腰椎小关节囊对腰椎稳定性影响的生物力学研究

彭涛

腰椎小关节囊对腰椎稳定性影响的生物力学研究

彭涛

目的观察腰椎小关节囊对腰椎运动及稳定性的影响。方法取6具成人新鲜腰椎标本，每具标本均选取L4/5节段，制成6个L4/5功能单位（FSU）。包埋固定后在生物力学实验机上施10 N.m的载荷，进行前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6个方向的运动范围测定，后逐级切断标本的单侧（左侧）及双侧小关节囊，重复生物力学实验测定，记录实验数据。结果切断两侧关节囊后，腰椎前屈运动范围从实验前的7.7°逐步增加到10.2°（P<0.05），对腰椎后伸运动范围变化无明显影响（P>0.05）。切断左侧小关节囊后，腰椎右侧弯运动范围较实验前增加[（7.2±10°）比（6.3±0.8°），P< 0.05）]，对左侧弯运动无明显影响（P>0.05）。切断两侧关节囊后，腰椎左侧弯角度从实验前的6.5°逐步增加到7.3°（P<0.05），右侧弯角度从6.3°逐步增加到7.2°（P<0.05）。切断单侧及双侧关节囊对FSU左/右旋转运动范围无明显影响（P>0.05）。结论腰椎小关节囊可影响腰椎前屈运动及腰椎侧弯时的稳定性。

腰椎小关节；腰椎小关节囊；生物力学；稳定性

临床上发现小关节退变是脊柱功能单位退变的基础[1]，腰椎小关节损伤退变极易引发腰椎不稳，从而出现下腰痛症状。腰椎小关节亦是腰椎运动节段的重要组成部分，承受着人体活动时产生的压缩、拉伸及剪切的载荷，并且参与腰椎六个方向的活动。生物力学研究证实腰椎小关节不仅有控制腰椎活动类型的作用，同时具有一定的承载功能[2]，研究也证实破坏腰椎小关节将直接影响腰椎的稳定性，当小关节切除1/2以上时便对腰椎的左/右侧屈及左/右旋转运动范围产生严重影响[3]。腰椎小关节囊主要位于小关节突的后外侧，人体前屈时，腰椎上位小关节与下位小关节的关节面之间分离成角为15°以上，同时关节面错开可达50%，此时负荷就主要由小关节囊来承受[4]，同时在做旋转活动时，小关节囊同样需要承受部分载荷，所以我们推断腰椎小关节囊对腰椎的稳定性同样起着重要作用，一旦小关节囊遭到损伤或破坏会导致腰椎的旋转和侧弯运动范围加大。本实验用生物力学实验方法，通过不同方向对脊柱功能单位（functional spine unit，FSU）加载10N.m的载荷使其进行前屈、后伸、左/右侧屈及左/右旋转运动，逐级破坏腰椎单侧及双侧关节囊，测量标本运动范围（ROM）变化，研究小关节囊对腰椎稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 标本制备选用6具生前无腰椎疾患的新鲜男性成人脊柱标本，生前年龄60～73岁，平均（64.3± 4.2）岁。标本由浙江大学解剖教研室提供，每具标本选取L4/5节段，共制成6个L4/5功能单位（FSU）。每个标本均进行大体观察、X线观察和骨密度测定，证实无解剖学变异，无风湿、结核、肿瘤、骨折、骨质疏松等疾病以及无椎体周围骨赘形成、小关节肥大、椎间盘高度降低、韧带骨化等退行性变。剔除椎体周围附着的肌肉、脂肪等组织，保留椎间盘、小关节、关节囊及韧带等全部连接结构。将制好的标本立即用双层塑料袋封装，置于-20℃深低温冷冻冰柜中保存。实验前8h将标本移至室温下（20～25℃）解冻。解冻完全后，标本两端分别用聚甲基丙烯酸四酯包埋，包埋时聚甲基丙烯酸四酯不超过椎体的1/2，保证FSU运动功能的完整性，见图1（封三）。处理标本的过程中随时用生理盐水保持标本湿润。

图1 腰45运动单位（FSU）标本两段分别用聚甲基丙烯酸四酯包埋

图2 生物力学实验机a三点弯曲试验；b扭力抵抗性试验

1.2 仪器与测试生物力学实验模型要求在结构模拟、加载速度、材料的力学性质、安装固定的方法等相一致，以提高实验检测的精确度。将预先制作好并解冻完成的实验标本固定于生物力学实验机上（MTS，USA），见图2（封三）。通过砝码系统加载，加载盘对实验标本施10N.m纯力偶矩，分别模拟人体腰椎前屈、后伸、左/右侧屈，及左/右旋转运动，见图2a～2b。实验过程中对每组标本均进行3次加载/卸载循环，每次加载和卸载后停留30s左右，以期消除腰椎的黏弹性影响。通过生物力学试验机在标本不同方向施加10N.m纯力偶矩载荷，模拟人体腰椎前屈、后伸、左/右侧屈及左/右旋转运动，于第3次预卸载停留30s后生物力学试验机CAD自动记录仪记录恒定载荷——位移范围，根据恒定载荷——位移范围即测定标本运动范围（ROM）。运动范围（ROM）是指最大位移减去脊柱自身弹性区的活动度。整个测试过程中，间隙喷洒生理盐水使实验标本保持湿润。实验室内测试环境：温度：25℃，湿度：60%～80%。

