脊柱的生物力学和退行性骨关节病.ppt

脊柱的生物力学与退行性骨关节病 王志勇 人体脊柱实质上是一个通过 杠杆运动轴操纵的力学复合体结构致动体限制体这个力学复合体不仅柔韧性好 运动范围广 而且非常坚固稳定 作为一个力学结构 脊柱有以下特点 脊柱矢状面的正常曲度使得脊柱灵活运动 承载轴向负荷的同时维持相应的强度及站立姿势的稳定性 矢状面曲度的改会很大程度上影响脊柱的力学行为 椎体承载躯干及上肢主要的轴向负荷 椎体所须承载的重量从头端到尾端逐渐增加 椎体本身也逐渐增大 脊柱后方的肌肉群产生 张力作用 用来维持直立姿势及保持人体矢状面和冠状面的平衡 这些肌肉群被称为 张力带 任何前柱或后柱的破坏及疾病均可打破脊柱在骨盆及髋关节上的平衡 导致后方肌肉群的疲劳和疼痛 同样后方肌肉群的损伤及疾患也可使脊柱失去矢状面的平衡 椎体组成脊柱的前柱 承载80 的轴向负荷 体重 后方结构 主要是关节突关节 组成脊柱后柱 向下肢传递20 的轴向负荷 脊柱平衡的概念 正常脊柱在骨盆和股骨头上保持平衡时 仅需要肌肉最少量的做功以维持直立姿势 多数脊柱疾患可影响脊柱矢状面的平衡 从而增加脊柱肌肉负荷 产生肌肉疲劳和背痛 怀孕使身体重心前移 腰椎前凸增加以维持脊柱平衡 人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负荷 是导致矢状面失衡的主要原因 通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发生脊柱矢状面的失衡 例如 椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性 使得椎体塌陷导致病变节段上方的脊柱过度后凸 另外下腰椎多个间盘的退变可以改变其前高后低的楔形外观 哪怕是细微的改变也可以带来明显后凸 如果前柱正常 很少因后方张力带薄弱而出现矢状面失衡 我们从整体 区域和局部三方面评价脊柱的平衡 它们虽然不同但彼此相关 从整体角度看脊柱包括颅骨 骨盆 髋关节及髋部肌肉 应特别注意到 骶骨的位置及倾斜度与脊柱整体平衡密切相关 脊柱可以分为以下几个区域 颈段 颈胸段 胸段 胸腰段和腰段 另外 相邻的几个运动节段也可组成一个运动区域 脊柱的局部往往指一个运动节段 脊柱失平衡 多数脊柱疾患可影响脊柱矢状面的平衡 从而增加脊柱肌肉负荷 产生肌肉疲劳和背痛 人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负荷 是导致矢状面失衡的主要原因 头部位于骨盆前方时丧失矢状面的平衡 为维持直立姿势脊柱后方的肌肉拉力增加 通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发生脊柱矢状面的失衡 例如 椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性 使得椎体塌陷导致病变节段上方的脊柱过度后凸 另外下腰椎多个间盘的退变可以改变其前高后低的楔形外观 哪怕是细微的改变也可以带来明显后凸 所有这些疾病可导致脊柱和躯干前屈 头部位于髋的前方 这样脊柱后方肌肉为维持直立姿势必须做更多的功 其他代偿机制如膝关节屈曲和拖曳步态 目的都是为了维持直立姿势的同时减轻脊柱肌肉负荷 总之 脊柱矢状面的失衡是脊柱疾患的主要后果 这一点非常重要 但经常被忽视 所以骨科医师在治疗脊柱疾病时必须强调维持脊柱矢状面的平衡 脊柱冠状面的失衡经常发生在脊柱侧弯的病人 也可发生在脊柱创伤 肿瘤及下肢不等长的病人身上 外科医师在脊柱手术中应特别重视使头部和双肩的中心位于骨盆中线上 骨盆与肩关节不平行使得脊柱冠状面平衡 脊柱产生代偿性弯曲 运动节段 运动节段是脊柱基本功能单位 