2.1  解剖及运动特点  腰椎主要由椎体、椎弓以及发出的突起(包括横突、关节突、棘突)组成。由于是脊柱中承受压力最大的部分，因此椎体较颈椎、胸椎大而厚，横断面为肾形，棘突呈板状直身向后，棘突间隙较大，椎孔呈三角形。周围有前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带等多条韧带及其他肌肉软组织，起到保护椎体及协调、限制运动等作用。 每一个脊柱运动节段包括坐落在前方的椎间盘和后部的一对椎间小关节，组成三关节复合体结构。各个节段运动综合起来便可以构成脊柱的六自由度运动，即围绕3个运动轴(冠状轴、矢状轴、垂直轴)在三维空间中开展冠状面的侧弯运动、矢状面的屈伸运动及横断面的旋转运动，六自由度作为基本运动形式参与完成各种复杂的日常活动。 腰椎的基本功能单位由相邻的2块椎骨及中间的椎间盘构成，是能代表腰椎生物力学特性的最小单位。椎间盘是一块位于2个椎体之间的纤维软骨垫，由纤维环包绕髓核以及上下方的软骨终板构成。 2.1.1  髓核  髓核是椎间盘的中心凝胶状部分，对使脊柱具有机械柔韧性和强度至关重要，主要由水(66%-86%)和Ⅱ型胶原蛋白组成，有蛋白聚糖以及散布在各处的小软骨样细胞，这些蛋白聚糖将水保留在髓核中，从而有助于形成其凝胶状稠度[5]。水分的进出受渗透压的影响，其所提供的压力来维持刚度、保持髓核高度以及抵抗负荷。在日常活动中受到压迫后，一部分水分会渗入椎旁肌肉组织，导致髓核高度下降，移除压缩负荷后，水会被重吸收进基质，导致椎间盘的扩张和高度的恢复。随着年龄增长，受核变性的影响，髓核内流体含量会逐渐变少，椎间盘变得越发坚韧。 2.1.2  纤维环  纤维环由15-25个同心圆层构成，每个板层厚度不超过1 mm，由外到内厚度逐渐增加，由坚韧的纤维组织环绕而成。外层主要有Ⅰ型胶原纤维排列紧密，其方向相当于与水平层成25°-45°交替排列，为相邻层之间提供剪切阻力，复杂的排列方式保证能顺利承担核内压力产生的张力和环向或轴向应力[6]。内层主要是较低密度的Ⅱ型胶原纤维组成的网状结构，缺乏明显的板层分界，与蛋白聚糖及水结合，使组织能承受更大压力。这些胶原纤维集中在每个板层之间，有助于变性之后的弹性反冲[7]。纤维环在椎间盘的生物力学特性中起着至关重要的作用，它的结构完整性对于限制髓核和在负荷下维持生理性椎间盘内压至关重要，损伤修复目前研究火热，生物支架材料被广泛讨论，这些材料一般具有在蛋白水解环境中抵抗降解，支持纤维环细胞浸润、增殖，有良好的组织相容性等特点[8-10]。 2.1.3  软骨终板  软骨终板是位于椎间盘上下端连接椎体的一层透明软骨，大约为0.8 mm厚，在中心部逐渐变薄弱，负责将压力从椎间盘传到椎体[11]。主要由水分、Ⅱ型胶原纤维、蛋白聚糖构成，胶原纤维平行于椎体排列构成的三维网络能保证物质顺利交换以及完成髓核与纤维环之间压力转移[12]。软骨终板通过孔隙与椎体联系，这些孔隙主要位于椎体中央，与终板厚度呈负相关，以促进椎间盘髓核与椎体之间的物质转运，但孔隙直径明显小于多孔骨间隙，一定程度限制了物质转运，保证髓核部分细胞渗透压力。小分子营养物质的转运主要通过端板进行，压缩载荷对物质转运运输的影响是微不足道[13]。同时ZEHRA等[14]研究发现机械应力是椎板厚度和孔隙率的决定因素，与年龄关系不大，同时终板缺陷与椎间盘退变具有强烈关联。 