彭濤

腰椎小關(guān)節(jié)囊對腰椎穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)研究

彭濤

目的觀察腰椎小關(guān)節(jié)囊對腰椎運(yùn)動及穩(wěn)定性的影響。方法取6具成人新鮮腰椎標(biāo)本，每具標(biāo)本均選取L4/5節(jié)段，制成6個L4/5功能單位（FSU）。包埋固定后在生物力學(xué)實驗機(jī)上施10 N.m的載荷，進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)6個方向的運(yùn)動范圍測定，后逐級切斷標(biāo)本的單側(cè)（左側(cè)）及雙側(cè)小關(guān)節(jié)囊，重復(fù)生物力學(xué)實驗測定，記錄實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果切斷兩側(cè)關(guān)節(jié)囊后，腰椎前屈運(yùn)動范圍從實驗前的7.7°逐步增加到10.2°（P<0.05），對腰椎后伸運(yùn)動范圍變化無明顯影響（P>0.05）。切斷左側(cè)小關(guān)節(jié)囊后，腰椎右側(cè)彎運(yùn)動范圍較實驗前增加[（7.2±10°）比（6.3±0.8°），P< 0.05）]，對左側(cè)彎運(yùn)動無明顯影響（P>0.05）。切斷兩側(cè)關(guān)節(jié)囊后，腰椎左側(cè)彎角度從實驗前的6.5°逐步增加到7.3°（P<0.05），右側(cè)彎角度從6.3°逐步增加到7.2°（P<0.05）。切斷單側(cè)及雙側(cè)關(guān)節(jié)囊對FSU左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動范圍無明顯影響（P>0.05）。結(jié)論腰椎小關(guān)節(jié)囊可影響腰椎前屈運(yùn)動及腰椎側(cè)彎時的穩(wěn)定性。

腰椎小關(guān)節(jié)；腰椎小關(guān)節(jié)囊；生物力學(xué)；穩(wěn)定性

臨床上發(fā)現(xiàn)小關(guān)節(jié)退變是脊柱功能單位退變的基礎(chǔ)[1]，腰椎小關(guān)節(jié)損傷退變極易引發(fā)腰椎不穩(wěn)，從而出現(xiàn)下腰痛癥狀。腰椎小關(guān)節(jié)亦是腰椎運(yùn)動節(jié)段的重要組成部分，承受著人體活動時產(chǎn)生的壓縮、拉伸及剪切的載荷，并且參與腰椎六個方向的活動。生物力學(xué)研究證實腰椎小關(guān)節(jié)不僅有控制腰椎活動類型的作用，同時具有一定的承載功能[2]，研究也證實破壞腰椎小關(guān)節(jié)將直接影響腰椎的穩(wěn)定性，當(dāng)小關(guān)節(jié)切除1/2以上時便對腰椎的左/右側(cè)屈及左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動范圍產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。腰椎小關(guān)節(jié)囊主要位于小關(guān)節(jié)突的后外側(cè)，人體前屈時，腰椎上位小關(guān)節(jié)與下位小關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面之間分離成角為15°以上，同時關(guān)節(jié)面錯開可達(dá)50%，此時負(fù)荷就主要由小關(guān)節(jié)囊來承受[4]，同時在做旋轉(zhuǎn)活動時，小關(guān)節(jié)囊同樣需要承受部分載荷，所以我們推斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對腰椎的穩(wěn)定性同樣起著重要作用，一旦小關(guān)節(jié)囊遭到損傷或破壞會導(dǎo)致腰椎的旋轉(zhuǎn)和側(cè)彎運(yùn)動范圍加大。本實驗用生物力學(xué)實驗方法，通過不同方向?qū)怪δ軉挝唬╢unctional spine unit，F(xiàn)SU）加載10N.m的載荷使其進(jìn)行前屈、后伸、左/右側(cè)屈及左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，逐級破壞腰椎單側(cè)及雙側(cè)關(guān)節(jié)囊，測量標(biāo)本運(yùn)動范圍（ROM）變化，研究小關(guān)節(jié)囊對腰椎穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本制備選用6具生前無腰椎疾患的新鮮男性成人脊柱標(biāo)本，生前年齡60～73歲，平均（64.3± 4.2）歲。標(biāo)本由浙江大學(xué)解剖教研室提供，每具標(biāo)本選取L4/5節(jié)段，共制成6個L4/5功能單位（FSU）。每個標(biāo)本均進(jìn)行大體觀察、X線觀察和骨密度測定，證實無解剖學(xué)變異，無風(fēng)濕、結(jié)核、腫瘤、骨折、骨質(zhì)疏松等疾病以及無椎體周圍骨贅形成、小關(guān)節(jié)肥大、椎間盤高度降低、韌帶骨化等退行性變。剔除椎體周圍附著的肌肉、脂肪等組織，保留椎間盤、小關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)囊及韌帶等全部連接結(jié)構(gòu)。將制好的標(biāo)本立即用雙層塑料袋封裝，置于-20℃深低溫冷凍冰柜中保存。實驗前8h將標(biāo)本移至室溫下（20～25℃）解凍。解凍完全后，標(biāo)本兩端分別用聚甲基丙烯酸四酯包埋，包埋時聚甲基丙烯酸四酯不超過椎體的1/2，保證FSU運(yùn)動功能的完整性，見圖1（封三）。處理標(biāo)本的過程中隨時用生理鹽水保持標(biāo)本濕潤。

