成60°角的小关节所限制，伸屈及旋转的轴心均在椎间盘。椎体间的摇摆活动(rocking－motion)由小关节来引导。胸椎上节段的伸屈幅度有4°，中部的为6°，下部的为12°，侧弯幅度为上节段6°，下节段8°～9°。胸椎旋转幅度有40°，旋转时合并有侧弯，由上到下，其旋转范围逐渐改变。

腰椎小关节互成90°角，即上椎体的下关节突位于外侧，这对腰部旋转有限制，但有利于腰部伸屈活动。一般来讲，小孩腰部伸屈最大幅度为80°，老年人仅为20°，伸屈幅度最大的节段在第4至第5腰椎节段(约20°)。侧弯幅度为6°，腰骶部的略小一些。伸曲屈加旋转时，中心线在椎间盘。每节段的旋转幅度为2°，而腰骶部的为1．5°。人行走时，骨盆、腰椎和第7至第12胸椎成为一个旋转单位。腰椎旋转的轴心在椎体后方，因而增加对纤维环的剪力，是易于伤及椎间盘的。

由于性别、年龄及平时锻炼的个体差异，很难得出正常脊柱功能活动幅度，也无法测得每个功能节段的活动幅度。一般来讲，脊柱最初50°～60°的屈曲主要发生在腰段，骨盆的倾斜可使脊柱进一步屈曲。胸段脊柱由于关节面方向、肋骨框架限制及棘突近乎垂直，几乎不能屈曲，所有脊椎活动由肌肉控制。脊柱的侧屈运动位于胸段和腰段脊柱，胸椎关节面的方向允许做一定程度的侧屈，但又受肋骨框架的限制。脊柱的旋转运动主要发生在胸段和腰骶段，旋转总伴有侧屈，二者具共轭性。若一节段异常(因融合或畸形)，则邻近节段的活动代偿性增加。骨盆总是参加脊柱活动，当有一髋异常融合时，腰椎活动必然增加。

骨盆的倾斜可增加躯干特别是腰段脊柱的总活动度。腰段脊柱的屈伸幅度由上向下逐渐增加，到腰骶段可达20°。侧屈幅度在腰段为6°，腰骶段为3°，旋转幅度向下逐渐减少，下腰段仅为2°，但至腰骶段又增加为5°。

脊柱的后伸范围较小，伸脊柱的肌肉主要为竖脊肌各肌柱。脊柱的旋转与侧屈密切相关，前屈时侧屈与旋转一同朝向凸侧，后伸时侧屈与旋转一同朝向凹侧。旋转轴位于椎体中心，腰椎关节突的关节面方向妨碍旋转运动，胸椎则妨碍侧屈运动。腰椎侧屈相当灵活，而旋转运动极小。

脊柱的运动是由很多深浅部位不同、大小和长度不同的肌肉共同作用而成的。从肌肉的长度和直径，以及其附力点的杠杆长度来计算相对肌力。来自肌力或地心引力的纵向压缩对脊柱的扭转动作，离直线愈远愈大，所产生的畸形如腰前凸增大、减少或侧凸也愈明显，变形也愈大。肌肉附力的杠杆愈长，扭转力愈大。各组肌肉扭转活动的相对功率，几乎完全依赖于杠杆长度，也依赖于肌肉和杠杆方向之间的夹角，愈接近直角，拉力也愈有效。

脊柱肌肉是控制姿势的重要因素。在这方面，脊柱肌肉活动的频率和力量是不可忽视的。刺激足部可引起脊柱反射性收缩和姿势的改变，伸展反射能促进畸形的发生。在反射活动中，关节神经传入的重要性是明显的，关节囊或韧带的断裂既有引起直接的力学影响，也有间接的反射影响。

三、脊柱各部的生物力学

(一)椎体

脊椎骨由上到下逐渐变大，承受的压力也从第1颈椎到第5腰椎逐渐增大。40岁以内的人，椎体内骨松质担负50%的压力；40岁以上的人，骨松质支撑力逐渐减小，仅可担负35%的压力，但60岁以后其支撑力减小的速度变得慢一些。35岁以后，由于骨量的减少，椎体的强度随年龄增长而逐渐减弱。椎体骨组织减少25%时，其强度将减弱50%。椎体由皮质骨组成外壳，其内为松质骨，上下面为软骨终板。椎体承受头部及躯干大部分载荷，由上方软骨终板经皮质骨、松质骨传递到下方软骨终板。老年人特别是经绝后妇女，由于椎体骨密度明显降低，脊椎骨质疏松，横的骨小梁已被吸收，负担压力的能力变小，就是在没有外伤的情况下，也可发生多个椎体压缩骨折，这是由其上面的重力和肌肉收缩所致。有半数的实验性脊椎压缩骨折，折骨愈合后其骨松质的支撑力反而加大，这与其骨小梁增生及骨化有关。

