脊柱损伤的生物力学变化

腰椎具有黏弹性，在遭受大于自身压力强度的载荷时，会出现单一的剧烈损伤。这种因高于材料静态强度的应力作用出现的断裂，发生在屈服点见图3-5。

当腰椎遭到小于其压力强度的载荷时，即应力水平较低，这时应力与应变成比例，在弹性区域载荷作用时，各结构高度降低，去除载荷后，各结构恢复到原始高度，组织也不会受到损伤。从屈服点开始出现较高水平的应变，表现为塑形变形，继续反复载荷可以出现材料的断裂，称为疲劳，在骨骼中则为疲劳骨折。这时去除载荷后，各结构高度不会恢复到原始高度，并且出现广泛的显微损伤。

一、胸腰椎暴力损伤

在脊柱损伤中，大部分病人都是胸腰椎骨折或伴有脱位，尤以压缩性骨折最多见，骨折分屈曲型、伸展型、屈曲旋转型和垂直压缩型损伤。

当胸腰段脊柱遭受超过其弹性限度的外力后，常以椎间盘偏后部为支点向前屈曲，椎体受挤压后，发生压缩性骨折。其程度与受伤姿势、外力作用方向、外力程度、速度、打击部位、坠落高度及肌肉收缩强弱都有一定关系。骨折程度与外力大小成正比，与打击点位置关系紧密，受击点距T12、L1屈伸时的支点越远，骨折越严重；骨折还与骨质本身有关，骨质疏松和终板面积小者，较小的外力即可发生骨折。椎体压缩多呈楔形改变，背部肌肉越发达越不易骨折。高空坠落时，椎体压缩程度与坠落的高度成正比；直立位坠落时，骨折多发生在小关节；弯腰位坠落者，椎体压缩程度与弯腰程度，体重多少，及下降速度成正比。

胸腰椎骨折最先损伤软骨终板，然后是椎体，纤维环一般不受损伤，而在旋转屈曲位才易损伤纤维环。前纵韧带仅抗张力并不抗压力，故不会出现损伤，所以屈曲型压缩骨折伤员，用5点支撑锻炼就是靠前纵韧带张力复位骨折，起到良好效果。

二、腰椎的疲劳骨折

腰椎疲劳骨折，是Vernon等在1973年发现的，他们在死亡人体检查腰椎时；发现椎体存在着一些间断裂纹，裂纹周围被骨痂包绕。这些损伤不同于以往由静态超载荷或冲击伤引起的损伤，病人没有外伤史，而且冲击伤不能显示小梁骨折与进一步愈合有联系。冲击伤和静态超载荷损伤产生一组或一个明显的单一损伤，而这次发现都是分散的，在一段损伤中没有这种表现。这些微小损伤基本上位于椎体上或下1／3处，中间部位很少，而且间断裂纹周围产生显微骨痂，称为聚积结节（nodular aggregates），这些结节的形成是对骨小梁骨折的反应，且大部分位于垂直骨小梁，很少在水平小梁上出现。聚积结节分布的显微结构表明，它们可能反映了新骨形成的一些形式和小梁应力集中部位的支撑作用，也是对骨重建的一种刺激。它的损伤数目、密度和年龄呈正相关，并推测，这种损伤可能与下腰痛有关。

疲劳骨折的性质：腰椎在轴向压缩状态下，骨松质的上或下1／3处应力应变最大，易引起小梁显微断裂。

该处损伤以垂直小梁为主，这与其受力方向有关。前面提到的骨松质是由薄板状结构单元构成，称为小梁袋，由黏固线构成轮廓，出现嵌合体样结构，提供了一个屈服界面。载荷方向与黏固线方向一致，裂纹沿黏固线方向扩展产生小梁中间的断裂。由于骨和黏固线之间刚度不同，交界面的蠕动应力较强，在疲劳断裂前有较大的应变。骨折呈现骨折面光滑者，表明能量驱散作用小，裂纹扩展快和低疲劳强度，所以垂直小梁易受损伤。

水平小梁与载荷方向垂直，产生横断面裂纹，骨折线杂乱，断面粗糙，说明能量驱散作用大，裂纹扩展缓慢，疲劳强度高（仅限于垂直方向，因为椎体骨松质具有各向异性），所以出现损伤较少。在邻近软骨终板处，水平小梁与终板之间出现较大的水平裂纹，这是由于终板与骨小梁之间结构不同，产生一个刚度变化和较大的屈服界面，加上椎间盘蠕动变形，表现出强烈的扩展趋势。

疲劳骨折后椎体骨松质的弹性模量下降。腰椎正常值为88．2MPa，经1 200N的压力，循环50万次后，弹性模量下降至49．8MPa，所以，骨内的疲劳骨折是影响模量下降的一个重要原因。骨折后应变由0．8%逐渐增加到1．37%，并出现非线性现象，其压力强度明显下降，表明疲劳骨折使腰椎的承载能力下降，骨皮质将增加一部分力的传导。

利用有限元分析发现，腰椎疲劳骨折后，各结构高度出现不可逆的下降，尤其是椎间盘膨出半径增大，小关节相互交错。这是由于骨折后，各结构应力增大，由终板传递到髓核的压力增大，导致椎间盘高度下降，纤维环张力增加，增大的椎间盘膨出半径占据了椎管和神经根管的空间，加上小关节移位，均可致下腰痛。