是脊柱的最小单元 但是却体现出整个脊柱所具有的生物力学特点 一个运动节段包括相邻两个椎体 椎间盘 关节囊包裹的小关节和相连的韧带 尽管脊柱的肌肉不包括在运动节段内 但它们对运动节段功能的发挥致关重要 运动节段 后面观 运动节段 前面观 脊柱的各个运动节段通过以下机制彼此连接起来 运动节段作用机制 运动轴 椎间盘及小关节 围绕它们的轴可作旋转运动 杠杆 椎体和其上的骨性突起 是致动体的附着点 致动体 指与运动节段接触的前方和后方的肌肉 是脊柱功能单位的运动控制结构 限制体 运动节段的韧带 用以维持脊柱的稳定 将运动节段的活动限制在正常范围 简而言之 运动节段的运动是这样产生的 肌肉收缩推动椎体上的杠杆 作以椎间盘及小关节为轴的旋转运动 韧带组织提供稳定性 限制运动节段在生理范围内运动 尽管每一运动节段只有有限的运动范围 但所有运动节段彼此叠加 脊柱就具有很大的屈曲性和广泛的运动范围 侧屈图例 屈曲图例 脊柱机械性不稳定 脊柱外科医生对何种情况下脊柱是不稳定的各持己见 在生理负荷下 正常脊柱有两个很重要的特征 限制脊柱结构位移以保证神经组织不受损伤或刺激 2 维持结构完整 防止严重畸形的发展和疲劳性疼痛的出现 因此如果脊柱因结构移位导致已经出现的或潜在的神经损伤及因无法承担生理负荷而出现疼痛畸形时 脊柱出现不稳定 在严重的病例 这两种情况可同时出现 多种原因可导致脊柱不稳定 包括创伤 肿瘤 代谢异常 退变及椎体滑移 椎体 椎间盘和韧带的损伤是脊柱不稳定的常见原因 例如 肿瘤破坏椎体后 它无法承载正常的轴向负荷 导致椎体塌陷形成后凸畸形 此时可伴有或没有疼痛 这种情况也可发生在因骨质疏松引起骨折时 不同的是这时通常伴有明显疼痛 脊柱节段性不稳定 脊柱创伤 脊柱肿瘤 脊柱滑脱 退行性疾病 退行性疾病 是指随年龄老化所致的正常组织结构及功能的丢失 组织的正常老化意味着随着时间的推移 组织的解剖结构发生累积性的变化 这种变化是逐渐性的 但有时急性创伤可以加速所受累组织的退变进程 退行性改变可以发生在身体的所有关节 对于个体而言 退行性改变并不都出现临床症状 很多人即使有退行性改变也能够正常工作和生活 当退行性改变导致关节出现临床症状 一般是疼痛时 就被称为骨性关节炎 意味着由于关节的退行性改变 骨与软骨出现了炎症反应 在脊柱上 脊椎病用来代表具有症状的脊柱退变性骨性关节炎 本章将复习一种常见的脊椎病 退变性椎间盘病 首先 复习一些与脊柱退变疾病有关的解剖与生物力学因素 解剖与生物力学回顾 人类的脊柱是一个机械结构 其运动节段是该结构的运动单位 其本质在于脊柱如何工作来产生活动 每一运动节段由三个关节构成 即后方的两个小关节及前方的椎间盘 退行性改变可能首先出现在三个关节中的其中一个 但最终三个关节均会被累及 脊柱由每一个运动节段相互叠加而成 它负载躯干的重量 脊柱可以发生内部变形以对抗躯干对其的压力 这种变形主要是对于椎间盘产生的 但并不仅限于椎间盘 脊柱由运动节段叠加组成 椎间盘 椎间盘是一弹力纤维结构组织 它有两个重要功能 首先 椎间盘作为一个减震垫 将上肢及躯干的纵向压力转移至椎体 椎间盘上的负荷往往大大超过身体的重量 在坐姿时其负荷是躯干重量的三倍 某些动态的活动如跳跃或奔跑可使椎间盘的轴向负荷甚至高于静态坐姿时的负荷 椎间盘作用类似于减震垫 其次 椎间盘是运动节段的轴心点 它类似于一个密闭的 可变形的球体 可以承受各个方向的应力并允许脊柱在各方向活动 这意味着椎间盘可能同时承受多种应力 压力 张力 弯曲力 剪切力及旋转力 椎间盘解剖 椎间盘的两种主要成分是纤维环和髓核 纤维环由几层同心圆的纤维层 类似三个环 构成 称为板层纤维 其中含有丰富的胶原及弹力素 蛋白多糖和水 胶原是构成体内结缔组织的主要蛋白 弹力素保持组织的弹性 蛋白多糖存在于结缔组织的细胞外基质 