脊柱生物力学的性质与功能

一、椎体的生物力学性质

（一）椎体显微结构与力学性质

椎体由骨松质和骨皮质的外壳组成。骨皮质由薄板状骨构成，板状骨层之间由黏固线（cement lines）连接，黏固线平行于骨皮质长轴方向。黏固线在人骨皮质中比邻近骨所含钙和磷酸盐的浓度低，故提供了一个屈服界面。骨松质的显微结构不同于骨皮质，它是由薄板状结构单元构成，称为小梁袋（trabecular pockets），小梁袋周围有几个黏固线随机排列，并构成嵌合体样（mosaic-like）结构，提供一个屈服界面。由于骨和黏固线的刚度不同，交界面的蠕动应力较强。

从人体腰椎骨皮质与骨松质的疲劳试验后发现，骨皮质产生的裂纹从表面开始，并通过板层之间扩展，产生一个“Z”字形断裂和横形骨折，骨折面粗糙，表明有许多能量释放，使骨皮质产生缓慢的裂纹扩展和高的疲劳强度。骨皮质黏固线通过明显的刚度变化，可阻止和减少裂纹扩展，从而增加了抗疲劳的强度，这种黏固线的作用机制是Bun提出的。

骨松质在疲劳断裂前有较大的应变（strain），骨折面呈光滑的斜形或杂乱无章两类。光滑的骨折面说明能量驱散作用小、裂纹扩展快和疲劳强度低，骨小梁裂纹将沿“骨-黏固线-骨折”的路径扩展，而不是沿骨皮质的“骨-黏固线-骨-黏固线-……”的路径扩展。

骨的结构比任何工程结构都复杂，从分子水平和超分子水平理解力学性质是非常重要的。骨分子水平的力学性质可以用填充聚合体来解释，此法可产生满意的张力性质模型，并可加入各种关键变异的因素来解释骨折的机制。填充聚合物包括骨胶原基质和羟磷灰石晶体，通过模型在屈服点和断裂点之间应力水平反复作用下产生塑形变形，在这个范围内最终断裂之前，复合体通过基质——填充物脱离连接来吸收能量。这里出现断裂的机制是界面脱节，这个概念得到许多文献的支持。基质和填充物之间的黏着力很大地影响着合成体的强度，在活体骨疲劳试验中产生的断裂机制和裂纹扩展与界面脱节一致，界面脱节是重要的断裂机制，也提示羟磷灰石从胶原基质中部分脱节，可以反映出随年龄的增长和疾病状态下，材料性质发生的退变。

（二）椎体骨皮质的力学性质

椎体骨皮质的压力强度比骨松质高，在压力载荷下显示出很高的强度，它大于旋转、屈曲载荷的强度，也大于单轴拉-压载荷下的压力强度，这符合骨皮质主要承受压力载荷的生理功能。

椎体及骨皮质的弹性模量约为12 000MPa，远远大于骨松质100MPa的弹性模量，但骨皮质的骨密度却低于骨松质的6%。在初期承受载荷中，弹性模量逐渐下降，平均下降6%，在刚度减少后弹性模量趋于稳定。骨皮质通过增加非线性载荷行为，出现弹性模量下降和滞后现象增加。

（三）椎体骨松质的力学性质

在椎体中，骨皮质对全部的强度起重要作用，但骨松质很重要的作用是作为一个应力分布者。测定骨松质的疲劳强度，比理解它正常力学性质、生理载荷行为，以及它在显微水平对骨矫形过程中的反应更为重要，包括骨小梁的疲劳骨折和骨重建机制。

