[临床医学]脊椎病因病理植物神经.docVIP

第十节 脊柱和脊髓的生物力学 脊柱能保持人体呈直立位，同时承受挤压、牵拉、弯曲、剪切和旋转应力。脊柱主要有3个基本的生物学功能，即将头和躯干的载荷传递到骨盆；提供在三维空间的生理活动和保护脊髓。近年来，脊柱生物边学一直是一个很活跃的研究领域，并通过对脊柱生物力学的研究，为脊柱外科伤病的防治提供了不少的新概念和新理论，对临床工作具有重要的指导意义。 一、脊柱的功能单位（FSU） 脊柱的功能单位，即活动节段，由相邻的两个椎骨及其间的软组织组成。FSU的前部由椎体、椎间盘和前、后纵韧带组成；其后部包括椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带。FSU能显示与整个脊住相似的生物力学特性的最小功能单位。不少研究表明，对FSU施加载荷，可出现三维六自由度运动，即产生3个位移和3个转角。在三维六自由度运动曲线中，其中一条为主运动曲线，表示与加载方向一致的运动，其他5条为耦合运动曲线，代表其他方向的运动。虽然FSU在功能性运动或静止状态下，始终承受着不同的荷载，但其主要承受轴向压缩荷载（图1-58）。 二、脊柱活动和脊柱的稳定性 脊柱活动通常是多个活动节段的联合动作。由一椎间盘和小关节的存在，在脊柱能沿横轴、矢状轴和纵轴活动。换言之，正常脊柱能够前屈后伸、左右侧弯和轴向旋转。由一小关节面的排列方向不同，不同节段的活动幅度也各不一样。颈椎关节面的方向接近水平，故能做较大幅茺的屈伸、侧屈和旋转活动；胸椎的小关节面呈额状位，加之肋骨框架的存在，使其活动受到一定的限制；腰椎的小关节面与横截面呈900，与冠状面呈450，其伸屈活动幅度从头侧至尾侧逐渐增大，而旋转活动幅度则受限明显（图1-59）。另外，由于小关节面的排列各异，当脊柱做水平旋转活动时，其轨迹的中心也不相同，颈椎的轨迹中心位于前方体外，胸椎在前方体内，腰椎位于后方体外。因此，只要小关节少许活动，即可引起损退变和损伤性关节炎。脊柱屈曲的最初500-600主要发生在腰段，随后骨盆前倾可提供进一步屈曲。躯干侧屈活动位于胸段与腰段脊柱。颈椎和上胸椎侧屈时伴有旋转，棘突转向侧屈的凸侧；腰段 则相反，侧屈时棘突转向侧屈的凹侧。 脊柱具有内源性稳定和外源性稳定。前者靠椎间盘和韧带，后者靠有关肌肉，特别是胸腹肌。内源性稳定是：椎间盘髓核内的压应力使相邻椎体分开，而纤维环及其周围韧带在抵抗髓核的分离压应力情况下，使椎体靠拢，这两种不同方向的作用力，使脊柱得到较大的稳定性。一般认为，脊柱外源性稳定较内源性重要。失去内源性稳定，脊柱的变化较缓慢，而失去外源性稳定，则脊柱不能维持其正常功能。如脊柱侧凸症，无论是麻痹性还是特发性，若失去外源性稳定，脊柱即开始出现原发性侧弯，继之出现代偿性侧弯，整个脊柱可发生明显的畸变。而失去内源性稳定时，脊柱的畸形变往往不明显。脊柱的内源性或外源性稳定结构遭受破坏，均可影响脊柱的稳定性。 脊柱不稳是指脊柱的生理荷载下，不能维持椎骨之间的正常位置而发生的过度或异常活动。目前，对脊柱不稳的诊断标准仍有争论。一般认为，在屈伸侧位X线片上，如腰椎椎体间的水平位移大于3.0mm，转角大于10度，即为腰椎不稳定。 三、脊柱负荷与应力分布 物体所支持的力，称为负荷。脊柱是负荷结构，虽然脊柱需承受牵拉、弯曲和旋转负荷，但它主要承受的是压缩负荷。外部负荷作用于脊柱，椎骨和椎间盘即产生应力和应变。由于椎骨的弹性模量明显大于椎间盘，因此，椎间盘更易产生应变。 在大多数情况下，椎体和椎间盘承受了大部分载荷，小关节面仅承受0%~33%的载荷。椎体承载后，载荷可从椎体上方的软骨终板，经过椎体外壳的皮质骨或中部的松质骨，而传递到下方软骨终板。光弹性试验结果表明，腰椎椎体是主要承载结构，由于生理前屈的特点，其后部应力大于前方，小关节则仅承受小部分载荷（图1-60），椎体的强度随着年龄的增长而减弱，椎体对压缩载荷的承受比例，40岁以下为皮质骨45%，松质骨55%，40岁以后为皮质骨65%，松质骨35%。有研究证明，椎体骨组织减少25%，其强度将减弱50%。 四、椎间盘的生物力学 椎间盘构成脊柱整个高度的20%~33%，其主要生物力学功能是对抗压缩力，但对脊柱活动也具有决定性影响。 椎间盘是脊柱的主要承载结构。脊柱承受较小的荷载时，由于椎间盘的弹性模量大大小于椎体，很易发生变形，因而能起到吸收振动、减缓冲击和均布外力的作用。当载荷增加到一定程度时，骨骼首先破坏，软骨板发生骨折。椎间盘的抗压力能力很大，腰椎间盘能承受的最大压力：青年人为635.6kg，老年人为158.8kg；能使腰椎间盘破坏的压力：青年人为453.6~777.1kg，而老年人仅为136.1kg。Nachemson报告，当人体站立位承载50kg时，腰椎间盘需承受100~300kg的力。 椎间盘具有中向异性的特点，即其机械性能与结构和作用力的方向有着密切的关