(二)椎间盘

当人站立时，一个椎间盘承受的压力，比它上面的体重还要大。Nachemson(Acta Orthop Scand．1960；Suppl43：1－104)测得人在坐位时一个椎间盘所承受的压力比躯干重量大3倍，人跳跃时椎间盘所承受的压力比人静止时大2倍(即体重的6倍)。脊柱屈伸、侧弯时，椎间盘一部分受到牵拉(张力)，另一部分受到挤压。当躯干在骨盆上扭转时，椎间盘还会受到剪力(Shear Force)。所以脊柱屈曲加旋转时，可使腰椎间盘同时受到张力、压力和剪力的作用。

正常椎间盘受到上面的压力一般不会破裂，压力加大常常引起软骨板和椎体破裂或骨折。椎间盘的纤维环与椎板成30°角，每层纤维环之间互成120°角，所以椎间盘承受较大的压力而不破裂。当载荷增加到破坏程度时，椎骨首先遭到破坏，而椎间盘可保持完整。临床上施莫结节(Schmorl’s node)的出现系因软骨终板破裂，椎间盘内物质进入椎体所致。

椎间盘在力学上具各向异性特点，其机械性能与结构和作用力的方向密切相关(图1－58)。椎间盘通常承受压缩、弯曲和扭力的组合。椎间盘的结构有利于对抗压缩，但对张力特别是扭力耐受较差。扭转常为椎间盘损伤的原因。扭力与压缩力一起作用时，首先使纤维环破裂，然后使髓核突出。正常椎间盘在前后向与侧向足以抵抗一般外力，只有在剧烈外力时，才能使椎间盘发生异常水平移位。实验证明，脊柱屈曲加旋转时受力是损伤椎间盘的主要原因。正常椎间盘扭转16°才会发生损伤，而退行性变的椎间盘扭转14．5°即可发生损伤；要有260N／mm²(58．5磅／英尺²)的平面剪力才能使椎间盘破裂，而在临床上极少见到如此大的剪力。

图1－58 脊柱屈曲时枢轴作用点

椎间盘内是半流体胶状的粘弹性物质，在密封下受力只有变形而不变容量。但该物质具有蠕变和滞后现象。蠕变是指椎间盘受载后，即使载荷不变，也会随受载时间的延续而持续变形。滞后是指椎间盘反复受载和去载时的能量丢失。椎间盘即借滞后作用而吸收震荡，从而防止损伤，载荷愈大，滞后作用也愈大。老年人因椎间盘变性，弹性降低，其贮存能量和分布应力的能力也逐步丧失，抗载能力因而减弱。

人跳跃时震荡力从脚传到脑，基本上被椎体和椎间盘所吸收。体重轻的年轻人滞后力大，即吸收震荡力强；体重大的和年岁大的人其椎间盘滞后力就小。震荡力反复作用于同一个椎间盘，其滞后力就会变小，也就容易发生椎间盘破裂。所以，汽车司机、摩托车司机得腰椎间盘突出症的较多。

根据Brown(1957年)测量，脊柱前屈位的轴心压力(axial load)反复1000次，可引起椎间盘破裂。这说明它的疲劳容纳度(Fatigue tolerance)是很小的。Adams MA(．J Bone Joint Surg Br 1983，65：199－203)用离体的18个人的腰椎做同样的试验，41个椎间盘中23个有纤维环突出，完全破裂者都是其后方破裂，其中一部分为椎间盘向双侧后外方突出，纤维环由内向外破裂，也有的椎间盘向正后方突出。这可说明临床上见到的双侧腰椎间盘突出症及中央型椎间盘突出症的发病原因。

腰椎间盘的压力测量方法是：用腰椎穿刺针刺入第3、第4腰椎之间，当手持20kg重物呈站立位时，椎间盘承受的压力约3倍于此人的体重；当重物减到10kg而腰向前屈曲时，其椎间盘所受压力增加到1900N，即19倍于体重。反过来讲，若人仰卧，椎间盘所受的压力比站立位的减少50%～80%。因之，对急性腰椎间盘突出症患者的要求是严格卧床休息。

椎间盘是人身上缺血的组织之一，活动度又大，特别是下颈椎段的及下腰椎段的承受应力较大，故它是人身上最早出现退行性改变的组织，尤以下颈部的及下腰椎部的病变出现率较高。肋骨有稳定和加强脊柱的作用，故胸椎间盘突出症比颈椎间盘突出症或腰椎间盘突出症少。

