脊柱及椎间盘的生物力学分析近年来，脊柱以及椎间盘的损伤与疾病已经成为临床骨科领域的常见病和多发病，也是临床骨科医师在日常门诊工作中所面临的主要问题。
为了更好地理解，诊断，治疗脊柱与椎间盘系统的疾病，骨科医师就应采用力学的事实，概念，原理和数学，来解释人体正常及异常的解剖生理现象。
因此，生物力学也就成为现代骨科医师必须具备的理论基础。
鉴于此，笔者仅对脊柱及椎间盘的生物力学问题作一浅析，与同道们共同探讨和借鉴。
脊柱系由椎骨，韧带及椎间盘等连结构成的人体中枢支柱。
其结构复杂，且功能较多，又同时具有静力学特点和动力学特点。
正常人的脊柱有7个颈椎，12个胸椎，5个腰椎，五个相互融合的骶椎和3-5个微动的尾椎构成。
除环椎与枢椎的的结构特殊外，其它各椎的形态则大同小异，但在不同部位，其形态和大小也有不同。
腰椎支持整个躯干的重量，所以较为粗大，在成人其横径为 4.5-5厘米，矢径约为3-3.5厘米，厚约2.2-2.5厘米。
胸椎较小，横径约为3-3.5厘米，矢径约为2.5厘米，厚约为2-2.2厘米。
颈椎仅支持头部的重量，所以更为细小，通常横径约为2.5厘米，矢径约为1.5-1.7厘米，厚约为1.5厘米。
椎体主要由松质骨构成，外包以薄层硬质骨，上下边缘有隆起的骨环，称为骺环，椎间盘的软骨板就位于其中，除骶尾椎以外，各椎骨之间均以椎间盘相连。
椎体两侧的椎弓根与椎板相连，椎弓与椎体之间的孔隙形成椎孔，上下椎孔相连形成椎管。
关节突在椎弓根和椎板的移行部，向上下个伸出一对关节突，上关节突起于椎根，下关节突起于椎板。
椎间孔的上下壁是椎根的切迹，其前壁为椎间盘，后方为小关节的关节囊及部分黄韧带。
横突在椎弓的上下关节突发出部的中间，骶骨和尾骨没有横突，第三腰椎横突最长，所受腰肌牵拉最多，常导致腰肌筋膜附着点发生劳损，在临床上成为常见腰痛原因之一。
棘突在椎弓后方正中，上面附着丰厚的背伸肌，形成系列杠杆。
椎间关节：除环枢关节和骶椎外，其余椎体间均以椎间盘相连，椎间盘总数为23个，构成脊柱全长的四分之一。
脊柱与生物力学人类从爬行到直立，脊柱及其稳定性起到了主要的作用。
脊柱作为人体的中柱，具有负重、保持人体平衡和运动、保护脊髓及内脏等多种功能。
由于脊柱本身的结构和功能特点，保持脊柱的稳定性具有重要的意义。
脊柱一旦失稳，除了导致脊柱本身及相关结构组织的病变以外，还可通过神经的反射作用使相应的脊髓节段支配的内脏产生功能上的异常。
因而，脊柱的稳定成为倍受关注的问题。
脊柱稳定的生物力学:脊柱的稳定是由外源性和内源性两个系统来维持的。
前者主要是指肌肉系统。
根据肌肉的作用范围，脊柱肌肉可分为两大类。
一类肌肉的起、止点均在脊柱，如多裂肌、棘突间肌、横突间肌等，其作用主要是维持脊柱的生理弧度和在矢状面和冠状面上的稳定；另一类是直接附着于胸廓和骨盆间的肌群，如髂棘肌和腹肌，这些肌肉比较粗壮，对维持脊柱的稳定和抵抗外来载荷起重要作用。
两部分肌肉协同作用，共同保证脊柱的平衡与稳定。
肌肉既是脊柱稳定的因素，也是脊柱活动的原动力。
在静态下靠自身的张力维持脊柱的姿态，受力时则以主动收缩来增强脊柱的稳定。
因而，在生物力学上被称作动态稳定系统。
后者指脊柱及其韧带结构。
脊柱运动单元的本身结构:椎体、椎间盘、关节突、韧带和关节囊等结构的弹性模量较高，承受外力时变形小，在生物力学上被称作静态稳定系统。
