一文讲透腰椎运动力学特征与相关疾病关系
主要来源：《脊柱动态重建技术》
（主译：王华东 李忠海）
（主审：侯树勋 海 涌）
作者：杨 明 大连医科大学
李忠海 大连医科大学附属第一医院
脊柱运动是一种复合运动，由各运动节段运动整合而成，运动节段由椎间盘和相应平面的两侧关节突关节将相邻椎骨连接而成，是脊柱结构和功能基本单位。
就某一运动节段而言，椎间盘和两个关节突关节在水平面方向构成一个稳定三角，在纵向方向则构成一个对称的三棱柱状立体结构，整体上构成一个稳定的三关节复合体，三者相互制约，保持脊柱的稳定性。
腰椎接续于上方的胸椎，向下连接骶尾骨，承载了人体大部分体重，是旋转、屈伸的主要活动部位，其运动时承载的应力在脊柱各节段中是最大的，因此更容易发生相关疾病。本文主要介绍腰椎相应解剖结构的运动力学特征及其与相关疾病的关系。
腰椎运动节段的主要构成——三关节复合体
01
小关节
腰椎小关节也称zygapophyseal关节，位于椎弓根与椎管相连处，由相邻节段椎骨的上、下关节突及包绕在外部的关节囊共同构成，左右各一，上下关节突的形状类似“C”或“J”形。小关节是腰椎后部结构的重要组成部分，属于滑膜关节，并且是脊柱唯一的滑膜关节，上下关节面有软骨覆盖，关节囊内有滑膜液，关节间隙大约有2mm，其关节容积在1～1.5ml。
由于要适应直立行走、负重及活动，腰椎小关节的方向性具有明显的特点，大体趋势是由上到下关节面逐渐由偏向冠状位转向矢状位，T12-L2的小关节与椎体成大约呈26°～34°，而L3-L5的小关节与椎体成大约呈40°～56°。
小关节是腰椎运动的重要组成部分，其主要功能是引导脊柱的运动，并对抗压缩、剪切和轴向旋转等各种形式的负荷。也就是说，腰椎间小关节的主要功能并不是运动功能，而是引导、对抗运动以保持腰椎稳定性的功能，即动态稳定的功能。这一作用对保护椎间盘有重要的意义，因为扭转载荷是导致椎间盘退变、突出的主要原因，完整的小关节可保护椎间盘免受过度扭转的破坏。
临床上对小关节越来越重视，是因为现在已经确定小关节可以是疼痛的直接来源。小关节的退变，包括与其相关的组织损伤和炎症均会引起化学介质的释放从而刺激关节内神经末梢，进而导致腰背痛的产生。使用局部麻醉剂和激素进行小关节封闭甚至是小关节的神经毁损手术，已经成为治疗腰背痛的一种推荐治疗方法。
和人体其他所有关节一样，小关节也会发生骨性关节炎，这类患者往往同时伴有椎间盘的退变。椎间盘退变和小关节骨性关节炎具有一定的相关性，腰椎滑脱、椎间盘突出以及椎管狭窄均可继发于相应节段的椎间盘和小关节的退变。既往研究已经证实腰椎小关节与退行性腰椎滑脱、腰椎间盘突出有密切关系。近年来，我们的研究发现小关节的生物力学特征在慢性腰痛、椎间盘突出术后复发的发病机制中发挥了极为重要的作用。
02
椎间盘
人体椎间盘是能抵抗强大应力的机械结构，它可以抵抗比骨骼所受应力更大的压力。实验研究表明，腰椎间盘在抬重物时能承受17000N的压力。为了能承载如此大的应力，椎间盘将压缩力转化成环形的拉伸应力，该拉伸性能根据纤维环带的区域而变化：纤维环的外部纤维比内部纤维更具刚性，前者将压缩转换为环向应力，后者则负责吸收冲击。椎间盘和小关节的力学载荷特点在腰椎的不同节段不尽相同，正常节段和退变节段之间也有明显差别。
椎间盘在脊柱运动和承受应力过程中扮演着非常重要的角色，作用于椎间盘上的应力非常复杂难以进行精确研究。机体静止时椎间盘承受的最大压应力大约是躯干自重的3倍，剧烈运动（例如跑步、跳跃）时则会承受更大的负荷。依据作用持续时间和对椎间盘的作用强度不同，施加于椎间盘上的应力可以分为短期高强度（例如提重物）和长期低强度（例如日常生活运动）。短期高能的应力可以导致椎间盘结构的破坏，而过度的长期低能负荷一般只会引发疲劳。
对于长期和慢性腰背痛患者而言，目前认为最主要的疼痛来源是椎间盘。从生物力学角度讲，椎间盘退变的结果是髓核内压力的减轻以及纤维环应力的增加。椎间盘退变会导致髓核内降钙素基因相关肽和血管活性肠肽的浓度在相邻脊神经节的水平上增加，从而引起疼痛。
在椎间盘退变的情况下，椎间盘承受和传导应力的主要区域和机体姿势密切有关（例如腰椎屈曲运动时前部纤维环承受主要应力，伸展运动时后部纤维环承受更大应力）。这种不同姿势下纤维环不同区域承受应力的异常变化可以用来解释姿势和活动相关机械性腰背痛。随着椎间盘退变的进展，椎间盘内组织结构会发生紊乱，其承担和传导应力的生物力学能力就会发生相应的改变。