2.1.4  血运及神经  健康成人腰椎间盘几乎是没有血管组织。胎儿时期血液供应主要来自椎间及邻近血管小分支，通过软骨板到达椎间盘，但不到髓核。随着生长发育到20岁之前，这些血管会逐渐封闭完全。髓核缺乏血管组织，因为其细胞表达Fas配体，导致血管内皮细胞凋亡，进而导致血管生长不良，另外在发育过程中，脊索细胞会释放出可以抑制血管内皮生长因子的因子。向髓核提供营养的血管主要位于靠近椎间盘的纵向韧带以及软骨终板中。椎间盘使用的大部分营养来自软骨终板扩散或外环纤维化中的血液供应，软骨终板的完整性对于整个椎骨节段非常重要，血管化终板为无血管纤维环及髓核盘提供了营养[15-16]。髓核纤维环无血管结构适应了椎间盘的抗压需要，髓核内富含的粘多糖具有强大的吸水能力，营养供给以及废物排泄依赖水分的进出来实现。 早期认为椎间盘是不含任何神经纤维的，但随着各种染色方法应用以及形态实验学研究，在纤维环表面各部位以及韧带周围发现大量无髓鞘神经纤维。前纵韧带接受来自背根神经节分支的传入神经支配，后纵韧带主要受来自脊髓神经上行支的伤害性纤维的支配，这些神经同时支配邻近的纤维环外层[17]。窦椎神经和灰色交通支是支配椎间盘和髓核的主要神经。这些神经是交感神经，不仅向椎间盘提供神经支配，也向硬脑膜腹侧部分以及前后纵韧带提供神经支配[18]。 2.2  研究方法  目前腰椎间盘生物力学研究方法主要有体外研究和体内研究这两大类型。体外研究包括动物标本、人类尸体模型、有限元分析等，这些方法通过建立不同的脊柱模型，在生理或非生理状态下模拟腰椎运动，从而指导人体生物力学研究。特别是有限元分析，通过调整脊柱运动不同影响因子，获得受力时内部应力变化和完整的形变过程，进行精准的数据分析。但是体外研究有其局限性，所得到的数据大多不能直接运用于临床：首先实验动物多为四足动物，脊柱结构和功能与人类一般有很大差异；人类尸体模型为体外实验，难以模拟活体生物特性的变化；有限元分析设置的参数大多为定值，参数量大，缺乏个体差异，且计算耗时。 实际在体内生理情况下，腰椎运动通常伴随椎体周围复杂的肌肉牵拉、韧带张力、椎间盘内外体液交换等一系列过程，这些过程难以在体外非生理条件下进行模拟，体内研究顺利避免这一问题。体内研究是运用影像学手段直接测量人体椎间盘生物力学变化，主要包括运用平面X射线透视、CT和MRI技术等常用医学影像技术，新近发展的双平面荧光透视成像系统以及高速动态立体射线照相系统。双平面荧光透视成像系统和高速动态立体射线照相系统则是在综合运用各类影像技术的基础上，通过计算机软件辅助再现人体关节活动。 2.2.1  体外研究 (1)动物标本实验：目前实验动物模型广泛运用于生物力学实验中。从物种可靠性来说，以灵长类动物更为合适，但受经济、来源等条件的限制，目前正广泛采用猪、犬、羊，大鼠等实验动物。大量学者针对实验动物脊柱与人类脊柱生物力学是否存在共性做了广泛探索。WILKE等[19]研究发现羊颈椎结构明显异于人体，但胸腰椎与人类许多相似之处，可以作为胸椎、腰椎研究的合适实验动物模型。KUMAR等[20]发现鹿胸、腰段脊柱和人体具有极大相似性。适用性获得验证之后，实验动物被广泛用于相关研究。HOWARTH等[21]运用猪模型评估节段稳定时，发现脊柱姿势属于影响较小的混杂因素。BERGER-ROSCHER等[22]利用绵羊椎体探索了复杂载荷对椎间盘的影响，运用一种动态六自由度椎间盘加载模拟装置，模拟六自由度运动载荷下运动，然后在超高场磁共振成像(11.7T)扫描仪和微型计算机断层扫描仪中对椎间盘进行成像。 