并与水结合在一起 椎间盘作用类似于减震垫 每一层纤维板的纤维与椎间盘水平面呈30度斜形排列 此外 每层纤维板的纤维与其相邻层面的纤维排列方向相反 这样 纤维板就像一个网状的格子样结构 极其坚固并富有弹性 椎间盘解剖 每一层纤维板的纤维与椎间盘水平面呈30度斜形排列 此外 每层纤维板的纤维与其相邻层面的纤维排列方向相反 这样 纤维板就像一个网状的格子样结构 极其坚固并富有弹性 纤维 髓核髓核是椎间盘中央的一种球样的胶冻样物质 占间盘成分的40 它被纤维环所包绕 髓核的成分主要是散在的胶原纤维 水分及蛋白多糖 其水分及蛋白多糖的成分大大多于纤维环组织 出生时髓核的水分占90 逐渐减少至50岁时的70 在髓核与纤维化交界处有一个移行区 在此区两种成分的纤维逐渐交织 故在此区区别两种成分较困难 轴向应力时椎间盘的压缩状态 作为运动节段的轴点 当纤维环同时承受压力 张力 和旋转力时 髓核像一个可变形的轴承 例如 当一个人弯腰从地面拣起一个物体时 椎间盘要同时承受多种外力 在此屈曲和旋转活动过程中 椎间盘的凹侧压缩 凸侧伸展 因此 压缩侧的髓核膨出 纤维环向外扩张 伸展侧的髓核在垂直面上变平 该侧的纤维环被拉紧 此外 随着脊柱的旋转运动 纤维环同时还承受着扭转应力 总之 正常的椎间盘是一个复杂的解剖结构 并具有复杂的生物力学功能 椎间盘的退行性改变可以导致明显的运动节段的功能变化 屈曲应力时椎间盘的轴心运动状态 椎体 脊柱椎体的宽度 高度和前后径从头端到尾端逐渐增大 以适应从上到下逐渐增大的压力 身体80 的轴向负荷力由脊柱的前柱 椎体及椎间盘负载 压力经间盘通过椎体的终板传导至椎体 传导的途径有两条 外层皮质骨承载已一部分压力 大部分压力集中在松质骨 松质骨受压时可以明显变形 而当压力去除后又恢复原来的形态 C3与最底部的L5椎体形态之比较 加载压力和去除压力时椎体的变形和复形 椎体的终板表面是凹陷的 在接近皮质边缘处较厚 中央处较薄 终板有两层 外层软骨层和内层骨层 它是椎间盘和椎体的交界区 软骨层是多孔层 营养从骨层通过软骨层表面渗透到椎间盘 因此 终板的退变将影响椎间盘的营养而最终影响运动节段的功能 椎间盘营养从终板渗透而来 松质骨软骨层营养渗透骨性终板 小关节 小关节为滑膜关节 位于脊柱的后柱 它们承受脊柱应力的20 其表面覆盖透明软骨 该关节有较强的结缔组织关节囊 其中含有滑液 这些关节如果出现滑膜炎则会引起腰痛 小关节在脊柱的稳定性上起着重要作用 其解剖位置和方向影响着不同区域脊柱的活动度 小关节的退变或损伤可导致运动阶段的功能异常 颈椎小关节的方向是冠状面的 它对于屈曲 侧弯及旋转没有限制 对伸展略有限制 因此颈椎的活动范围较大 腰椎的关节面是矢状位的 它限制旋转的范围 但不限制伸屈和侧弯活动 正常颈椎的小关节 无关节囊 正常腰椎的小关节上关节突下关节突关节囊 小关节 韧带 腰椎的韧带结构 前纵韧带后纵韧带黄韧带关节囊韧带横突间韧带棘间韧带棘上韧带 脊柱的解剖与生物力学特点 脊柱韧带附着在骨骼上的多功能结构 它既维持脊柱的稳定性 又保持脊柱的正常活动 更重要的是 脊柱韧带保护脊柱及其神经结构避免过度活动的损伤 它们有多层 单一方向的弹力纤维和胶原纤维构成 韧带不能抗压力 在承受压力时韧带变皱褶 但它可以抗张力 以免运动阶段活动过度而超过其生理范围 韧带 附着在运动节段的韧带有七个 前纵韧带 后纵韧带 黄韧带 关节囊韧带 横突间韧带 棘间韧带和棘上韧带 韧带的退变可以导致两个脊椎间的活动范围减小 韧带的过度延伸可使运动节段活动范围异常 从而产生牵引性骨刺而使椎管狭窄 韧带 肌肉 正常腰椎的肌肉附着点旋转短肌旋转长肌横突间肌棘突间肌 虽然肌肉不是运动节段的一个组成部分 但对脊柱的功能来说也是相当重要的 肌肉是一个活动结构 