腰椎的压力强度

腰痛与下腰痛的发病率较高，究其原因，主要与体力劳动，载荷量增加，长期反复性载荷有关。

腰椎的强度和耐受压力载荷安全界限的测定，由此判定腰椎是否断裂并可估计骨折的危险性，是研究腰椎生物力学的基础。

测量腰椎压力强度的方法有两种：一种是在活体直接测量和计算脊椎载荷与强度；另一种是在离体标本上测量和计算。

椎体骨松质是压力的传导和应力的分布者，其变形多在压力下形成的，压力实验可测出其弹性模量、压力强度、能量吸收等力学性质。

一、疲劳的定义

疲劳（fatigue）是一种试验材料在循环载荷（cyclic loading）下逐渐出现的永久性变化过程。这个试验的终点是在一定数目的循环载荷后出现裂纹和完全断裂。疲劳的断裂发生在低于材料静态强度的压力（stress）水平，在低水平的张力应变（strain）下，应力与应变成比例。它们之间的比例系数称为Young模量，即弹性模量。在任何不可逆的损伤出现以前，低水平的应变表现为弹性区域（图3-5），从屈服点（yield point）开始出现较高水平的应变，表现为塑形变形。从屈服点到断裂点以前的应力水平，经过反复载荷，可以出现材料的断裂，称为疲劳，在骨骼中称为疲劳骨折。

图3-5　骨组织的应力-应变关系

二、腰椎的强度和压力载荷的安全界限

把人骨组织制成标准件，在材料试验机上进行一定数目的循环载荷，以测定疲劳强度、弹性模量、刚度、应力、应变等力学参数。疲劳强度是在载荷循环中出现断裂时的应力值，由应力-循环数目的曲线来测定。

腰椎屈服点的压力强度在1 577～6 228N，极限压力强度在2 000～12 000N。椎间盘退变后这两种强度均明显降低。

由于人体腰椎的压力强度在不同标本上表现出很大差异，为了估计强度和活体内载荷的安全界线，这些压力强度还需与腰椎压力载荷进行比较。

在活体内，通过脊柱载荷测定内压，结果显示，相邻椎体载荷皆为下一腰椎压力强度比上一椎体增加300N。腰椎从屈曲到直立过程中，可以出现很高的压力值，在不同姿势下提起15kg物体时的结果不同。在半静止状态下，压力载荷为3 000～4 000N，加上惯性力可高出50%。多数实验和理论都认为人体腰椎的载荷和压力强度实际上无安全界线，对此仍有争论。

有安全界线的根据：一般压力强度值是在半静止状态下测得的，其应变率为0．01cm／s，并与载荷增加率的0．5～1．0kN／s相一致。如果大于上述应变率的50～100倍，腰椎强度增加20%～30%。所谓的半静止状态载荷即在缓慢运动或提较轻物体时腰椎的载荷，如果载荷时间延长，则腰椎压力强度缓慢增加，在已有很高的载荷量的基础上再迅速增加载荷，就会出现损伤。

三、椎体压力强度的影响因素

椎体压力强度女性明显低于男性，老年低于青年人。腰椎骨松质弹性模量以每10年15%速度递减，强度每10年以6%的速度减少，沿椎体纵轴加载下，20岁个体的弹性模量为120MPa，而80岁为20MPa。

椎体压力强度随年龄的增长而进行性降低，椎体强度降低与结构有关，椎体强度的降低和骨小梁结构的破坏是椎体疲劳性显微骨折的主要原因。

以往认为骨强度下降，是骨小梁数目减少，水平小梁被吸收，残余的垂直骨小梁肥大，造成骨松质密度下降引起的。近年的研究表明：垂直骨小梁与年龄无关，显著的变化是骨小梁间距增大，小梁网格中水平支撑变薄或消失，一些垂直小梁整体移动导致骨强度下降，小梁数目与厚度随密度下降而减少，各种密度中，垂直小梁是水平小梁密度的2倍。

腰椎压力强度与骨组织含量有密切关系，椎体骨组织减少25%时，其压力强度减少50%。椎体在压缩载荷的承受比例，在40岁以前为骨皮质承受45%，骨松质55%，而40岁以后骨皮质为65%、骨松质35%，这说明骨松质密度下降是腰椎压力强度下降的一个重要原因。

四、屈服应力与骨密度

腰椎的屈服应力与骨密度呈正相关，Brinckmann提出用QCT可测得骨密度K2HPO4mg／ml，和终板面积cm2，代入方程式，可预测椎体的压力强度KN。

压力强度＝0．32＋0．00308×骨密度×终板面积

计算结果的误差为1kN。此结果可解释许多变异情况，对临床工作具有重要指导意义。

老年人压力强度多为降低，也有些很高，同样，一些标本骨密度较高或正常，而压力强度却较低。这里有个终板面积的因素，如骨密度低而有较大的终板面积进行补偿。反之，骨密度正常而终板面积小，计算出的压力强度就低。终板面积女性＜男性，压力强度也低而非密度不同。

椎体压力载荷多大，就有发生骨折的危险。临床常用骨密度作为衡量标准，也是忽略了终板面积的因素，因而估算不准确。

椎体压力强度只需测量1个椎体如L3，则其余T10～L5可用L3为基数，向上每个椎体减少300N，向下每个椎体增加300N。

脊柱越往下的椎体压力越大。在胸腰段骨密度在不断变化中保持基本恒定，而下腰椎抵抗力逐节增加载荷的方式，不是增加骨密度而是增加终板的几何面积（图3-6）。这个发现支持一种假设，即骨骼中骨小梁的密度由中枢控制而不是局部。

图3-6　人腰椎L1～5骨密度和终板面积

骨密度△＝（1．4±2．6）mg／ml K2HPO4每个椎体终板面积△＝（0．5±0．19）cm2每个终板