(三)脊柱的关节

脊椎后关节(或名小关节)是滑膜关节。在直接压力下，脊柱小关节承担的压力为33%；在脊柱旋转时，它承担45%的压力。在颈椎段，上椎体的下关节突盖着下椎体的上关节突，它与地面成45°角；胸椎关节突呈圆形，与地面成60°角；腰椎的关节突与地面几乎成90°角(图1－59)。从后面看上位颈椎的上关节突盖着相邻下位颈椎的上关节突，到胸椎中部则两邻两关节突成60°的斜面，到腰椎则相邻两关节突呈侧向对侧面了，即下关节突移到外侧面了。

图1－59 胸腰椎小节的方向

(四)韧带

脊椎间韧带包括前纵韧带、后纵韧带、棘突间韧带、黄韧带等，它们与椎间盘组成脊柱的内在平衡系统。周围的韧带承担脊柱大部分张力载荷。除黄韧带以外，其延伸力均极低，因此可与椎间盘一同提供脊柱内源性稳定。各韧带能控制脊柱各种活动于生理范围内，保持一定姿位；其吸收能量的能力尚能保护脊髓免受损伤，但这种能力随年龄增长而减退。

黄韧带含较高比例的弹性纤维，在脊柱屈曲时伸长，伸展时缩短，并能保持恒定的张力。这种张力可使椎间盘内出现持续的“静止”应力或预应力。椎间盘内始终保持一定的内压，有利于脊柱的稳定。休克或丧失知觉的病人，其肌肉无力，即失去外在平衡，因此，搬动此类病人时，容易损伤其韧带乃至使其韧带断裂。骨韧带、骨的组织，在受到外力的缓慢作用时，产生撕脱性骨折；若受到外力的快速作用时，即产生韧带断裂。

(五)椎骨后部结构

脊柱后部结构对脊柱活动起控制作用。椎间盘与椎间关节面承载的分配随脊柱姿位而不同，后者从前屈到后伸时，约承载0～33%，在过伸位时，承载特别明显。椎弓与椎间关节尚具有重要的抗剪切力功能。椎弓峡部不连或关节突损伤时，椎体即可向前移位，引起滑脱。横突和棘突是腰背部众多肌肉附着部位，不仅提供脊柱运动动力，也参与保持脊柱内源性稳定。

(六)脊柱外结构

胸廓的肋骨框架最重要的力学性能为增加惯性矩，加强胸段脊柱抗旋转能力。肋骨框架可保护脊柱前方和侧方免受直接打击。肋椎关节及其周围韧带还可加强脊柱抗位移和吸收能量的能力。肋骨框架可使脊柱的轴向强度增加40%。脊柱侧凸时，其对抗牵张的能力减弱。

脊柱周围的肌肉是保持姿位的必需条件。腹肌和腰肌可开始启动脊柱的屈曲，躯干的重量更使屈曲进一步加大。屈曲越大，力矩越大。竖脊肌的收缩逐步增强，可控制过屈，而髋部肌肉可控制骨盆前倾。脊柱完全屈曲时，竖棘肌不再起作用，仅由后部绷紧的韧带使向前的弯矩得以维持被动的平衡，长期弯腰姿式可使腰肌力量减弱而发生慢性劳损。脊柱后伸时，竖棘肌所做的向心性收缩功大于屈曲时所做的离心性收缩功。开始后伸时，由腰背肌产生动力，进一步后伸时，腰背肌的活动减弱而由腹肌控制和调节，但过伸时又需要腰背肌的活动。

四、脊柱损伤的生物力学

脊柱是一个非常复杂的结构，脊柱的活动很少是单一的，常是两种或两种以上的组合。如水平方向的平移常和矢状方向的旋转一同活动，侧屈亦常伴有水平和垂直轴上的旋转。

脊柱损伤后，在分析其机理时，除了分析载荷、位移和骨折脱位类型外，还必须明确瞬时旋转轴(IAR)，以决定力的作用。如纵向暴力在IAR之前即引起前屈，在IAR之后即引起后伸。结合暴力的方向和大小、IAR及每一活动节段所处的位置，即可得出受不同性别、年龄个体的骨骼和韧带刚度及能量吸收能力也不相同，因此损伤后果也有差异。一般情况下，骨折常先于韧带损伤。X线片上如椎体前后有明显分离，常提示前、后纵韧带断裂，多与轴性旋转有关。脊柱不同活动节段的解剖特点有助于对伤因进行分析。如胸腰段损伤多因腰椎刚度突然增加而导致应力集中，而腰椎椎间关节面的排列方向在旋转暴力损伤时常致椎间关节和后部附件的骨折。

引起脊柱损伤的外力对判断脊柱损伤的稳定性很有帮助。不同外力如屈曲或伸直，侧屈或旋转，以及压缩或牵拉，常在许多方面结合共同作用。屈曲牵拉所引起的损伤不同于伸直牵拉，旋转损伤又不同于单纯沿纵轴的压缩，分析具体损伤的目的在于决定采用合适的治疗。