此外，JAUMARD等[23]通过微计算机断层扫描，发现大鼠的颈椎和腰椎两个区域，特别是椎管，宽度与深度轴向长宽比与人类非常相似，可以作为模拟人体脊柱的轴向和剪切负荷的适当替代物。MOSLEY等[24]建立大鼠椎间盘退变实验模型，比较了纤维环损伤后男女性别差异对生物力学改变的不同影响，发现男性通过更强的纤维化反应修复外环功能，一定程度解释了女性更高的腰痛患病率。CHOI等[25]建立了新的SM/J小鼠模型，概括了人类椎间盘退变的许多显著特征。 动物标本模型的使用早已成为脊柱外科研究的重要手段，但仍存在大量争议，一方面实验动物的使用存在伦理争议；另一方面实验动物获得的结论适用性需要进一步的研究证明。 (2)人类尸体模型：人类尸体模型运用于生物力学的体外研究中，有动物标本不具备的优点。利用加载模拟器或者其他方法模拟各类复杂在体运动形式，全面观测标本形变应力参数，实验设计灵活，操作性强。同时能获得腰椎生理病理以及组织形态学变化，为生物力学研究提供其他学科理论支持。 FU等[26]采用一种新的定制机械装载设备，使用滑轮添加重物来模拟生理负重，在腰椎标本进行前屈、中立以及后伸3种体位下进行CT扫描，导入Mimics软件建立三维模型，测量椎间盘高度、距离的变化。椎体模型中分别固定4个2 mm的铝珠作为标记建立参考。COSTI等[27]采用椎间盘和相邻半椎骨建立操作模型，下终板嵌入5个1.5 mm的铅珠构建参考系，将相互垂直的钽丝网格中穿入椎间盘横切面，在定制的六脚机器人压板上模拟六自由度运动，通过立体射线照相获得椎间盘形变影像数据。计算机辅助下计算最大剪切应变后得出，横向剪切和轴向压缩单位位移产生的最大剪切应变最大区域通常在椎间盘外侧和后外侧区域。旋转试验中侧向弯曲产生的最大区域剪切应变位于对侧的后外侧区域(张力侧)，认为侧弯和屈曲是可能使椎间盘损伤风险最大的运动。DMITRIEV等[28]使用在轴向旋转、屈曲伸展和侧向弯曲负载下的无约束脊柱模拟器进行生物力学测试，研究多关节椎间盘关节融合术后腰椎生物力学变化，对治疗和预后提出新的看法。KETTLER等[29]根据111个尸体模型总结归纳发现，椎间盘退变的早期未必会引起旋转不稳定。相反，屈伸和侧弯运动稳定性增加，只有轴向旋转时稳定性降低。这些尸体模型对进一步了解腰椎生物力学特性做出卓越贡献。 人类尸体模型主要缺点在于标本已经脱离生理环境，缺少肌肉、韧带相关组织联系，并且在生化试剂的处理下，椎间盘材料特性已经部分或者完全改变，这属于大多数体外研究的共性缺点；此外还存在来源少、成本高等一系列经济问题。这些问题限制了尸体模型试验的发展，但在被一点点逐一研究解决。无论是动物标本还是人类尸体标本由于脱离生理环境，都需要考虑获取、保存、操作环境以及载荷等一系列问题。标本新鲜获取立即实验往往最合适，但是实际标本一般需要深度冷冻保存，单一冻融往往对标本影响较小，但多次冻融循环之后，关节活动度会明显改变，机械特性已经存在较大的差异[30]，但精确的冷冻温度和时间对标本的影响有待研究。实验过程中需要严格维持稳定和控制水合，复制生理环境，不同温度和水合条件下椎间盘的刚度、压缩形变会有区别。实验过程中试样的水化可以通过以下方法来维持：①定期喷水；②用盐水浸泡的纱布包裹；③在湿度室中实验。