第二节　脊柱的功能单位及力学性能

脊柱的功能单位是包括两个椎体及其间的连接结构，从功能的整体看，把脊椎的功能单位概括为一运动节段（motion segment）。运动节段的前部是两个椎体、椎间盘和纵向韧带，其后部是相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及其间的韧带。

一、椎体的功能解剖及生物力学

椎体为短骨，外层为致密骨皮质，其内包围着松质骨。若将椎体做冠状面切剖观察，可清楚地看到椎体松质骨骨小梁按照力线走行，这些线按垂直方向连接到椎体的上面和下面，按水平方向连接到椎体的旁侧或外侧。若将椎体做矢状面切剖，可清楚地看到骨小梁呈斜行扇形走行，其中之一从椎体上面到上关节突和棘突，另一从椎体下面到下关节突和棘突。上述骨小梁交错编织的结果，起到了加强椎体阻抗的作用。而相互交织呈三角形部位，为椎体功能单位阻抗力薄弱的单位，也是临床上最易发生骨折的部位。

椎体在承受压缩载荷方面起重要作用。但对于松质骨和密质骨所承载的重要性历来存在不同观点。对椎体及其密质骨与松质骨部分的抗压强度测定结果表明，40岁以前密质骨与松质骨分别承受45%和55%的压缩载荷，而40岁以后两者分别为65%和35%。许多研究表明，随着年龄增长椎体的抗压强度逐渐下降，这一变化与椎体松质骨抗压强度的改变基本上是平行的。与此同时，椎体的各项特异性却逐渐增加，竖直方向与水平方向的抗压强度比值逐渐加大。松质骨横向骨小梁进行性减少，纵向骨小梁也逐渐由宽变窄，椎体上、下的软骨终板及外壁的骨皮质也逐渐变薄，且受到外力撞击，就非常容易骨折。

二、椎间盘的功能解剖及生物力学

椎间盘是由纤维环、髓核和软骨终板三部分构成。纤维环系由同心圆环状胶原纤维组成，层内纤维平行排列，层间纤维相互交叉排列，多层纤维构成，相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为±30°，形成一个十分坚固的环形结构，因此可以承受强大的弯曲和扭曲。

髓核被牢固地限制在纤维环中，它与纤维环之间无明显界限。髓核是椎间盘结构中的重要组成部分，椎间盘的载荷是复杂的，载重或运动时，椎间盘所承受的力有压缩力、屈曲力和剪切力三种。例如当脊柱伸曲或侧弯时，将产生强拉应力和压缩应力，而旋转时则产生剪切应力。

椎间盘具有以下特性：①椎间盘的压缩特性；②椎间盘的拉伸特性；③椎间盘的弯曲特性；④椎间盘的剪切特性；⑤椎间盘的扭转特性；⑥椎间盘的黏弹特性。

由于椎间盘具有的特性，在其载荷的情况下，能顺利地完成倾斜运动、旋转运动、滑动或剪切运动。

三、椎弓及关节突的生物力学

目前，对于椎弓力学特性的研究较少，有作者曾用不同的加载方式测定椎弓的破坏载荷，研究发现实验造成破坏后有47%的骨折发生在椎弓根，35%发生在关节突间即峡部。

关节突关节的生物力学功能主要是承受压缩、拉伸、剪切、扭转等不同类型的载荷，并在此基础上提供一定范围的生理活动。

四、韧带的生物力学

韧带属胶原组织，主要由腔原纤维、弹力纤维、网状纤维和基质四种成分构成。在这四种成分中以胶原纤维和弹力纤维占比例最大，并起着主要作用。此外，韧带的性能还受其纤维排列的方向性影响，一种韧带只承受一种或很少几种载荷，功能较为专一，但不同排列和不同功能韧带的综合作用，却保证了脊柱在三维空间内复杂生理活动的顺利进行。

五、椎间盘退行性改变的生物力学

随着年龄的增大，椎间盘可发生明显的退行性改变，髓核的水结合力逐渐下降，弹性功能逐渐减退，并逐步丧失贮藏能量、传递和扩散应力的能力，从而减少抗载荷的力量。椎间盘退行性变后，因髓核脱水，容积压缩等因素，使两椎体间隙狭窄，引起椎间小关节先从不等距离的错位而发展到半脱位，造成关节囊和关节周围软组织结构的损伤。