如果退变进一步加重，椎间盘受力会变得更加不均匀，塌陷的终板之间可能会出现应力高度集中的区域。这种应力高度集中在某一个点的现象可能会导致椎间盘源性疼痛，退变最终可能会导致纤维环破裂及髓核突出。
各种状态下腰椎椎间盘的载荷受力情况
03
韧带结构
腰椎韧带能够对抗伸张和屈曲应力，同时有效地限制节段运动的范围。脊柱的韧带类结构可以分为两类：作用于某个椎体的节段内韧带以及跨越相邻椎间隙的节段间韧带。前者包括分别从前方和后方跨越椎体的前纵韧带（anterior longitudinal ligament，ALL）、后纵韧带（posterior longitudinal ligament，PLL）和棘上韧带。ALL和PLL紧密地附着在椎体上，成为对抗应力的主要结构，同时还有保护椎间盘将其限制在椎间隙内的作用。
ALL非常结实，是前柱的重要张力性结构。当脊柱伸展时，ALL承受了主要的牵张力，但是脊柱弯曲时ALL明显变得松弛。PLL的功能与ALL类似，但是PLL更宽，几乎覆盖了整个椎体后方包括椎间孔区域。作为脊柱后方主要的张力性结构，脊柱前屈时PLL承受牵张应力，脊柱后伸状态下逐渐变得松弛。
棘上韧带附着于相邻的棘突尖端，在脊柱屈曲时棘上韧带起到一定的限制作用。节段间韧带主要是指附着于相邻棘突间的棘间韧带、附着于相邻横突间的横突间韧带以及附着于相邻椎板间的黄韧带。黄韧带是脊柱后方重要的稳定结构并且沿脊髓走行参与椎管的构成。脊柱外科中的任何手术方式都可能会破坏这些韧带结构的完整性，或多或少的影响了脊柱的稳定性。
腰椎的韧带结构
04
肌肉结构
和韧带被动起作用不同，肌肉可以主动地为脊柱提供保护。脊柱在运动过程中如果受到外力影响，肌肉就需要产生相应的对抗力量。这些肌肉可以分为主要附着于单个椎体的节段内大肌肉和跨过多个椎体的节段间小肌肉。此外，按照肌肉的所在位置可以分为椎体前肌群和椎体后肌群。椎体后肌群（位于脊柱后方的肌肉）还可以进一步分为深层、中间层和浅层肌群。椎体前肌群（位于脊柱前方的肌肉）主要由4块腹肌组成。
机体有超过30块肌肉参与了脊柱的支撑和负荷，下列肌肉对于脊柱的支撑和稳定具有重要意义：腹直肌（主要的屈曲躯干的肌肉）、多裂肌（脊柱胸腰段主要的伸展肌肉）、竖脊肌、腰大肌（唯一一个连接脊柱和髋关节的肌群，也是脊柱主要的稳定肌）、腹内斜肌、腹外斜肌。
在没有应激的情况下，肌肉起的作用类似于其他被动的、非收缩性的组织（例如韧带和肌腱），即对抗外来应力，提高稳定性。但是应激之后不同的肌肉基于不同的附着节段和生理学特点，能够产生相应的运动。肌肉功能异常的患者既可能发生急性腰痛，也可能表现为长期存在的慢性腰背痛。大量的临床和基础研究均证实慢性腰背痛患者躯干肌肉的兴奋模式和无腰背痛患者有明显差别。
小结
某个腰椎节段退变的根本原因是相邻节段的生物力学特性改变（例如融合）还是年龄增长所致的自然退变，这一问题目前学术界还存在很大的争议。某一节段活动度的减少往往会使得相邻节段的活动度增加。
依据运动学的理论，节段运动的增加必然会导致相应的应力增加。要想对这一现象进行深入的研究必须动态地测定整个椎间盘承受的各向应力。虽然尸体标本研究能够做到，但是体内研究目前还无法实现这一点。随着微创传感器设计等先进技术的不断完善与进步，未来将会出现更安全、更精准的体内研究手段。
参考文献
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作者简介
杨明
李忠海
大连医科大学附属第一医院，医学博士，博士后，副教授，硕士研究生导师。“兴辽英才计划”青年拔尖人才，大连青年科技奖获得者。
研究方向：脊柱退行性疾病的病因学及阶梯化治疗、同种异体生物衍生材料、骨科数字化技术与人工智能。
目前兼任中国研究型医院学会神经再生与修复专业委员会脊柱退行性变与神经保护学组组长、中华医学会骨科学分会创新与转化学组青年委员、中国康复医学会脊柱脊髓专业委员会基础研究学组委员、中国康复医学会颈椎病专业委员会基础学组委员、中国医促会骨科分会骨科生物材料学组委员、中国生物材料学会骨修复材料与器械分会委员、中华中医药学会脊柱微创专家委员会委员、中国老年学和老年医学学会骨质疏松分会脊柱微创学组委员、中国医药生物技术协会3D打印技术分会委员、白求恩公益基金会骨科基层教育委员会委员等。主持国家、省部级科研课题基金项目7项。第一/通讯作者发表SCI论文37篇。国家发明/实用新型专利授权8项。第1完成人获大连市科技进步奖二等奖及三等奖、辽宁省自然科学学术成果奖二等奖等。