脊柱及椎间盘的生物力学分析

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脊柱及椎间盘的生物力学分析

近年来，脊柱以及椎间盘的损伤与疾病已经成为临床骨科领域的常见病和多发病，也是临床骨科医师在日常门诊工作中所面临的主要问题。为了更好地理解，诊断，治疗脊柱与椎间盘系统的疾病，骨科医师就应采用力学的事实，概念，原理和数学，来解释人体正常及异常的解剖生理现象。因此，生物力学也就成为现代骨科医师必须具备的理论基础。鉴于此，笔者仅对脊柱及椎间盘的生物力学问题作一浅析，与同道们共同探讨和借鉴。

脊柱系由椎骨，韧带及椎间盘等连结构成的人体中枢支柱。其结构复杂，且功能较多，又同时具有静力学特点和动力学特点。正常人的脊柱有7个颈椎，12个胸椎，5个腰椎，五个相互融合的骶椎和3-5个微动的尾椎构成。除环椎与枢椎的的结构特殊外，其它各椎的形态则大同小异，但在不同部位，其形态和大小也有不同。腰椎支持整个躯干的重量，所以较为粗大，在成人其横径为 4.5-5厘米，矢径约为3-3.5厘米，厚约2.2-2.5厘米。胸椎较小，横径约为3-3.5厘米，矢径约为2.5厘米，厚约为2-2.2厘米。颈椎仅支持头部的重量，所以更为细小，通常横径约为2.5厘米，矢径约为1.5-1.7厘米，厚约为1.5厘米。椎体主要由松质骨构成，外包以薄层硬质骨，上下边缘有隆起的骨环，称为骺环，椎间盘的软骨板就位于其中，除骶尾椎以外，各椎骨之间均以椎间盘相连。椎体两侧的椎弓根与椎板相连，椎弓与椎体之间的孔隙形成椎孔，上下椎孔相连形成椎管。关节突在椎弓根和椎板的移行部，向上下个伸出一对关节突，上关节突起于椎根，下关节突起于椎板。椎间孔的上下壁是椎根的切迹，其前壁为椎间盘，后方为小关节的关节囊及部分黄韧带。横突在椎弓的上下关节突发出部的中间，骶骨和尾骨没有横突，第三腰椎横突最长，所受腰肌牵拉最多，常导致腰肌筋膜附着点发生劳损，在临床上成为常见腰痛原因之一。棘突在椎弓后方正中，上面附着丰厚的背伸肌，形成系列杠杆。椎间关节：除环枢关节和骶椎外，其余椎体间均

以椎间盘相连，椎间盘总数为23个，构成脊柱全长的四分之一。成人椎间盘是无血管组织，主要由纤维环，髓核，软骨版三部分组成。髓核是纤维环中间所包裹的胶状物质，其上下两面是软骨版，成年人髓核与纤维环之间没有明显的界限。

脊柱的功能是在各种体位支撑躯干，并且为躯干的各种运动提供足够的机动性，同时保护脊髓不受损伤。日常生活中的复杂躯干活动，如弯腰，扭转，负重等，都必须要极其稳定地完成，这些运动是椎骨与肌肉高度复杂的相互作用，协调一致方能完成。但是，尽管脊柱在上述的解剖学中结构完整且又科学，它仍然容易发生力学损伤，讨论这些力学因素，对临床骨科工作者的诊断与治疗具有极大的指导意义。脊柱在结构上能耐受相当大的挤压而不损坏，这是由于重叠连结的每个椎体及椎间盘均匀受力，每个单元纵形压缩并向侧方膨胀，这就是缓冲作用。临床上造成椎体压缩骨折主要取决于两个因素：一个是锥体结构的几何学，一个是锥体结构的质量。同样质量的胸椎因比腰椎的面积和体积小，在受到挤压时，所承受的负荷相对就大，因此在临床上出现压缩骨折的机会就多。椎体和椎间盘在相同的应力下，前者比后者变形少，这种变形称为压应变，椎体，椎间盘只有受到挤压时才被压缩，也就是说只有压应力出现时才产生压应变。脊柱最常见的损伤是椎体的压缩骨折，但比椎体更容易变形的椎间盘为何不首先破裂呢？这取决于椎体与椎间盘达到断裂点的极限强度不同，椎体骨质的强度比椎间盘大，在应力低于破坏骨质所需的应力时，椎间盘发生的压应变比椎体大若干倍，此时所有的压缩位移都在椎间盘，只有椎间盘的形变达到最大时，椎体骨质才开始破坏，正是由于椎间盘良好的缓冲性，所以它在受到挤压时，并不会首先出现破裂。以上简述了脊柱力学方面的压应力的一些问题，下面就脊柱力学中的其他几个问题介绍如下： 张力（拉力）问题 骨科医师经常用骨牵引治疗脊柱骨折，脱