由椎间盘材料特性决定，实验负荷加载速率越快，椎间盘刚度越大，这种非线性特性意味着，如果在另一种加载模式之前施加压缩预加载，其刚度也会增加。因此，通常在测试过程中采用压缩预加载来模拟附加体质量。 (3)有限元分析：现有标本或多或少都有上述局限性，有限元分析方法是一种经济有效的替代手段[31]。有限元的基本原理是用离散化的单元模型代替原有的物体，根据原有物体的几何材料特性及受力条件，通过控制有限单元、节点、自由度等实验条件，用计算机模拟人体体内情况[32]。有限元模型的主要优点是能够参数化地改变影响因子并评估其对结果的影响[33]。自1972年被首次应用于脊柱生物力学的研究后，经过40年来的发展改进，有限元已经被广泛应用于生物力学理论分析和临床实践中。从二维线性模型发展到非线性模型，进一步发展到三维非线性模型。目前建立的有限元模型不仅包括了椎体、椎间盘、韧带等主要部分，同时对于椎间盘中的髓核和纤维环进行了更加精细化地建模，甚至考虑到了肌肉对于整个腰椎的支撑作用[34]。 BASHKUEV等[35]参考40例患者L4，5椎间盘几何参数，建立四个退化等级椎间盘退变有限元模型，系统评估了不同退变等级对运动节段机械应力的影响。MASNI-AZIAN等[36]同样建立了L4，5椎体的三维非线性有限元模型，引入退变因子模拟不同程度退变后，加载不同方向载荷进行六自由度运动，研究了椎间盘各成分对运动节段力学影响。许多研究用有限元方法模拟了椎间盘内液体的流体力学变化[37-39]，SCHMIDT等[39]发现髓核内压力梯度分布规律，轴向朝向终板并径向朝向核-环界面逐渐减小。 2.2.2  体内研究 (1) X射线：自从20世纪70年代计算机X射线成像技术发明以来，经过数十年的科技进步发展，数字化成像技术已经更加成熟。相较于其他检查来说，X射线技术具有辐射量低、操作简便、费用低廉等优势，适合作为患者的常规检查。在腰椎方面，X射线可以完成不同体位条件记录，减少了器材对运动的限制，能配合各类脊柱内固定技术的使用。AUERBACH等[40-41]利用X射线技术研究全椎间盘置换后脊柱运动学变化，发现手术平面对腰椎整体运动贡献有轻微下降。随着荧光透视技术的发展，研究开始关注动态情况下脊柱的连续变化[42-43]。TAKAYANAGI等[43]基于连续动态运动分析，比较了退行性腰椎滑脱以及正常人之间腰椎运动模式的区别，结果显示滑脱患者屈曲运动紊乱。WONG等[42]开发了一种可以进行自动椎骨分割和跟踪的新系统，能够自动准确地分析来自视频荧光图像的腰椎椎间运动。但研究过程中科研人员逐渐发现X射线摄影确定矢状面旋转和平移的时候，易于受到光学误差及主观影响，造成精度不高等问题。 (2) CT：CT技术运用X射线连续扫描一定厚度人体组织，极大提高X射线的分辨能力，获得显像清晰、精度较高的组织断层影像，并可通过三维重建后，在计算机软件辅助下进行统计学处理和临床分析。但是CT检查辐射剂量大，目前是世界主要人工辐射源，致畸风险远高于普通X射线检查[44]，并且检查需要在仪器中静止操作，难以捕捉记录个体的运动过程。 目前大量研究人员运用这一技术进行脊柱形态学研究，分别测量不同人群中腰椎形态数据，包括椎弓根、椎体、椎间盘各项参数，为生物力学研究提供了基础[45-46]。OCHIA等[47-48]使用定制校准的旋转夹具，在三维CT重建的脊柱平面中使用欧拉角和体积合并法计算腰椎节段运动参数，观察到不同体位状态下脊柱节段运动特点。