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1、脊柱力學動態平衡系統 脊柱是人體的支柱，架構複雜而穩定，在靜力學和動力學上都有自己的特點。它有以下基本的生物力學機能支援頭和軀幹，保持頭和上半身的平衡；將頭和軀幹的重力力矩透過骨盆傳遞給下肢，協調各部分之間的生理活動；吸收作用於脊柱的外力和震盪力，保護脊髓和神經根免遭外力損傷；參與形成顱腔、胸腔、腹腔和盆腔，支援和保護這些腔內的臟器。 與其它的人體架構相比，脊柱更易因力學平衡失調而造成損害，形成臨床上所謂的脊柱病和脊柱相關疾病(脊柱系統疾病)。因此本章重點介紹脊柱的生物力學特點和動態平衡原理，從而探討脊柱系統疾病發生的力學原因。脊柱的基本力學構造 正常人的脊柱由塊椎骨構成，包括塊頸椎、塊胸椎、
2、塊腰椎、塊融合在一起的薦椎和塊融合在一起的尾椎。這些椎骨透過個椎間盤、個關節和周遭許多強勁的肌肉、韌帶等軟組織連接在一起。此外，在脊柱內外還有供應能量的血管、控制或傳遞訊息的神經、經絡等網路系統等。以上各部分共同構成了一個嚴密穩定的動態的力學平衡架構體系脊柱。 從生物力學角度來看，脊柱由剛度比較大的椎骨和剛度較小的椎間盤以及附著在脊柱上的肌肉、韌帶等軟組織組成。分別對椎骨和椎間盤的力學特性的研究證明，椎骨大體上屬於彈性材料，而椎間盤和韌帶等屬於粘彈性材料。在類比人體屈曲狀態下，對新鮮腰段脊柱的長期載荷效應研究表明脊柱具有潛變、鬆弛等粘彈性性質。潛變是指對實驗材料施加一個固定不變的載荷時，隨著時
3、間的延長，實驗材料的變形速度逐漸增加的現象。鬆弛是指將實驗材料固定在一定的變形之下，實驗材料內部的應力隨著時間的延長而逐漸減小的現象。在生理載荷範圍之內，隨著時間的延長，脊柱的潛變變形不斷增加，載荷鬆弛不斷衰減。在標準載荷作用下，腰段脊柱的潛變和鬆弛均是在最初的 10 分鐘內變化較大。在載荷固定在 100 牛頓時，最初 10 分鐘內的平均變形速率達到相對平衡點潛變的 40，載荷下降占最大載荷的 40。但同樣在 100 牛頓的載荷作用下，椎體的棘上韌帶的潛變率很小，與相對平衡點的潛變值接近，所以腰段脊柱的潛變和鬆弛主要是由椎間盤的特性造成的。 脊柱在無負載的自然情況下所受到的力主要包括人體的重力
4、、支援反作用力、韌帶張力和肌肉的收縮力。人體的重力通常垂直於水面平，支援反作用力則與重力方向相反、大小相等。如果身體的長軸相對於支援面呈某種角度，則按照力的平行四邊形法則，反作用力可被分解為兩個分力；一個為水準分力，一個為垂直分力。韌帶張力和肌肉的收縮力使脊柱的各個部分或各質點之間產生運動，因此產生相互作用的力。 在不同運動狀態下，脊柱各節段的受力情況和力學特性也有所不同。洪水棕等以新鮮頸段脊柱為材料，測定了在前屈、後伸、側屈位置下受到靜載荷和衝擊載荷作用時的應力、應變分佈與傳播情況，發現下同等數值的靜載荷或衝擊載荷作用下，由於頸椎處於不同的屈伸位，也會引起各頸椎骨的鉤椎關節的應力值及其分佈規
5、律發生變化。在使頸段脊柱前屈 15位置，並給與 3Kg(相當於正常人體頭部重量)的載荷時，應力與應變呈線性變化關係。各頸椎前緣和鉤椎關節基本上承受壓縮應變，其中以第 4 頸椎前緣和第 5 頸椎的鉤椎關節的應變值最大。但使頸段脊柱處於後伸 15狀態時，最大應變位置位於第 6 頸椎前緣和鉤椎關節，而且應變和應力為非線性變化關係。說明在前屈狀態下，載荷主要由頸椎骨承受，而後伸狀態時，由於肌肉、韌帶等粘彈性材料和頸椎後方的關節突、棘突等架構的作用，使頸段脊柱表現出粘彈性特性，顯示了生物複合架構的特性。 人體脊柱即使處於相同的屈伸位置，但由於承受載荷的靜、動性質差異，其應力值及其分佈規律也不相同。承受正
