脊柱生物力学中的解剖因素与运动学概念

第一节脊柱生物力学中的解剖因素

一、正常生理弯曲

从正面看，正常脊柱的形态大体是直而且对称的，除了由于主动脉位置因素导致的胸段轻微的右弯，右利手也被认为是这种现象的原因之一；从侧面看，脊柱则是具有４个生理弯曲的曲线，即脊柱的生理性弯曲，分别是颈椎生理性前凸、胸椎生理性后凸、腰椎生理性前凸以及骶尾段的生理性后凸。

二、小关节

研究发现脊柱的活动可能在很大程度上取决于双侧小关节的关节突的形态和位置。关节突的方向和位置将会影响到脊柱的运动学特征。在胸段脊椎，上关节面几乎是平的，向后上而且偏外一些，而下关节面向前内下方。胸段脊椎关节面的方向可能和这一区域的无规律的复合运动有关。后面我们将继续讨论这个问题。

三、韧带

我们目前对于韧带在脊柱侧弯的物理性质和作用仍然知之甚少。Walters和Morris曾经做过一个体外实验来比较脊间韧带在原发性脊柱侧弯和继发性脊柱侧弯中力学性质的作用，结果显示二者之间无显著性差异。Nordwall比较了脊间韧带和竖脊肌肌腱在原发性脊柱侧弯、继发性脊柱侧弯以及单纯脊柱滑脱的病人体内的力学性质，结果同样是无显著性差异。

目前已经有很多研究黄韧带力学性质的文章，一致认为黄韧带在脊柱正常的运动过程中起到重要的作用。黄韧带在脊柱侧弯中的作用已经由实验证实。黄韧带和小关节限制正常脊柱胸段轴向旋转运动的范围；如果实施半椎板切除后，即去除了黄韧带缰绳”作用，可以形成实验性脊柱侧弯模型。

近来，关于在脊柱侧弯中椎间盘的生物力学作用的研究也相继出现。Brickley-Parsons和Glimcher观察了在脊柱侧弯病人中凸侧和凹侧的椎间盘性型胶原和型胶原的分布。他们发现型胶原和型胶原的分布存在显著性差异，研究者认为可能为凸侧和凹侧的压力不同所致，这也许就是Wolf力学定律在胶原的生物化学上的体现。

第二节运动学概念

早在年，Lovett曾经在《脊柱侧弯相关的机械力学》一文中提到，研究脊柱侧弯就像调查火车事故的原因，不仅需要了解撞毁的车厢破坏力的作用及方向，还需要知道将来如何更好地预防下一次事故的发生，比如通过对信号灯系统的调查来研究常规的预防措施。当时Lovett把他的研究定义为机械力学，实际上就是我们这里要谈到的运动学。

目前关于胸段脊柱运动学的研究已经有了2套相当成熟的实验方法。一种方法是分析在已知力的作用下运动节段的位移，使用电子记录仪来测量。这种方法提供了二维平面上的分析。曾有对照研究使用这种方法比较有无椎体附件的情况下脊柱节段的运动情况。另一种方法是把不锈钢小球作为标记，来研究更大范围脊柱节段的运动，在不同的运动过程中用摄像的方式来记录椎体的位置变化。从这种方法我们可以得到准确的脊柱三维运动的情况。关于这2种方法更为详细的内容可以在相应的文献中查到。

一、自由度

自由度是运动学的基本概念。一个椎体在其运动过程中有６个自由度，它围绕３个轴中的任何一个进行平移或旋转运动。为了临床和科研的方便起见，过去仅在二维平面上描述运动。近年来的发展趋势是把一种运动分别在冠状面、矢状面和水平面这３个面上进行描述。绝大多数这方面的研究都会涉及到平动或转动在某个面的向量的问题。这些研究往往需要准确的描述，而我们得到的往往是二维平面的资料，如影像学的资料。要知道，各种各样的运动平面不是总出现在这经典的３个解剖面中的某一个。在从前的临床工作中，我们对脊柱侧弯的临床测量和评估同样过于简单化，在单一平面上描述其畸形的情况。

二、复合运动

围绕着一个轴心进行的平动或者是转动常常伴随着围绕第二个轴心的运动，这就是复合运动。关于这个现象，在正常脊柱和脊柱侧弯中有一些有趣的问题。在颈椎和上段胸椎，椎体的轴向旋转常并伴有侧屈，而这种复合运动中，椎体的前份会旋转至侧屈的凹侧，换句话说，就是棘突朝向生理弯曲的凸侧。在脊柱胸段的中下份，这种运动模式仍然存在，而且是主要的方式，只不过不像颈椎那样明显而且持续存在。同时，脊柱胸段中份这一区域的复合性轴向旋转的方向在某些情况下和颈椎、上胸段是截然相反的。这些观察到的结果和脊柱侧弯发病的力学机制是有关的。

三、椎体附件

研究者往往把是否去除椎体附件作为对照来研究脊柱的功能单位的力学性质，发现去除椎体附件会显著增加脊柱的轴向旋转，所以可以认为，椎体附件在正常脊柱中的作用是限制其轴向旋转。我们还可以推论，如果在脊柱侧弯的情况下切除它们很有可能能极大地纠正异常的轴向旋转。非常有意思的是，其他研究者构建脊柱的计算机模型后分析手术切除椎间盘的影响，发现手术后能明显地降低脊柱对矫形的抵抗作用。那么，这一切从力学角度来讲是合情合理的，但是在实际工作中什么时候或是否应用这些概念，取决于外科的技术和评估。现在各种各样提供横向负荷的固定器械层出不穷，用于辅助脊柱侧弯的矫形，但是并没有要求手术进行脊柱前路或后路的松解。

四、螺旋状轴

真正的三维分析是描述椎体在空间中螺旋状运动的轨迹，其等价于围绕同一个轴进行的平移和旋转运动的复合运动。关于脊柱的三维描述见图１３－１。形成一个正确的三维立体的观念对于外科医生是非常重要的，可以在空间范围内正确认识椎体之间的相互位置关系。尽管这一概念从工程学的角度来看是有效的，但是应用到临床目前看起来似乎并非必要。临床实践并未涉及到这个层面。

可能大家在学习解剖的时候脊柱就是一根死死的骨头，但是实际上脊柱在人体内活动的过程中发生着很多的耦合运动，如果不能清楚地了解这一些耦合运动，那么就很难判别脊柱的问题出现在哪。

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