脊柱在以上两个系统的共同维系下，保持其稳定和正常的生理曲度，从而发挥其正常功能。
脊柱作为人体的中柱，其稳定的失衡会对其他的器官带来影响，引起相关疾病;同样，其他器官或组织结构的病变也必将对其稳定性带来影响。
在脊柱本身的稳定系统和四肢的骨、关节、韧带和肌肉的健康，胸廓腹压骨盆以及四肢姿势和功能对维系脊柱的稳定也起着不可忽视的作用。
虽然，这些因素被认为是脊柱稳定的辅助因素，但它却是影响脊柱稳定的充分条件。
但是，在研究脊柱稳定和治疗脊柱失稳时恰恰忽略了这些因素。
尤其是在上述因素成为脊柱失稳的原始病因时，忽略了它其结果是不言而喻的。
青少年脊柱侧凸概述脊柱侧弯的经典定义为“脊柱在额状面上发生的侧方弯曲”,实际上应为一种复杂的三维畸形;额状面上畸形大于10度的传统标准仍然适用于现行的脊柱侧弯定义;然而由于近来对力偶合认识的加深,目前我们知道侧弯的脊柱不仅在矢状面和额状面上存在有差异,在横断面上亦存在有畸形;因此在脊柱侧弯的诊断和治疗过程中一定要对人体的三维平面进行评估;脊柱侧弯的患病率患病率是指在某一时点检查时可能发生某病的一定人群中患有某病的频率;由于侧弯严重程度的不同,脊柱侧弯的患病率而有所差别,角度大的侧弯发生率较低,世界范围内各种类型脊柱侧弯的患病率约为1%,且在各种群中相对恒定;勿将患病率与发病率相混淆;发病率是指在观察期内通常为一年,可能发生某种疾病的一定人群中新发生该病的频率;绝大多数研究所涉及的是脊柱侧弯的患病率;脊柱侧凸的病因学脊柱侧弯的病因多种多样;Moe 在其经典的教科书中列举的病因多达50余种;我们将其粗略地将脊柱侧弯分为以下四类： 神经肌肉性侧弯先天性侧弯某些疾患疾病,肿瘤和创伤导致的侧弯特发性侧弯 神经肌肉性侧弯神经肌肉性侧弯通常在儿童期发病;这类畸形多呈进展性且伴有明显的心肺并发症;该类患者的寿命通常缩短;神经肌肉性疾病又可进一步分为：神经病性和肌病性;然而,并非所有患有神经肌肉性疾病的儿童都会发展为脊柱侧弯; 多数神经肌肉性侧弯患者需接受脊柱融合手术;以使其能直立地坐在轮椅上并能够拥有较好的生活质量;坐立有助于改善患儿的肺通气,且有助于减少肺部并发症;神经病性疾患使神经系统受累;神经病性侧弯包括脑瘫,脊髓小脑功能障碍及脊髓灰质炎;肌性侧弯的病因在于肌肉组织疾患;Duchenne 肌萎缩和关节弯曲是肌性疾患的典型病例,并有可能导致脊柱侧弯; 先天性侧弯先天性侧弯是由于发育过程中胚胎受到损伤而造成的椎体或椎节构形错误所致,并非遗传所致;这类畸形出生时便存在,且程度轻重不等;先天性缺陷在患儿的成长过程中可加剧脊柱的侧弯程度;这种先天性脊柱缺陷可分为以下三个基本类型：形成不良分节不全混合型形成不良可累及单一椎体或多个椎体,指脊柱在宫内发育过程中,一个椎 体的部分或全部不能完整发育成型;形成不良最常见的情况是半椎体;该种畸形在侧弯中较为常见,并可使侧弯畸形加重;若脊柱后部结构发生形成不良,可导致脊柱裂或脊髓脊膜突出;右方插图显示的形成不良为半椎体;混合型是指形成不良和分节不全同时发生;这一类型较难判别和评估,需加以定期随访;混合型最重的情况通常为脊柱的一侧存在有多个未分节的骨桥,而另一侧则为半椎体;单纯的形成不良或分节不全较为少见,相反大多数患者表现为形成不良和分节不全两者并存; 某些疾患造成的侧弯某些全身性疾患也可导致脊柱侧弯的发生,如：感染、肿瘤或创伤;诸如间质病变的Marfan 