6、常靜態重量時，脊柱的應力、應變較小 ，在衝擊載荷作用下，可產生較大的應力、應變，外來暴力容易使脊柱的應力急劇加大，造成急性外傷或骨質病變。（一）椎骨的生物力學特性 最早關於人類椎骨生物力學的研究大約是一百年前 Messerer 對椎體強度的測試，從那時起，人們對椎骨力學性能的認識不斷深入，大部分研究集中在椎體的力學性能研究上。圖 5-1 頸 3腰 5 椎骨的抗壓強度 椎體 早期的生物力學是對椎體抗壓強度測試的研究。特別是噴氣機駕駛員跳傘時的彈射問題，如何選擇合適的加速度方能不致於造成脊柱損傷，促進了這一問題的深入研究。一般說來，椎體的強度隨著年齡的增長而降低，特別是在 40 歲以後，發生明顯的
7、降低。圖 5-1 為頸 3 至腰 5 椎體的抗壓強度。從圖中可見，一個椎體的骨組織若減少 25%，可使其強度降低 50%以上。近年的研究表明，骨的礦物質含量與骨的強度有著極其密切的關係。更進一步的研究是將椎體分離成皮質骨殼、松質骨核及終板來測試。 （1 ）皮質骨殼椎體是脊柱的主要負載成分。但椎體的主要負載部分是皮質骨殼還是松質骨核？這個問題曾引起了很長時間的爭論。有人認為椎體主要靠皮質骨殼來負載，有人則認為皮質骨殼很薄，承受不了多少載荷。Rockff 等的實驗證明，完整椎體的強度隨著年齡的增加而減低，從 2040 歲椎體強度的降低率很高，40 歲以後強度改變不大。在 40 歲以前，皮質骨殼承載
8、 45%而松質骨核承載 55%。40 歲以後，皮質骨殼承載 65%而松質骨核承載 35%。這種強度的消長說明，隨著年齡的改變，椎體的韌性在不斷降低而脆性在不斷提升。這可能是老年人骨質疏松、椎體容易發生壓縮性骨折的主要原因。 （2 ）松質骨核在對椎體松質骨強度的測試中，其載荷變形曲線顯示了三種破壞形式型顯示最大載荷以後強度降低（占 13%）；型顯示最大載荷以後可以維持其強度（占 49%）；型在斷裂點以後強度升高（占 38%）。後來的實驗又證明，椎體的松質骨核可以承受很大的壓縮載荷，在斷裂前其變形率可高達 9.5%，而相應的皮質骨殼的變形還不足 2%。這說明椎體損傷首先發生皮質骨斷裂，而不是松質骨
9、的顯微骨折。 （3 ）終板終板在脊柱的正常生理活動中承受著很大的壓力。在脊柱運動節段（完整的椎間盤及其上下椎體）的疲勞試驗中，有 1/3 的標本發生終板斷裂伴髓核突出，而且這種斷裂多發生在年齡比較小的標本上。終板斷裂有 3 種形式中心型、周遭型及全板斷裂型。中心型在沒有蛻變的椎間盤中最多見，周遭型多見於有蛻變的椎間盤，全板斷裂多發生於高載荷時，如圖 5-2 所示。 圖 5-2 終板的斷裂機製椎弓 到目前為止，還沒有將椎弓做離體的研究。圖 5-3 是 3 種不同加載模式作用於整體椎弓的實驗。結果顯示大部分斷裂發生在椎弓根。椎弓根的強度與性別及椎間盤的蛻變與否關係不大，但隨著年齡的增長而減退。 圖
10、 5-3 椎弓的斷裂載荷關節突 在一個完整的脊柱運動節段加載試驗中，關節突大約承擔 18%的載荷。在脊柱從後伸到前屈的全過程中，關節突關節承擔的載荷從 33%降到 0。在極度前屈時，關節突不承擔載荷，但關節囊韌帶受拉。在扭轉試驗中發現，椎間盤、前後縱韌帶與關節突關節囊、韌帶各承擔 45%的扭轉載荷，余下的 10%則由椎間韌帶承擔。（二）椎間盤的生物力學特點 椎間盤在相鄰椎體間起著緩沖墊的作用，在各種不同的載荷下，它產生相應的變形，來吸收衝擊、穩定脊柱。 受壓特性 椎間盤在受壓的時侯，主要表現為纖維向四周膨出，即使在很高的載荷下，去除載荷後產生永久變形時，也沒有出現哪一個特殊方向的纖維破裂。在脊
11、柱的運動節段承受壓縮試驗中，首先發生破壞的是椎體而不是椎間盤。這說明，臨床上的椎間盤突出不只是由於受壓，更主要的原因是椎間盤內的應力分佈不均勻。 受拉特性 在脊柱前屈、後伸或側彎活動中，椎間盤的纖維承受軸向張應力。在圍繞脊柱軸的旋轉活動中也產生與軸線呈 45角的張應力。即使在脊柱受壓時，也有一部分椎間盤承受張應力，因此可以認為，在所有的不同方向和載荷 條件下，椎間盤都承受張 應力。對椎間盤的強度測試證明，椎體前後部位的椎間盤強度比兩側的高。中間的的髓核強度最低。椎間盤的纖維環在不同方向上也表現出不同的強度，沿纖維走行方向的強度是水準方向強度的 3 倍。了解這一點對脊柱損傷發病機製的分析，確定合