GODA等[49]归纳总结上百位患者CT影像学表现，发现腰椎峡部裂患者的关节突关节退行性改变比正常患者更为严重。CT技术与其他影像方法以及计算机辅助软件相结合，能获得更好的成果。 (3) MRI：MRI具有无放射、无创伤、对软组织显影好等优点，并且不受体位限制对受试者任意方向直接断层成像，可更好追踪解剖结构。ZHONG等[50]根据矢状位腰椎核磁平片，计算腰椎各节段间盘髓核纤维环具体参数。MCGREGOR等[51]使用介入性开放式核磁技术，比较了腰椎滑脱患者与无腰痛病史受试者之间腰椎间盘移动性的差异，认为脊柱裂解缺陷不会导致腰椎可检测到的不稳定或过度活动。同时有研究人员利用动态MRI评估腰椎运动学特征。研究者在磁共振成像系统中，对受试者腰椎棘突处施加前向力，获得矢状面磁共振图像，从而量化椎间运动数据、椎间角的变化[52-53]。SABNIS等[54]通过矢状位T2加权扫描的信号强度和中心椎间盘高度的变化来量化椎间盘退变，T2加权轴向扫描确定小关节骨性关节炎存在与否。发现了与上腰椎运动节段相比，L5-S1运动节段表现出独特的退行性和运动学特征，椎间盘退变和小关节骨关节炎彼此独立发生，但其他腰椎水平两者之间却具有相关性。 近期许多研究考虑将MRI运用于腰椎间盘变性的生物标记研究。WALTER等[55]发现MRI弹性成像衍生的剪切刚度可以作为椎间盘退变过程的客观生物标记，并获得很好重复性。纤维环质韧水化程度低，MRI通常只能局限于髓核，BEAUCHEMIN等[56]采用高频磁共振针检测检测髓核和纤维环，摆脱了限制。SHELDRICK等[57]也已经顺利在兔体内进行类似实验。MRI已经成为量化椎间盘退变灵敏可靠的方法。 MRI可以获得精度极高的椎间盘体内形变数据，但检查过程要求长时间保持静息状态，同时狭窄的检查空间限制导致机器无法记录运动过程瞬时数据，只能将运动终末状态进行对比从而推测运动过程。 2.2.3  体内研究进展 (1)双平面荧光透视成像系统：双平面荧光成像系统结合CT/MRI三维立体定位技术是一种新型的人体生物力学研究技术，将动态荧光透视技术与CT/MRI结合，利用计算机真实地再现人体生理状态下脊柱三维运动状态。该技术由美国麻省总医院生物工程实验室发明，运用两个垂直相交的C臂捕捉目标关节在人体生理状态下的动态位置，通过CT/MRI数据获得腰椎三维模型，在计算机软件的辅助下完成精确数据匹配，这种椎体轮廓匹配方法能够准确地匹配三维模型和一对透视图像，再现目标关节运动状态，利用建立的脊柱运动模型完成一系列研究。为准确确定腰椎负重活动在三维空间中的六自由度运动位置提供了一种简单而强大的工具。 研究已经证实该图像匹配技术对脊柱运动的无创测量具有相当的准确性和可重复性[58-62]。BAI等[59]实验测试得到腰椎标本的平移位置平均精度小于0.35 mm，平均重复性为0.36 mm。该方法在体内人体脊柱六自由度运动中的可重复性平移时小于0.43 mm，旋转时小于0.65°。随着影像技术的不断进步，精度和可重复性在不断提高。 WU等[63]运用这一技术研究受试者在从腰部屈曲位置(45°)到最大伸展位置进行举重过程中，低节段L4，5和L5S1分别显示出比较高的节段更大的前后平移(2.9±1.5)mm和近端平移(2.8±0.9)mm，但旋转运动基本类似。LIU等[64]研究了在动态举重伸展过程中旋转中心的变化规律。