第二章　胸椎的生物力学基础

第一节　胸椎的生物力学

脊柱是一个活动灵活且相对稳定的多弯曲结构，其前面观是平直对称的，侧面观则有4个生理弯曲：颈椎前凸、胸椎后凸、腰椎前凸、骶椎后凸，这是由于椎体和椎间盘的形态导致的。后凸主要是由于椎体前缘相对于椎体后缘的高度要低，而前凸则主要是由于椎间盘前高后低所致。当脊椎被拉伸后，这种前后高度的差异便导致了颈、腰椎的前凸相较于胸、骶的后凸较大的扁平率。脊柱的生理弯曲在生物力学上有着重要的意义，增强了脊柱的灵活性和吸收能量的能力。

脊柱是由基本的相似运动节段组成，每一个节段可以看作是一个独立的，叫做脊柱的功能单位（FSU），它是由两个相邻的椎体及连接椎体的椎间盘和韧带组成。相邻椎体是由一个三关节组成的复合关节连接的，后方的两个是关节突关节，前方的是椎间盘。这些关节和韧带适应脊柱基本生物力学，具有高度特异性。

脊柱的生理功能包括支持、运动及保护神经结构。椎体、椎间盘及前纵韧带、后纵韧带为脊柱提供主要的支持作用，并且吸收外界的作用力，椎体的复合关节则提供运动功能，而脊柱的整体构造则起到保护脊髓和神经的作用。躯干肌和韧带增加脊柱的稳定性并维持躯体的姿势。脊柱正常作用的发挥有赖于脊柱的结构，脊柱的稳定性及灵活性，还有肌肉的力量和耐力的共同作用。其中任何一个环节的破坏都可能导致脊柱疾患。

应用既定的工程原则，人们研究了正常和异常脊柱当中的各种组成部分。如今科学技术日益进步，比如影像技术，内固定材料，脊柱内固定器械的进步等，在这些新技术的辅助下，外科技术也进一步提升，与此同时，外科大夫也面临着越来越多与生物力学相关的数据资料。

1.脊柱的生物力学

生物力学是力学的一个分支，它主要研究刚体在不考虑外力影响下的运动。刚体在三维空间内的运动可以描述为在坐标系内向特定方向的平动和转动。平动是刚体沿着轴向直线方向，并总是平行于刚体方向的运动，而转动则是刚体围绕特定轴的旋转。直角坐标系或是笛卡尔坐标系经常应用于生物力学的分析。

在脊柱中，椎体可以在三个正交轴内平动或是转动，也就是有6个自由度。脊柱的运动通常是多向的。比如屈伸运动，椎体既有矢状面的旋转也有前后方向的平移。活动的范围和方向是由解剖结构决定的，比如韧带，小关节及椎间盘等的结构。因此，脊柱的运动可以认为是所有6个自由度内运动范围的综合。对脊柱运动的深入理解对脊柱病变的诊断和治疗是非常重要的。

2.胸椎的生物力学

胸椎由于其作为胸廓的一部分，因此，有其特有的一些生物力学的特点，比如其运动范围和耦合性与活动度较高的颈腰椎不同。在上胸椎（T1～T5），平均的屈伸运动大约为4°，胸椎中段（T6～10）为6°。下胸段（T11～12和T12～L1），每个节段则有12°的活动范围。侧方弯曲运动的范围，上段和中段相似，下段则有所增加（6°到8°～9°）。相比之下，轴向的旋转运动，越向尾端，活动范围越相似。

在胸椎，侧方的弯曲和轴向的旋转相互耦合，这与颈椎的活动相似。在上段胸椎，侧屈时伴有更多的旋转。在中下段胸椎，这种耦合运动则不明显，而且这种耦合运动也并不是总是相伴的。例如，向左侧弯曲时，棘突会向右也会向左旋转。对于胸椎或胸腰椎的不稳，与颈腰椎的标准也有不同。虽然下胸椎与腰椎有些近似，但是由于其特点而又有所不同。目前多采用以下的评价方法。

脊柱不稳的诊断（胸椎和胸腰椎的不稳）：

（1）前方结构破坏或功能丧失：2分。

（2）后方结构破坏或功能丧失：2分。

（3）肋椎关节破坏：1分。

（4）影像学标准：4分。

1）矢状面移位> 2.5mm：2分。

2）矢状面成角> 5°：2分。

（5）脊髓圆锥或马尾损伤：2分。

（6）危险负荷加载：1分。

总分大于5分定义为不稳。

而在临床上，胸椎减压对脊柱不稳减压的影响比较大，因此，在胸椎和腰椎区域，胸椎前路的减压一般是通过部分或是全椎体切除来达到目的。因此，前路减压后如果不进行重建则可导致脊柱不稳，因为椎体承载了主要的负荷。前路减压通常建议同时行内固定和椎体间融合重建胸椎的稳定性。

椎板切术尽管极具争议，但是还是应用在胸椎手术当中。椎板切除可能引起不稳，因为切除了脊柱后方的支持结构，从而可以导致胸椎的稳定性遭到破坏，有的时候可以加重神经症状，与神经症状的加剧密切相关。因此，对于大范围的广泛的椎板减压，适当的内固定，比如椎弓根内固定还是必要的。

（安小春　岳　斌）