圖1 腰45運(yùn)動單位（FSU）標(biāo)本兩段分別用聚甲基丙烯酸四酯包埋

圖2 生物力學(xué)實驗機(jī)a三點彎曲試驗；b扭力抵抗性試驗

1.2 儀器與測試生物力學(xué)實驗?zāi)Ｐ鸵笤诮Y(jié)構(gòu)模擬、加載速度、材料的力學(xué)性質(zhì)、安裝固定的方法等相一致，以提高實驗檢測的精確度。將預(yù)先制作好并解凍完成的實驗標(biāo)本固定于生物力學(xué)實驗機(jī)上（MTS，USA），見圖2（封三）。通過砝碼系統(tǒng)加載，加載盤對實驗標(biāo)本施10N.m純力偶矩，分別模擬人體腰椎前屈、后伸、左/右側(cè)屈，及左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，見圖2a～2b。實驗過程中對每組標(biāo)本均進(jìn)行3次加載/卸載循環(huán)，每次加載和卸載后停留30s左右，以期消除腰椎的黏彈性影響。通過生物力學(xué)試驗機(jī)在標(biāo)本不同方向施加10N.m純力偶矩載荷，模擬人體腰椎前屈、后伸、左/右側(cè)屈及左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，于第3次預(yù)卸載停留30s后生物力學(xué)試驗機(jī)CAD自動記錄儀記錄恒定載荷——位移范圍，根據(jù)恒定載荷——位移范圍即測定標(biāo)本運(yùn)動范圍（ROM）。運(yùn)動范圍（ROM）是指最大位移減去脊柱自身彈性區(qū)的活動度。整個測試過程中，間隙噴灑生理鹽水使實驗標(biāo)本保持濕潤。實驗室內(nèi)測試環(huán)境：溫度：25℃，濕度：60%～80%。

1.3 實驗方法對6個L4/5功能單位（FSU）小關(guān)節(jié)囊實行逐級破壞。（1）測量實驗前正常脊柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；（2）對完成正常數(shù)據(jù)測試的FSU切斷其單側(cè)（左側(cè)）小關(guān)節(jié)囊，進(jìn)行僅保留單側(cè)小關(guān)節(jié)囊狀態(tài)下的L4/5功能單位（FSU）的生物力學(xué)測定；（3）對完成單側(cè)小關(guān)節(jié)囊切斷實驗測試后的FSU，切斷其右側(cè)小關(guān)節(jié)囊，此時，實驗標(biāo)本雙側(cè)小關(guān)節(jié)囊已經(jīng)完全離斷，僅剩上下關(guān)節(jié)突相對應(yīng)形成的骨性連結(jié)，再對該標(biāo)本進(jìn)雙側(cè)無小關(guān)節(jié)囊狀態(tài)下的FSU生物力學(xué)測定。小關(guān)節(jié)囊切除方法：找到L4/5一側(cè)小關(guān)節(jié)囊在L4下關(guān)節(jié)突上的附著點，并將其環(huán)形切斷。切斷后清除小關(guān)節(jié)周圍殘存軟組織，僅存上、下關(guān)節(jié)突間的骨性連結(jié)。

2 實驗結(jié)果

2.1 切斷小關(guān)節(jié)囊對FSU前屈/后伸穩(wěn)定性的影響逐級切斷單側(cè)（左側(cè)）及雙側(cè)小關(guān)節(jié)囊，F(xiàn)SU的前屈運(yùn)動幅度逐漸增大（P＜0.05），而椎體后伸運(yùn)動角度增加不明顯（P＞0.05），見表1。

表1 切斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對FSU前屈/后伸穩(wěn)定性的影響

表1 切斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對FSU前屈/后伸穩(wěn)定性的影響

注：與實驗前比較，**P＜0.01；FSU：功能單位

?