位和某些椎间盘突出症，试图用牵引力将变位的骨折及突出的椎间盘复位，所用之力即为拉力。牵引力被体重以及反作用的肌力所抵消，继而牵拉锥体，椎间盘和有关的韧带，在牵引之下，间盘变窄，减轻突出，在椎体移动下通常可以使骨折复位。拉力与压力的不同之处在于加在椎体上的作用方向不同，导致椎体及间盘形变的式样不同。剪力（切力）问题：所谓剪力就是平行于身体的作用力。骨科医师在颈，腰椎牵引时，通常抬高床头，这种方法的理由是身体向上的角度由于体重而使病人与床间的剪力增大，起到对抗牵引的作用。脊椎滑脱


同样是由于剪力的作用，滑动的程度取决于椎体和椎间盘结合处平行力的大小，脊柱前倾时，体重在垂直方向作用，在腰骶部产生的压力小而剪力大，此时如果椎间盘和椎旁韧带不产生等值反向的应力，那么这种剪切力就引起滑动，造成一个椎体向另一个椎体前方滑动。应该注意，在卧位X光片看来是一度滑脱，在前倾立位X光片看，则可能变为三度滑脱，这就是前倾剪力增加的结果，这一情况往往被临床骨科医师所忽视。还应注意的是：在日常生活中脊柱所受到的纯粹的压力张力及剪力是不常有的，因为身体支撑结构的形态不规则，脊柱在有负荷的情况下，会发生身体的旋转或弯曲，这种偏心性负荷就会导致脊柱的弯曲，此时，脊柱的不同部位同时出现张应力和压应力。如脊柱屈曲时，后凸侧的各韧带受到牵拉而前凹侧的椎体和椎间盘则受到挤压。 应力集中问题 我们知道，椎间盘的主要作用是使应变均匀地分布给椎体，椎间盘的弹性模量比椎体低，脊柱能够弯曲，主要是椎间盘产生的形变，每个椎间盘起着一个关节的作用，并缓冲纸条的压应力。当椎间盘发生退变，椎间隙变窄时，该节段的活动度就明显变小。椎间盘丧失功能时就可使相邻的椎间盘及椎体在屈曲时出现较大的形变及更大的弯应力。因此，椎间盘退变导致应力集中。同样道理，临床上做脊柱融合术后，相邻未融合节段的应力必然增大，出现疼痛，甚至造成融合的下方发生脊椎滑脱。这就是应力集中造成的后果。这就提醒骨科医师在做各部位椎体融合术时，要尽可能地限制融合节段，避免过多。充分考虑到应力集中可能导致的其它临床问题。

以上简要地就有关脊柱及椎间盘的生物力学问题做一回顾及分析，期望对脊柱及椎间盘系统疾病与损伤的临床诊断及治疗工作有所帮助。



参 考 文 献

[1] 刘润田.脊柱外科学.天津科学技术出版社.1981. [2] 黄殿栋.腰背痛.黑龙江科学技术出版社.1983.

[3] Radin.SiMon等.PRACTICAL BIOMECHANCS FOR THE ORTHOPEDIC SURGEON.1979.

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