骨松质的压力强度和弹性模量均低于骨皮质，它不同于其他材料，在裂纹发生时不仅出现弹性模量下降，还出现刚度增加和非线性滞后现象增加。在循环压力下，骨小梁断裂是限制在弹性方式产生的，疲劳寿命与初始的最大应变有密切关系，是由板与板之间位移而确定的。在高应力作用下，弹性模量进行性下降，在疲劳断裂前骨松质发生很大的应变，主要集中在标本的两端，中央应变明显减少，两端的局部应变是中央的2～4倍。初期较大的应变不同于骨皮质，提示了骨松质具有提供应变的功能。在高与低应力的循环疲劳中，弹性模量下降程度不同，提示了裂纹是由低应力高循环产生的，而高应力低循环中，则产生显微损伤的积累和蠕动变形。

二、椎间盘的生物力学性质

椎间盘是一个非常复杂的结构，它类似一个汽车轮胎，有一层纤维性的外胎，即纤维环，包裹着一个胶性的内胎，即髓核。纤维环的纤维可分为3层：最外层纤维附丽在两个椎体之间，位于骨骺环深层之外；中间层纤维附丽在相邻椎体的骨骺环上；最内层附丽在相邻的透明软骨板之间。椎间盘有足够的压缩刚度支撑重力。

（一）软骨终板的力学性质

脊柱负荷的重力是通过软骨板而传递到髓核的。软骨板内无血管，这种解剖特点适应它的功能要求，否则，如果负荷是通过有血管的组织传递，例如骨组织，局部压力将阻断其血管供应，进而易发生骨的缺血性区域坏死。软骨板的弹性模量为500MPa，在压力状态下周围应力较均匀，最大应力分布在中央。在循环载荷下容易产生软骨板与相邻椎体间的裂纹，并逐渐增大，作者认为这是由于骨松质与软骨板之间的结构不同，产生一个刚度变化和较大的屈服界面。这样经过反复作用产生的裂纹不断扩展，骨松质局部压力增大，骨内出现小的坏死区，髓核可由此突入椎体内，这种现象称为Schmorl结节。一般在外力作用下，最早出现损伤的是软骨终板，CT扫描如发现软骨板凹陷，可用来推断有椎体骨折。

（二）纤维环的力学特性

纤维环类似一个弹簧圈，将各个椎体紧密地连在一起。在力学上把纤维环分为纤维和基质两种成分，纤维环纤维的弹性模量为500MPa，主要产生张应力，纤维环基质的弹性模量为2MPa以对抗压力，说明纤维环的主要功能是对抗髓核产生的弹力。如果将脊柱沿纵轴剖开，纤维环的主要作用便被破坏，髓核膨出，对此以往被认为主要是髓核这一膨胀体的作用，实际上是纤维环的类弹簧作用，即压力作用破坏的表现。纤维环与髓核是一对很好的相互作用力，由此保证脊椎各结构维持一个完整的整体。在压力负荷时，纤维环最外层的张应力中，周向较轴向为大，约在30°时纤维排列方向应力值高，适于张应力吸收。内层应力小，轴向为压应力。扭力负重产生剪应力，其大小与轴心距离成正比，与纤维方向垂直的剪应力易产生椎间盘纤维环破裂。作者曾用有限元模型模拟纤维环在各种运动状态的张应力：800N的轴向压力下，由于纤维环向前膨胀，产生的张应力在前方最大，最大应力为0．94N／mm2。这说明为什么骨赘多见于椎体前方，因为压缩状态是腰椎最常见最基本的方式。在8Nm的屈曲载荷作用下，应力主要集中在后方，最大应力为6．67N／mm2。而8Nm的扭力作用时，所产生的应力最大，最大应力达12．46N／mm2，主要分布在椎间盘的侧后方。说明扭转对纤维环破坏性最强，是椎间盘破裂的主要原因。实验证明，扭转可以使纤维环中斜形纤维破坏。扭力与压缩力一起作用时，首先造成纤维环的破裂，然后使髓核经破损处突出。