2.2 切斷小關(guān)節(jié)囊對FSU左/右側(cè)屈穩(wěn)定性的影響切斷左側(cè)小關(guān)節(jié)囊后FSU右側(cè)彎運(yùn)動范圍較實驗前增加（P＜0.05），而對FSU左側(cè)彎活動范圍無明顯影響（P＞0.05）。切除兩側(cè)小關(guān)節(jié)囊，F(xiàn)SU左、右側(cè)彎運(yùn)動范圍均較實驗前顯著增加（P＜0.05）。見表2。

2.3 切斷小關(guān)節(jié)囊對FSU左/右旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響不論切斷單側(cè)還是雙側(cè)小關(guān)節(jié)囊，對腰椎左右旋轉(zhuǎn)活動運(yùn)動范圍的變化差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表3。

3 討論

由兩側(cè)小關(guān)節(jié)和椎間盤共同構(gòu)成的腰椎三關(guān)節(jié)復(fù)合體是維持腰椎穩(wěn)定的基礎(chǔ)，而腰椎小關(guān)節(jié)作為人體中的活動關(guān)節(jié)，承擔(dān)了腰椎活動的各方向負(fù)荷，是腰椎各個組成部分中最易損傷的結(jié)構(gòu)。因此小關(guān)節(jié)的退變、損傷必定伴有小關(guān)節(jié)囊的退變或炎性反應(yīng)，兩者關(guān)系密切[5]。本實驗采用生物力學(xué)的方法模擬人體腰椎六個活動度的運(yùn)動，進(jìn)一步研究小關(guān)節(jié)囊在腰椎穩(wěn)定中作用。

表2 切斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對FSU左/右側(cè)彎穩(wěn)定性的影響

表2 切斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對FSU左/右側(cè)彎穩(wěn)定性的影響

注：與實驗前比較，*P＜0.05；FSU：功能單位

表3 切斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對FSU左/右旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響

表3 切斷腰椎小關(guān)節(jié)囊對FSU左/右旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響

注：FSU：功能單位

?

3.1 實驗節(jié)段的選取根據(jù)腰椎解剖學(xué)及生物力學(xué)的特點，本實驗選取L4/5節(jié)段進(jìn)行FUS的研究。腰椎的生理前凸開始于腰1/2，并且向下到骶骨，在每個水平上逐漸增加[2]。其中最下位的三個椎體的楔形變決定了腰椎大部分的前凸，下位腰椎活動度較大，處于活動的脊柱與固定的骨盆交界處，承受的壓力最大，下位椎體的小關(guān)節(jié)及椎間盤極易出現(xiàn)退變和損失。有研究發(fā)現(xiàn)急性腰椎小關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)囊損傷主要發(fā)生在腰3/4與腰4/5兩個節(jié)段，占全部腰椎小關(guān)節(jié)損傷的87%[6]。腰4/5與腰5骶1是腰椎受力最大的兩個節(jié)段，90%以上的腰椎間盤突出和慢性小關(guān)節(jié)退變發(fā)生在這兩個節(jié)段，因此臨床上下腰椎，特別是腰4/5椎體是常見的下腰痛的責(zé)任椎體，所以本實驗選擇腰4/5節(jié)段作為腰椎小關(guān)節(jié)囊對腰椎穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)研究的運(yùn)動測試功能單位是合理并具有代表性的。

3.2 切斷小關(guān)節(jié)囊對腰椎前屈/后伸穩(wěn)定性的影響腰椎功能單位的前屈和后伸主要表現(xiàn)為上位椎體的下關(guān)節(jié)突與上位椎體的上關(guān)節(jié)突相互遠(yuǎn)離和靠近。因此腰椎對抗垂直向下力矩作用很小，卻是對抗椎體間剪切的重要結(jié)構(gòu)[7]。實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)腰椎前屈時小關(guān)節(jié)面分離，關(guān)節(jié)囊緊張，可以推測小關(guān)節(jié)對前屈運(yùn)動的抵抗主要是由關(guān)節(jié)囊的韌性決定的，而骨性結(jié)構(gòu)的作用并不大。模擬腰椎后伸時，小關(guān)節(jié)囊松馳，部分關(guān)節(jié)囊突入關(guān)節(jié)內(nèi)形成皺襞，其對腰椎后伸活動無明顯限制，實驗結(jié)果顯示，切斷單側(cè)或雙側(cè)的小關(guān)節(jié)囊對腰椎后伸活動范圍的變化無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