发现以仰卧位为参考，L4，5和L5S1椎间的平均屈曲角度在身体的屈曲位置分别为6.6°和5.3°，在身体的伸展位置分别为-1.8°和-3.5°。下腰椎的旋转中心依赖于节段并随身体姿势而变化，当L4，5的旋转中心位于椎间盘后部的75%-92%时，L5-S1的旋转中心移至椎间盘的后边缘之外。 此技术适用于各种生理条件下椎体在体运动研究，在椎间盘生物力学研究中是一个有力手段，不受皮肤、软组织误差影响，对运动无干扰、精度高、重复性高。但仍存在一些问题，譬如技术操作过程复杂，研究人员执行这一技术的能力良莠不齐；通过CT系统获得的三维模型和实际成像椎体之间存在细微差异，手工匹配产生的结果差异也会导致误差。但研究随着不断深入和科技进步，相信这些问题会被不断解决，匹配过程朝自动化方向逐渐靠近，技术人员能力获得不断进步。 (2)高速动态立体射线照相系统：高速动态立体射线照相系统同样是一种新型动态放射成像技术[65-67]。该技术使用高速动态立体射线照相系统以及基于体积模型的骨骼跟踪程序。首先指导训练受试者进行标准统一的生理负重运动，在患者前后侧以及左右侧两个方向架设动态X射线图像框架，以30fps记录受试者腰椎过程运动图像，定制设计的辐射衰减器可减少辐射的白化效果并提高图像质量。另外根据腰椎CT图像在Mimics软件中获得单个腰椎椎体三维模型。建立一个与实验装置成比例且结构相同的虚拟高速动态立体射线照相系统，生成椎骨3D-CT衍生模型的数字重建X射线照片，三维椎体模型通过体积图像匹配算法匹配到每一帧图像上，这一过程基本靠自动完成，并进行人工优化。对每个椎体每帧图像重复这一过程，建立合适的三维坐标系，获得腰椎运动全过程完整的三维运动学参数(3个位移和3个旋转)。 AIYANGAR等[65-67]运用这一技术对L2-S1节段在对称性起重过程中运动特征进行了长期研究。首先结果显示起重过程中，L5S1贡献不断减少，其余各节段对整体运动的贡献无明显差异；各节段在运动的中间范围(20%-80%)内节段伸展呈线性变化，但在运动开始和结束时表现出非线性变化。L5S1伸展在受试者之间表现出最大的非线性和可变性[65]。之后研究中，进一步明确指出与L2，3(21.7± 3.7)%和L5S1(22.6±4.7)%相比，L3，4(25.8±2.2)%和L4，5 (31.0±3.1)%在运动过程贡献了更大的份额(合计约60%)，L4，5始终是最大贡献。L3，4(6.0±12.5)%和L4，5 (0.5±10.2)%的贡献随时间的相对变化最小；但L2，3 (18.0±20.1)%的贡献不断增加，L5S1(-33.0±22.9)%的贡献以某种互补的方式减少，并未发现负载大小对各节段贡献模式有显著影 响[66]。之后BYRNE等[67]继续研究了L2-S1椎间盘正常应力和剪切应变模式的规律，发现L5S1具有独特的剪切应变模式，在从前屈位到直立的全过程中，剪切应变大体保持恒定且较小，但L2-L5在活动过程表现为明显的线性变化，此外剪切方向L5S1表现由后部区域沿内侧-外侧轴120°逐渐过渡到前部区域的大约80°方向，其他节段均表现为内侧-外侧轴方向75°-85°，负荷的大小同样对运动模式的改变不显著。 高速动态立体射线照相系统在各类影像技术以及计算机软件辅助下记录关节活动的动态过程，建立三维模型自动匹配，完整而细致的展现了活动全过程，与其他方法比较具有相当的优势。可以考虑继续用于腰椎间盘以及其他各类关节研究中。 "