（三）髓核的力学作用

髓核的作用类似一个起支撑作用的球，当脊柱屈曲和伸直时，在脊椎后关节的制导与稳定下，椎体在髓核这一不能压缩的胶体上发生滚动（图3-1），即滚珠轴承样滑动。

图3-1　纤维环与髓核的作用示意图

A．纤维环的作用类似一弹簧圈，连接椎体；B．髓核的作用类似起支撑作用的球，椎体在其上滚动

由于髓核是一种胶状物质，所以负重时的轴向挤压力不仅作用在垂直方向上，而且向周围弥散，分布于整个髓核，这种弥散分布的垂直负荷，也被纤维环吸收。纤维环的这一功能类似木桶周围铁箍的作用（图3-2）。

（四）椎间盘的力学性质与功能

由于椎间盘的上述3种结构所具有的力学特性，决定了椎间盘具有黏弹性、蠕变性和滞后现象，是脊柱的重要功能组成部分。

蠕变现象是指物体受载后，即使载荷不变，该受力体仍将随受载时间的延续而持续变形。脊柱畸形病人术前矫正支架的应用和术中分离器的应用，均以这一力学性质为基础。

图3-2　纤维环类似木桶周围铁箍作用

滞后现象为物体反复承载和去载时，能量丧失的一种现象，人们跳跃时，椎间盘即凭借滞后作用而吸收震荡能量，而且载荷愈大，滞后作用也愈大，从而具有防止损伤的功能。青年人椎间盘的滞后作用最大，腰椎的滞后作用大于胸椎。老年人的椎间盘因退行性改变而降低了对承载的亲合能力，以致弹性降低，逐步丧失储存能量和分布应力的能力，抗载荷能力也因而减弱。如果震动的力量反复作用于同一个椎间盘，其滞后力就会变小，也容易发生椎间盘破裂，所以，机动车驾驶员患椎间盘突出症的较多。

人类在8岁以前，椎间盘是有血液供应的，以后则靠组织间液体弥散作用维持其营养。这些组织液由椎体弥散到椎间盘，椎间盘的代谢产物渗透到椎体，正是由于具有这种双向渗透作用，当脊柱受到突然的压力负荷时，才不致于造成椎间盘内的压力急骤升高。这种双向渗透作用像安全阀，来保护椎间盘，大量的临床实践及实验观察证明，纤维环绝不会被垂直的挤压力所破坏。在脊柱遭受垂直暴力时，由于椎体内的组织液压力骤然升高，可造成椎体爆裂性骨折（bursting fracture）（图3-3）。

图3-3　椎体垂直负荷试验

郭世绂等试验：湿性椎间盘载荷15 000N时将致破坏，此时应变是35%。椎间盘是在载荷＜1 000N时，才是线弹性的，＞1 000 N时就是非线性关系，随载荷增加，椎间盘应变力下降。椎间盘负荷时，髓核的压缩应力最大。前屈时椎间盘在曲线凹侧膨胀，在凸侧回缩。前屈和旋转时，椎间盘所承受的应力大于轴向压缩载荷。椎间盘退变后，储藏能力和分散负荷的力量随之下降。

椎间盘与后方的小关节面，共同承受躯干的所有压缩载荷。椎间盘承受的力量远远超出其承受的体重。在坐位时，椎间盘的内压最高，约为躯干重量的3倍为1 500kPa，而活动时要加上动力性载荷，是椎间盘载荷达静态位置时的2倍。站立时椎间盘压力降低30%为941kPa，卧位时降低50%为343kPa，（图3-4）为Nachemson等在人活体内L3、4椎间盘所测定的结果。

（五）椎间盘力学特性的改变

椎间盘能让相邻椎骨间相互运动，使脊柱具有柔韧性、稳定性、维持其排列，并可吸收分布到脊柱上的纵向载荷和能量。

图3-4　不同姿势下L3、4椎间盘的内压

椎间盘力学功能包括：髓核在静态载荷下，作为一种液体，产生较大的流体静力学压力。髓核中高浓度带负电的蛋白多糖，产生的膨胀压力和纤维环的完整性，以维持椎间盘的高度，对承载和转移载荷起作用。纤维环较高的拉伸模量适于抵抗较大的拉伸应力，特别是具有最大拉伸模量的外纤维环，能在压缩、弯曲或旋转载荷下，最大限度地减轻椎间盘膨胀和降低纤维环产生的应变。