3.3 切斷小關(guān)節(jié)囊對腰椎左/右側(cè)屈穩(wěn)定性的影響有力學(xué)實驗證明，腰椎在單純側(cè)彎力矩條件下小關(guān)節(jié)面的前內(nèi)下部和后外側(cè)上部產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，同側(cè)小關(guān)節(jié)面中下部產(chǎn)生較小應(yīng)力，與解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)受力范圍一致[8]。本實驗中發(fā)現(xiàn)腰椎作側(cè)彎活動時，對側(cè)的小關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)囊被拉升，同側(cè)的小關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)囊被壓縮，可見在側(cè)彎時，對側(cè)關(guān)節(jié)囊的限制作用要高于同側(cè)關(guān)節(jié)囊，也符合解剖研究側(cè)彎活動時對側(cè)關(guān)節(jié)囊緊張的表現(xiàn)。在切斷雙側(cè)的小關(guān)節(jié)囊后其運(yùn)動范圍增加顯著（P＜0.05），但切斷左側(cè)關(guān)節(jié)囊與切斷雙側(cè)關(guān)節(jié)囊對腰椎右側(cè)彎運(yùn)動范圍變化不大，顯示腰椎側(cè)彎時對側(cè)的關(guān)節(jié)囊起到主要的限制及穩(wěn)定作用，同側(cè)的關(guān)節(jié)囊松弛形成皺襞，對力學(xué)穩(wěn)定性影響不顯著。

3.4 切斷小關(guān)節(jié)囊對腰椎左/右旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響根據(jù)腰椎解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，下腰椎小關(guān)節(jié)面與失狀面呈45°，關(guān)節(jié)間隙狹窄，腰椎軸向扭轉(zhuǎn)一個很小的角度就會遇到骨性阻擋，從而進(jìn)一步限制了腰椎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。已有研究證實腰椎小關(guān)節(jié)是限制腰椎旋轉(zhuǎn)活動的主要結(jié)構(gòu)[2]。活動節(jié)段在軸向旋轉(zhuǎn)時，小關(guān)節(jié)面接觸區(qū)域均位于對側(cè)關(guān)節(jié)，并且接觸符合最高的區(qū)域在小關(guān)節(jié)的后外側(cè)上部，同時在軸向旋轉(zhuǎn)時同側(cè)小關(guān)節(jié)面并無接觸。Degreif[9]研究認(rèn)為腰椎節(jié)段的選擇運(yùn)動范圍很小，約在2～4°，與本實驗的結(jié)果相符。也有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)腰椎運(yùn)動節(jié)段軸向旋轉(zhuǎn)范圍超過3°時，即可造成關(guān)節(jié)突的破壞[10]，表明小關(guān)節(jié)是限制腰椎旋轉(zhuǎn)的主要結(jié)構(gòu)。本實驗中發(fā)現(xiàn)切斷單側(cè)（左側(cè)）關(guān)節(jié)囊或切斷雙側(cè)小關(guān)節(jié)囊對腰椎旋轉(zhuǎn)活動運(yùn)動范圍稍有增加，但對其影響變化無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），所以認(rèn)為腰椎小關(guān)節(jié)囊在小關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時有一定固定作用，但在腰椎軸向運(yùn)動時小關(guān)節(jié)間的骨性阻擋是限制腰椎旋轉(zhuǎn)活動的主要因素。

