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脊柱的组成及其力学性能 广东省中医院骨一科 孔畅 引言 脊柱基本组成及相应的力学特性 腰椎运动学 腰椎动力学 脊柱基本组成和运动特征 结构特征 位置特征 解剖特征 运动特征 肌肉作用 胸腰筋膜 结构特征 人体运动的主轴，由多个椎体和多重关节（椎间关节、椎小关节）组成，众多肌肉和韧带围绕，并有生理弯曲，以满足脊柱的坚固性和可动性。其活动有三维方向（前后、左右、旋转）和6个自由度。 位置特征 脊柱的颈段支撑头颅，重心处于颈部前2/3与后1/3的交界处；胸段重心偏后（胸廓前后径的后1/4），与胸廓共同分担胸以上躯体的重量；腰段居中，甚至前凸，以支撑体重。 解剖特征 椎管 椎骨 椎间盘 椎小关节 脊柱韧带 椎管 由椎孔连结而成，上接枕骨大孔和颅腔相通，下延续为骶管而止于骶管裂孔。椎管的前壁由椎体后部、椎间盘后缘和后纵韧带构成，后壁是椎板和黄韧带，两侧壁为椎弓根和椎间孔。每个椎孔可分为中央区、侧区和后区，椎管内容有脊髓和马尾、脊神经根、脊髓的三层被膜、膜间隙及其内的脑脊液等。 椎骨 椎骨由椎体、椎弓、上下关节突、棘突、横突组成。椎体椭圆形短扁骨，致密的骨皮质包围海绵状的髓质，上下骨皮质中有较厚的软骨板衬垫，边缘由较厚的环形衬板构成。 椎体前缘最薄弱，易发生椎体骨折。 椎体中部和后部的骨折多涉及椎管 椎间盘 椎间盘是由纤维环、髓核和软骨终板三部分构成。 纤维环由同心胶原纤维层组成，层内纤维平行排列，层间纤维排列则相互交叉，相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为±30°。 纤维环内是透明凝胶状的髓核，约占椎间盘横截面积的50~60%。 软骨终板指椎间盘上、下两面的透明软骨板，厚1mm左右。 位于椎体终板表面的凹面关节之间。 IVD 在脊柱中形成最重要及独一无二的关节系统，允许脊柱在多个面上运动。这些纤维软骨的复合结构约占整个脊柱长度的 1/4 。从 C2-3 椎体间至 L5-S1 椎体间均有椎间盘。颅骨（ C0 ）与寰椎（ C1 ）间没有间盘，寰枢椎（ C1-C2 ）间也没有真正的间盘。 在每一个板层内，胶原纤维的排列方向与水平面呈 30 度角，由于每两个相邻板层的排列方向相反，导致胶原纤维的方向在两个相邻的板层间有 120 度的角度变化。胶原的交错排列使其张力强度大增，同时也允许多平面的运动。间盘的结构类似于辐射状的汽车轮胎，有很好的强度，同时抗压及抗张能力也很强。 椎间盘纤维环内、外层纤维的组成与排列均有所不同，总的来看，纤维环中II型胶原含量高于I型胶原，但由内向外I型胶原所占比例逐渐增加，更重要的区别则在于外层纤维与椎体相联结，内层纤维则逐渐在形态上向软骨终板过渡。于是，纤维环的内层纤维就与软骨终板形成严密包容髓核的容器。 椎间盘内压的测定 早在1932年，Gocke就发现将髓核浸入液体后其重量增加1倍，以后其他学者陆续证实这一现象，并注意到髓核通过吸收液体使自身内部压力升高，并认为这可能是引起腰椎间盘突出的原因。 1960年由Nachemsom证实正常与接近正常的椎间盘髓核均呈流体静压状态。他采用一种针式传感器从主应力的三个方向来测定椎间盘内压。 椎间盘内压及生理特点 椎间盘内压实验方法是将一个微型压力传感器装在一个特制的针尖上，当针刺入髓核后，压力便通过传感器反映出来。结果见右图 椎间盘中的基质是髓核，由弹性凝胶组成，其中80%是水份，人在10~19岁间由血液供养，但20~29岁变窄逐渐失去血管，靠骨端板淋巴渗透来供养 极富弹性和韧性，受力最频繁也最复杂，承受3倍体重的压力也不会破裂 结果显示 正常椎间盘内压为轴向压缩载荷的1.3~1.5倍，当外载荷达到2000N之前，椎间盘内压与外载荷呈线性关系；并计算出垂直压应力大约为外载荷的50%，而切向应力与张应力却高达外载荷的4~5倍。黄韧带的预张力使椎间盘在不受载时即具有0.05MPa的所谓预压强。同时，对腰椎间盘在剪切、扭转、前屈和后伸等载荷作用时椎间盘内压的变化及其髓核含水量的关系进行研究表明，当承载量相同时，椎间盘内压从上腰椎到下腰椎逐渐减小。 椎间盘内压活体测量及人体各姿势及完成各种动作时椎间盘内压变化的观察，将椎间盘内压与腰背肌的肌电信号、腹内压作了比较，从而求出各种位置和动作时，椎间盘内压的相对比例（以直立为100%） 椎间盘力学特性 受压特性：受压后纤维四周膨出，脊柱运动节段的试验，首先破坏的是椎体而不是间盘。临床上的突出，多数是盘内应力分布不均，不单是由于受压 受拉特性：椎间盘无论受压还是受拉其纤维环总是承受张力，纤维环在不同方向强度、刚度不同，沿纤维走向强度是竖向的3倍 受弯特性：变弯椎间盘膨出，前屈前膨，后屈后膨，即都在凹侧膨出，因而凹侧受压，凸侧受拉 受扭特性：大的椎间盘能承受较大扭矩，但扭转角超过20