在人体振动试验中，腰椎段运动环节在全身51Hz自振动频率（接近汽车司乘人员）运动中有最大的受伤可能性，负荷与承受振动作用时间呈一条典型的疲劳曲线。当负荷＞70%体重时，试验样品只能承受几次振动，当负荷＜30%时，几乎所有样品都能承受＞5 000次振动负荷而不出现疲劳现象，在轴向压缩力作用下，骨折总是先出现在终板，而纤维环不会损伤。重复性屈曲负荷和轴向扭转负荷会使终板、关节平面、纤维环及关节韧带过早出现损伤。

另外，压缩力引起的椎间盘损伤，会加重其退行性变，退变的椎间盘稳定性差，向外凸出增加，此时椎间盘像一厚壁圆柱筒，而不是一个压力腔，作用于髓核上的应力，就成为较大的压缩应力，而不是较小的拉伸应力，髓核也会出现严重的扭曲。

三、后部结构的力学性质

脊柱运动环节的后部为构成椎弓的部件包括：椎弓根、椎弓板、椎间关节以及棘突和横突。腰椎段起作用的每一块肌肉，都附着于运动环节后部的棘突、横突、副突、乳突、关节突，其肌力最终都传递到椎弓板上。因此，疾病、损伤或手术造成椎弓板强度减弱，也会使腰椎稳定性降低。

作用于后部组件上的肌肉牵拉力、弯曲力等所有力，都通过椎弓根传递到椎体上。如果椎体向前滑移，椎体下关节突的移动，会被下位椎体的上关节突阻止，它们之间的作用也传递到椎体上，椎弓根下部受压缩，椎弓根上部受到牵拉。椎弓根是厚壁圆柱体，具有承受这种力矩的作用。

上下关节突之间的椎弓板是关节的一部分，即“关节内部分”，椎弓板常有加厚，使之能承受较大的弯曲力。

椎体之间的椎间关节，可控制脊柱运动，在抵抗扭转力矩和剪切力时起重要作用，同时也有抵抗压缩负荷的功能。腰椎的椎间关节和椎间盘一起承受约80%的扭转力，椎间关节占其中的一半，其余20%是由被动受力的韧带结构提供的。

在剪切力和纵向压缩力作用下，负荷也是由后关节和椎间盘分担的，一旦切除单个后关节的连接，可承担的负荷显著下降。后关节承担负荷的大小，与运动环节是屈曲运动还是伸展运动紧密相关。坐姿下腰椎段前曲，使后关节几乎没有支撑作用，受力很小，此时椎间盘的负荷要比站立姿势下高得多。

后部结构对脊柱活动起控制作用，脊柱各节段的关节方向，相对于横截面和冠状面发生变化。腰椎节段后关节面与横截面成90°，与冠状面成45°，允许做屈伸和侧屈运动，但几乎不能做旋转运动。腰骶关节与腰椎间关节不同，可允许做一些旋转活动。

后关节也有承载功能，这是近年研究证明的。载荷在椎间盘与后关节面之间的分配，因脊柱姿势而变化，关节面承载0～33%的载荷。脊柱在伸直位时，有重要的抗剪切力功能，在椎弓不连或关节突损伤时，椎体即有向前移位的危险。在椎间盘未发生退变时，限制腰椎活动的主要结构为纤维环最外层纤维，当纤维环发生退变后，后关节就容易遭受扭伤而引起腰痛。Shirazi研究发现，15Nm扭力作用下椎间盘液体含量减少，并引起小关节接触面增大。切除小关节可增加脊柱的旋转，加大脊柱矢状面的活动范围，增加椎间盘的压力和纤维环的张力，并使关节囊松弛。同时，小关节应力增大反过来也可导致椎间盘液体含量减少。Martagh对100例下腰痛病人的研究证明：其中有小关节退行性改变的占96%，有椎间盘退变的占54%，有小关节移位者：L5、S1占50%，L4、5占42%，这充分说明，小关节接触面的大小与移位是下腰痛的一个生物力学证据。