12、理的治療方法是很有意義的（圖 5-4）。 圖 5-4 椎間盤的各向異性受彎特性 彎曲及扭轉暴力是椎間盤損傷的主要原因。有人在實踐中發現，脊柱在矢狀、額狀或其他 垂直平面內彎曲 68 時並不發生椎間盤的損傷，但是去除前後縱韌帶後椎間盤易發生膨出，前屈時向前膨出，後伸時向後膨出。在脊柱側彎時，椎間盤向凹側面膨出（圖 5-5）。有人透過造影證實，在脊柱的屈伸活動中，髓核並不改變其形狀及位置。這一結果可以用來解釋臥平板床或輕度屈曲脊柱作為治療和預防腰痛的機理。 圖 5-5 彎曲造成的椎間盤突出，前屈和後伸都在凹側膨出，而在凸側椎間盤受拉。受扭特性 在脊柱的運動節段軸向受扭的實驗中發現，扭矩與轉角變形之
13、間的關係曲線呈“”型，明顯地分為 3 個部分，初始部分為 03變形，只要很小的扭矩即可產生。在中間部分為 312的扭轉，這部分扭矩和轉角之間存在著線性關係。在最後部分，扭轉 20左右發生斷裂。一般地說，較大的椎間盤能夠承受較大的扭矩，圓形的椎間盤比橢圓形的承受強度高。 受剪特性 椎間盤的水準剪切強度大約為 260/mm 2。這一數值很有臨床意義，它說明單純的剪切暴力很少造成纖維環破裂。纖維環的破裂多由於彎曲、扭轉和拉伸的綜合作用所致。 圖 5-6(A) 椎間盤的潛變特性鬆弛和潛變現象 椎間盤在承擔載荷時有鬆弛和潛變現象。在三種不同載荷下觀察 70 分鐘的結果發現，較大的載荷產生較大的變形及較快
14、的潛變率。潛變的特點與椎間盤的蛻變程度有關，蛻變的椎間盤潛變很慢，經過相當長的時間才能達到最大變形，顯示出粘彈性性質。蛻變的椎間盤則相反。這表明蛻變的椎間盤吸收衝擊的能力減退，也不能將衝擊均勻地分佈到軟骨終板（圖 5-6）。 圖 5-6(B) 椎間盤的潛變特性滯後特性 椎間盤和脊柱的運動節段均屬於粘彈性體，有滯後特性。這是一種架構在循環加載時伴有能量損失的現象。當一個人跳起或落下時，衝擊能量透過腳，由椎間盤和椎體以滯後的模式吸收。這可以看做是一種保護機製。滯後與施加的載荷、年齡及椎間盤所處位置有關。載荷越大滯後越大；年輕人的滯後大，中年以後的滯後小；下腰部椎間盤比胸腰段及上腰部椎間盤的滯後大。
15、同一椎間盤在第 2 次加載後的滯後比第 1 次加載時下降，這表明反覆的衝擊載荷對椎間盤有損害。汽車駕駛員的腰椎間盤脫出發病率高，可能就是由於反覆承受軸向震動的原因。 疲勞耐受性 椎體的椎間盤的疲勞耐受能力尚不知道，從離體的脊柱運動節段疲勞試驗中可以看到，施加一個很小的軸向持續載荷，向前反覆屈曲 5，屈曲 200 次時椎間盤出現破壞跡象，屈曲 1000 次時完全破壞。椎間盤內壓 無論是離體的還是在體的椎間盤內壓測試都是很困難的，Nachemson 等首先利用髓核的液態性做為載荷的傳導體，用一個脊柱運動節段來做離體的測試，發現髓核內壓與軸向加載有直接關係。他們的實驗方法是將一個微型壓力傳感器裝在一
16、個特製的針尖上，當針刺入髓核後，壓力便透過傳感器反映出來。後來，他又利用這一方法做了椎體的椎間盤內壓力測試，結果見圖 5-7。 圖 5-7 承載後的間盤內壓力自動封閉現象 由於椎間盤缺乏直接的血液供應，一旦發生損傷，就需要透過一種特殊的模式“自動封閉”來修復。在椎間盤的 3 種損傷類型的軸向加載試驗中觀察到，單純纖維環損傷的標本第 1 次加載的載荷變形曲線與纖維環完整者不同，但加載2 3 次以後，其載荷變形曲線接近正常情況（圖 5-8）。這種現象在受扭或受剪時是否存在，在體內是否也存在這種自動封閉現象，還需要進一步研究。 圖 5-8 間盤損傷後的生物力學行為脊柱韌帶的生物力學特點 脊柱的韌帶有不同的功能，首先，要保證準確的生理運動及固定相鄰椎體的位置姿勢。其次，限制過度的活動以保護脊髓。最後，在快速高載荷的創傷環境中保護脊髓。這些不僅需要韌帶限制椎體的位移