综合征和遗传性结缔组织病变的神经纤维瘤病往往同时伴随有脊柱侧弯的发生;但并非这类疾病都有脊柱侧弯的发生;急性和慢性感染例如：结核有可能造成明显的脊柱侧弯;脊柱肿瘤及楔变的骨折,最终也会导致脊柱侧弯,但这些情况在儿童中罕见;多节段椎板切除术往往造成医源性侧弯,此在成年中亦较为常见;特发性脊柱侧凸特发性不明原因脊柱侧弯是脊柱的最常见类型,约占所有脊柱侧弯的85%,发生在其他方均正常的健康儿童中;无身体或影象学方面的病变证据;尽管这类畸形可能早已存在,但根据确诊时的年龄可将其分为以下三类：婴儿型出生——3岁少年型3岁——10岁青少年型10岁——17岁婴儿型脊柱侧弯确诊时的年龄在3岁以内;约占所有特发性侧弯的1%以下;多见于男童,通常为左侧胸弯;85%的侧弯可行缓解,15%的侧弯呈进行性加重;婴儿型脊柱侧弯随着侧弯的发展出现神经损害的风险较高;少年型脊柱侧弯确诊时的年龄处于3岁——10岁之间,约占所有特发性侧弯病例的15%;多在女童中发病,且以右侧胸弯为主;难以确定这类侧弯是否还会发展;一般来说,少年型脊柱侧弯进一步加重的风险较大;同青少年型特发性脊柱侧弯相比,往往更需要接受手术治疗;青少年型特发性脊柱侧弯AIS确诊时年龄多在10岁以后,并占所有手术病例的绝大多数>80%;这类侧弯可能早在少年时期即已存在,但表现并不明显,直至青春期发育高峰才明显地现出来;接受手术治疗的女性患者和男性患者的性别比例为9：1;影响侧弯加重的可变因素很多,因此难以预测其畸形是否会继续发展;患者的评估以下为对青少年型特发性脊柱侧弯进行评估的几个重要步骤;然而,在此并未囊括评估过程的所有步骤;家族史及一般健康状况需采集患者及其家族的既往病史;由于脊柱侧弯有明显的家族发病倾向,故需对其患有脊柱疾患的所有亲属进行了解和诊断;复习患者本人的既往病史,以了解侧弯发生的年龄及进展情况;对于女性患者还应记录月经初潮的年龄;体格检查观察患者的肩部、胸部、腰部和骨盆有无不对称或异常;记录躯干的皮肤皱褶情况,并记录第二性征的发育情况,如：阴毛的生长和乳腺的发育情况,从侧面观察患者有助于了解躯干和头部在矢状面上的平衡状况;其他检查步骤还包括铅锤线的测量,运动范围及下肢长度的测量,Adam前曲试验以及采用眼径计SCOLIOMETER测量肋骨隆凸;眼径计可用于测量脊柱畸形的旋转度数;如果其倾斜读数超过7度可确定为阳性;该种方法经常用于对学校的青少年进行大规模的侧弯普查;脊柱畸形患者的其它一些常用诊断方法如下：影象学诊断脊柱最基本的影象学诊断应当包括站立位全长的正、侧位X线片;X线片应该显示脊柱的全长;必要时采用两个X线片盒来获得脊柱全长的X线片;X线片拍摄时患者当取站立位,以便对其脊柱的平衡性进行评估,如果患者不能站立神经肌肉性脊柱侧弯,可采取坐位或卧位进行拍摄;拍摄时通常采用后前位;其道理在于尽可能减少青少年女性患者乳腺组织所接受的辐射剂量;此外,对于非脊柱X线片,观看阅片箱上的照片就如同阅片者站在患者的对面;对于脊柱X线片,阅片时阅片者如同站在患者的背侧;侧方弯曲的正位X线片有助于评估侧弯脊柱的柔软性;这类照片通常在患者取仰卧位时拍摄,此时关节突关节不处于绞锁状态,故可最大限度地显示其伸展性;有些情况下,如果患者的侧弯角度较大或肌力有限难以最大范围地活动其脊柱,此时可施以外力助之;对于某些神经肌肉性侧弯患者,可在牵引状态下拍片来评估侧弯的柔软性;为便于进行影像学诊断,有可能还需拍摄一些特殊体位的X线;。