四、肋骨框架的力学功能

对于脊柱来说，肋骨架的力学功能有：①使脊柱在前方和侧方免受直接打击；②肋椎关节及其周围韧带的存在，加强了脊柱对移位的抵抗能力和能量吸收能力；③惯性矩的明显增加而增强抗旋转力。

肋骨架使脊柱的轴向刚度增加40%，但在脊柱侧弯时，肋骨架对抗牵张力的能力减弱，头盆牵引时，侧弯病人T12、L1间隙增宽度为正常的2．6倍。

五、脊柱韧带的力学功能

脊柱的韧带多由胶原纤维组成，承担着脊柱的大部分张力载荷。除黄韧带外，脊柱韧带坚韧而很难延伸，故可与椎间盘一起，提供脊柱的内源性稳定。韧带的黏弹性性质能控制脊柱活动于生理限度之内，既允许充分的活动，又能保持姿势，使维持姿势的能量消耗降至最低限度，并能吸收能量以保护脊髓。上述各生理功能，特别是能量吸收能力，随年龄增长而减退。

纵向连接椎弓的黄韧带含弹性纤维较多，其弹性使其在脊柱伸展时缩短，屈曲时延长，并保持恒定的张力。由于黄韧带与椎间盘活动中心有一定距离，故黄韧带的张力可使椎间盘内出现持续的“静止”应力，或称预应力，即椎间盘内始终存在着一定的内压。这种预应力有利于脊柱的稳定，为脊柱提供了内源性支持。

六、脊柱背部及腹部肌肉的力学特性

脊柱的稳定由3个系统组成：①被动骨骼韧带系统即椎体、后关节、椎间盘和韧带；②由肌肉和肌腱组成的主动系统；③位于肌肉、肌腱和韧带中的各种张力感受器。这3个系统的功能相辅相成，为脊柱完成复杂、准确的运动提供保障，尤其是主动的肌肉系统，在维持脊柱的稳定中，起着非常重要的作用。研究表明，独立的韧带只能承受2kg的负荷，其余承受力的增加，主要来自脊柱周围肌肉的协调平衡。

肌肉是脊柱产生动力的根源，剥去肌肉的脊柱是一不稳定结构，肌肉是保持姿位的必需条件。神经和肌肉的协调作用产生脊柱的活动。主动肌引发和进行活动，而拮抗肌通常是控制和调节活动。

Anderson等将脊柱肌肉分为两大群：一群直接作用于脊柱，一群间接作用于脊柱。前者包括深、浅层，浅层含背阔肌、斜方肌、菱形肌和上、下后锯肌；深层有夹肌、骶棘肌和横棘肌。短肌的功能主要为协调和稳定各椎骨间运动，以利整个脊柱自上而下顺序作链状运动，犹如接力赛跑。后者含胸肌和腹肌，且腹肌尤为重要。

将骶棘肌总的力学效应简化为一绳索，它的作用点位于骶骨直达头部，把脊柱轴抽象为一个下端铰接在腰骶椎间盘上的刚体。

脊柱侧屈时，骶棘肌的棘突横肌和横突棘肌以及腹肌都产生动力，并由对侧肌肉加以调节。脊柱旋转动作由两侧的背肌和腹肌协调产生，旋转时臀中肌和阔筋膜张肌也强力收缩。

腹肌和腰肌可使脊柱的屈曲开始启动，然后躯干上部的重量使屈曲进一步加深，随着屈曲或力矩的增加，骶棘肌的活动逐步增强，以控制屈曲活动，而髋部肌肉可有效地控制骨盆前倾。脊柱完全屈曲时，骶棘肌不再发挥作用，被伸长而绷紧的后部韧带使向前的弯矩获得被动平衡。