它通过屈伸和旋转脊柱的关节或运动节段来使脊柱活动 肌肉提供脊柱重要的动态稳定和强度 它通过等张应力来承受外部的负荷 脊柱的肌肉分为前后两组 根据它们与脊柱的关系 这些肌肉又进一步分为浅层 中成和深层肌肉 建议读者自己复习这一部分的肌肉结构 遗憾的是 对于运动节段的各个肌肉的相关研究较少 需要作进一步的研究以了解肌肉促使脊柱运动和抵抗外力的机制 正常腰椎解剖 侧位 中矢面所示正常年轻女性下腰椎 黑色箭头所示为正常椎间盘及其高度 其它结构为 L4 L5髓核 NP 椎管内静脉丛 BP 马尾神经 CE 及黄韧带 LF 同一标本 经椎弓根侧矢面 纤维环边缘不同的板层结构 AF L4神经根在L4椎弓根 P 下缘走出 小关节的关节软骨 F 黑色箭头所指为正常的椎体终板后唇 正常腰椎解剖 横断面及冠状面 正常腰椎经椎弓根中部横断面 椎体松质骨粗糙的骨小梁 VB 骨小梁在近椎弓根出变得更致密 P 马尾内可见分散的神经根 CE 小关节和其关节软骨清晰可见 F 在椎体后缘和马尾之间可见静脉丛 经L2 L3 L4椎弓根正常腰椎冠状面 LL2 4神经根 NR 出马尾 CE 处 背根神经节 G 位于椎弓根下方 神经根行走于其下一节段脊椎的椎弓根侧缘 L2 L3间马尾两侧黑色区域为静脉丛 运动节段的退变性疾病 脊柱退行性疾病的解剖改变是复杂多样的 它是一个连续发展过程中 也可以同时发生在各个不同结构 运动节段的任何一个结构发生退行性变 都可以导致该节段的功能异常 退变开始于小关节或椎间盘 最终所有运动节段的结构都发生退变 椎间盘的变化 随着年龄的增长 椎间盘经常是最早受退变影响的结构 到50岁时 95 的人都会有不同程度的间盘退变 但这并不意味着这些人都会有症状 最显著的椎间盘改变为 髓核的水分和蛋白多糖的成分减少 纤维环水分和蛋白多糖的成分减少 但不象髓核减少的那么多 纤维环弹力纤维扭曲 由于纤维环弹力纤维扭曲 纤维板层可能出现撕裂 导致纤维环强度下降 椎间盘的变化 由于这些变化 椎间盘开始丢失高度和容积 并逐渐失去弹性和对外来负荷的阻抗力 髓核也由于水分的丢失而不能维持其内部静水压 不能有效的形变 纤维环也不能维持其网状结构的张力 其结果就是椎间盘不能完全发挥其减震垫的功能 更多的轴向负荷从髓核中央转移到髓核边缘 导致椎体终板 椎体和小关节的解剖改变 椎间隙的狭窄同样也导致节段不稳定 这更增加了其它结构的应力 尤其是韧带 椎间盘的变化 正常与退变椎间盘之比较 右侧退变的间盘有明显的高度及容积的丢失 这是由于髓核及纤维环的水分和蛋白多糖丢失造成 同样可见纤维环纤维的扭曲和断裂 椎体的改变 退变所至椎体终板改变 随着时间的推移椎体可以出现很多变化 其中两个影响运动节段功能的变化是骨的硬化和骨刺的形成 退变随年龄增长而出现 终板下的软骨下骨形成增加 造成骨硬化 从而使该区域的血运减少 骨硬化对运动节段有两个负面影响 首先 它减少了通过软骨板渗透到椎间盘的营养 其次它使终板变硬 减震功能变差 椎体的改变 与间盘退变有关的椎体病变 椎体前后缘均有骨刺形成外缘骨刺椎间盘高度降低骨刺突入椎管及椎间孔 退变同时也影响椎体造成骨刺形成 这些骨性突出也称为牵引性骨刺 位于椎体边缘 由于间盘的高度和容量的丢失 骨刺可能对于稳定脊柱运动节段有一定的机械效应 但如果骨刺突入椎管压迫神经 也可以造成不良后果 小关节的改变 盘高度丢失导致小关节骑跨 造成关节软骨磨损 关节突增生 小关节骑跨增生骨刺间盘高度丢失软骨磨损 小关节的退变类似于其他关节的退变 严重的创伤或反复的微创可以导致非特异性滑膜炎 覆盖于观表便面的透明软骨逐渐丢失其水分 最终软骨完全磨损 关节囊松弛 关节突互相骑跨 导致关节对合不佳 运动节段功能异常 韧带的改变 盘高度丢失导致小关节骑跨 造成关节软骨磨损 关节突增生 小关节骑跨增生骨刺间盘高度丢