本實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，破壞腰椎小關(guān)節(jié)囊在腰椎前屈運(yùn)動及腰椎側(cè)彎時對腰椎的運(yùn)動范圍產(chǎn)生影響，說明小關(guān)節(jié)囊在前屈與側(cè)彎活動時對腰椎小關(guān)節(jié)有固定作用，在腰椎穩(wěn)定性方面有著一定的影響。提示臨床醫(yī)生在對患者施行腰椎后路手術(shù)時不能一味追求視野的顯露，也要注重術(shù)中對腰椎小關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)囊不必要的破壞，以免出現(xiàn)術(shù)后的腰椎不穩(wěn)定，導(dǎo)致下腰部的慢性疼痛等癥狀的產(chǎn)生。實驗結(jié)果也發(fā)現(xiàn)腰椎小關(guān)節(jié)囊對腰椎旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的穩(wěn)定性及限制不大，旋轉(zhuǎn)大于4°時會出現(xiàn)小關(guān)節(jié)的骨性阻擋，因此普通的按摩及脊柱旋轉(zhuǎn)手法不會引起小關(guān)節(jié)囊的破壞，但因避免過大幅度的手法直接損傷小關(guān)節(jié)。

［1］勵建安.脊柱運(yùn)動的解剖和生物力學(xué)基礎(chǔ)［J］.中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志，2004，26（5）：308-310.

［2］Jaumard NV，Welch WC，Winkelstein BA.Spinal facet joint biomechanics and mechanotransduction in normal，injury and degenerative conditions［J］.J Biomech Eng，2011，133（7）：071010.

［3］戴力揚(yáng)，成培來，張文明，等.腰椎小關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，1998，（02）：126-129.

［4］Ianuzzi A，Little JS，Chiu JB，et al.Human lumbar facet joint capsule strains：I.During physiological motions［J］.Spine J，2004，4（2）：141-152.

［5］張勇，李義凱，余磊，腰椎小關(guān)節(jié)囊的解剖學(xué)研究［J］.第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，2002，07（1）：9-12.

［6］Song C，Li XF，Liu ZD，et al.Biomechanical assessment of a novel L4/5 level interspinous implant using three dimensional finite element analysis［J］.Eur Rev Med Pharmacol Sci，2014，18（1）：86-94.

［7］劉紅，李守旭，王慶義.腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)位的研究及臨床意義［J］.中華放射學(xué)雜志，1992，26（12）：826-828.

［8］Senoglu N，Senoglu M，Safavi-Abbasi S，et al.Morphologic evaluation of cervical and lumbar facet joints：intra-articular facet block considerations［J］.Pain Pract，2010，10（4）：2 72-278.

［9］Degreif J.Rotational stability of the lumbar spine after interlarninal ultrasound window heruilaminectomy and laminectomy：A comparative experimental study［J］.Untrallehinurg，1994，7（5）：250-255.

（收稿：2016-04-28修回：2016-08-26）

Effects of Fibrous Capsule of Facet Joint on Lumbar Spinal Stability in Biomechanics

PENG Tao.2nd Department of Orthopedics and Trauma,Yuhang Chinese Medical Hospital of Hangzhou,Hangzhou(311106),China

ObjectiveTo observe the effect of fibrous capsule of facet joint on lumbar spinal motion and stability with biomechanical methods.MethodsThe L4/5 segments from 6 freshly prepared adult lumbar specimens were selected to create 6 L4/5 functional spinal units（FSU）,followed by embedding and application of 10 N·m torque using a biomechanical experimental machine.The range of motion（ROM）of each FSU was determined during motion in 6 directions（extension,flexion,left/right lateral bending,and left/right rotation）.The unilateral fibrous joint capsule（left side）and bilateral fibrous joint capsule were excised,and the biomechanical parameters of all were determined using the above-mentioned biomechanical machine.ResultsAfter cutting off the both sides of fibrous capsule of facet joint,the extension of FSU were extended from 7.7°to 10.2°（P<0.05）,but no influence on flexion motion was observed（P>0.05）.After cutting off the left side of fibrous capsule of facet joint,right lateral bending of FSU was increased from（6.3±0.8）°to（7.2±1.0）°,P<0.05,while left laterl bending of FSU was not different（P>0.05）.After cutting off the both sides of fibrous capsule of facet joint,left lateral bending of FSU was gradually increased from 6.5°to 7.3°（P<0.05）and right lateral bending from 6.3°to 7.2°（P<0.05）.No difference in left/right rotation of FSU was found before and after cutting off left lateral or bilateral fibrous capsule of facet joint（P>0.05）.ConclusionThe lumbar fibrous capsule of facet joint may impact the lumbar stability during flexion and left/right lateral bending.

facet joint;joint capsule;biomechanics;stability

杭州市余杭區(qū)中醫(yī)院骨傷二科（杭州311106）