脊柱由屈曲到伸直过程中，肌肉所做的向心性收缩功，大于屈曲时肌肉所做的离心性收缩功，其顺序与上述相反，先是骨盆后倾，然后伸直脊柱。

躯干由伸直位再向后伸时，开始由背肌产生动力，进一步后伸时，背肌的动力减弱，而腹肌产生动力以控制和调节后伸动作。

做极度或强制性后伸动作，需伸肌产生动力。背肌的收缩减少了后面韧带的张应力和前面脊柱的压应力，以保护整个结构系统免于过量的弯压力。

腹肌和腹压对脊柱的载荷的影响亦较大，生活中用力时尤其运动员做动作时腹肌收缩，腹压增大，胸腹腔呈圆柱状整体承载压力负荷，增强腰骶椎的载荷，降低骶棘肌收缩产生脊柱载荷的40%，举重运动员宽的皮腰带更增加腹肌收缩力。

七、脊髓的生物力学特性

脊髓可伸缩的生物力学特性，对其自身有重要的保护作用。

脊髓如去掉软脊膜包裹后，有如半流体性黏聚体，再去掉周围的神经根、齿状韧带等组织，并将脊髓悬吊时，其长度可因自身重量而延长10%，如此时企图使其进一步拉长，可突然出现非弹性阻力。换句话说，脊髓的负荷、位移曲线有两个明显的不同阶段：第一阶段或称为初始阶段，很小的提伸力，即＜0．01N，即可产生很大的位移，而到第二阶段时，相对较大的力只造成较小的位移，直到脊髓离断前，提伸力可维持20～30N。两阶段间的转变为突变。

脊髓受压时，开始很小的压力即可有明显的短缩变形，随后其弹性阻力渐增，直到塌陷。与脊髓受牵拉时的区别，为前后两期之间无明显的突变。

脊髓的这种特性是与其结构和组织特性分不开的。第一阶段有很大的伸缩性是由于脊髓有手风琴样可折叠的结构特性形成的，脊髓可在很小的外力作用下折叠或展开，而第二阶段则真正代表了脊髓的组织特性，此时脊髓的展开与折叠已达到极限，脊髓组织直接承受外力，阻力将以103为指数而迅速增加。

在脊柱做生理性屈伸和侧弯时，骨性椎管的长度随之改变。颈、胸、腰段椎管在屈曲时伸长，而伸直时缩短。

屈曲时与中立位相比，椎管中线的长度增加，椎管前缘的长度也增加，但增加不多，而后缘则增加最多。

伸直时，前缘、中线和后缘缩短，而椎管后缘缩短最多。脊柱做轴向旋转和水平移位时，椎管的有效横截面积也在不断的变化。

椎管长度的改变总能使脊髓有同步的改变，脊髓的折叠与展开的机制，可以满足从脊柱完全后伸直到完全前屈所需的70%～75%的长度变化，其余的，即生理活动的极限部分，由脊髓组织本身的弹性变形来解决，即脊髓受压时弹性增大而拉伸后弹性减少。当脊髓由完全前屈转为完全后伸时，其横截面由接近圆形转变为椭圆形。

脊髓借齿状韧带悬挂于硬膜内，神经根亦提供部分支持。脊柱完全前屈时，脊髓、神经根及齿状韧带均处于生理性牵张状态。由于齿状韧带向下倾斜，韧带上的张力相对于脊髓轴线来说可分解为两个分力：轴向分力与脊髓所受的张力相平衡以减少脊髓受牵拉；横向成对的分力则相互平衡，保持脊髓在椎管的近中央的位置，可最大限度的防止骨性碰撞或震荡，这种现象和头盔中的放射状头带将头部悬浮，在碰撞时有缓冲的作用一样。此外，硬膜外脂肪和脑脊液亦通过减少摩擦和吸收能量，对脊髓提供保护作用。