1.3 实验方法对6个L4/5功能单位（FSU）小关节囊实行逐级破坏。（1）测量实验前正常脊柱结构数据；（2）对完成正常数据测试的FSU切断其单侧（左侧）小关节囊，进行仅保留单侧小关节囊状态下的L4/5功能单位（FSU）的生物力学测定；（3）对完成单侧小关节囊切断实验测试后的FSU，切断其右侧小关节囊，此时，实验标本双侧小关节囊已经完全离断，仅剩上下关节突相对应形成的骨性连结，再对该标本进双侧无小关节囊状态下的FSU生物力学测定。小关节囊切除方法：找到L4/5一侧小关节囊在L4下关节突上的附着点，并将其环形切断。切断后清除小关节周围残存软组织，仅存上、下关节突间的骨性连结。

2 实验结果

2.1 切断小关节囊对FSU前屈/后伸稳定性的影响逐级切断单侧（左侧）及双侧小关节囊，FSU的前屈运动幅度逐渐增大（P＜0.05），而椎体后伸运动角度增加不明显（P＞0.05），见表1。

表1 切断腰椎小关节囊对FSU前屈/后伸稳定性的影响

表1 切断腰椎小关节囊对FSU前屈/后伸稳定性的影响

注：与实验前比较，**P＜0.01；FSU：功能单位

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2.2 切断小关节囊对FSU左/右侧屈稳定性的影响切断左侧小关节囊后FSU右侧弯运动范围较实验前增加（P＜0.05），而对FSU左侧弯活动范围无明显影响（P＞0.05）。切除两侧小关节囊，FSU左、右侧弯运动范围均较实验前显著增加（P＜0.05）。见表2。

2.3 切断小关节囊对FSU左/右旋转稳定性的影响不论切断单侧还是双侧小关节囊，对腰椎左右旋转活动运动范围的变化差异无统计学意义（P＞0.05）。见表3。

3 讨论

由两侧小关节和椎间盘共同构成的腰椎三关节复合体是维持腰椎稳定的基础，而腰椎小关节作为人体中的活动关节，承担了腰椎活动的各方向负荷，是腰椎各个组成部分中最易损伤的结构。因此小关节的退变、损伤必定伴有小关节囊的退变或炎性反应，两者关系密切[5]。本实验采用生物力学的方法模拟人体腰椎六个活动度的运动，进一步研究小关节囊在腰椎稳定中作用。

表2 切断腰椎小关节囊对FSU左/右侧弯稳定性的影响

表2 切断腰椎小关节囊对FSU左/右侧弯稳定性的影响

注：与实验前比较，*P＜0.05；FSU：功能单位

表3 切断腰椎小关节囊对FSU左/右旋转稳定性的影响

表3 切断腰椎小关节囊对FSU左/右旋转稳定性的影响

注：FSU：功能单位

?

3.1 实验节段的选取根据腰椎解剖学及生物力学的特点，本实验选取L4/5节段进行FUS的研究。腰椎的生理前凸开始于腰1/2，并且向下到骶骨，在每个水平上逐渐增加[2]。其中最下位的三个椎体的楔形变决定了腰椎大部分的前凸，下位腰椎活动度较大，处于活动的脊柱与固定的骨盆交界处，承受的压力最大，下位椎体的小关节及椎间盘极易出现退变和损失。有研究发现急性腰椎小关节及关节囊损伤主要发生在腰3/4与腰4/5两个节段，占全部腰椎小关节损伤的87%[6]。腰4/5与腰5骶1是腰椎受力最大的两个节段，90%以上的腰椎间盘突出和慢性小关节退变发生在这两个节段，因此临床上下腰椎，特别是腰4/5椎体是常见的下腰痛的责任椎体，所以本实验选择腰4/5节段作为腰椎小关节囊对腰椎稳定性影响的生物力学研究的运动测试功能单位是合理并具有代表性的。

3.2 切断小关节囊对腰椎前屈/后伸稳定性的影响腰椎功能单位的前屈和后伸主要表现为上位椎体的下关节突与上位椎体的上关节突相互远离和靠近。因此腰椎对抗垂直向下力矩作用很小，却是对抗椎体间剪切的重要结构[7]。实验过程中我们发现腰椎前屈时小关节面分离，关节囊紧张，可以推测小关节对前屈运动的抵抗主要是由关节囊的韧性决定的，而骨性结构的作用并不大。模拟腰椎后伸时，小关节囊松驰，部分关节囊突入关节内形成皱襞，其对腰椎后伸活动无明显限制，实验结果显示，切断单侧或双侧的小关节囊对腰椎后伸活动范围的变化无统计学意义（P＞0.05）。

3.3 切断小关节囊对腰椎左/右侧屈稳定性的影响有力学实验证明，腰椎在单纯侧弯力矩条件下小关节面的前内下部和后外侧上部产生较大的接触应力，同侧小关节面中下部产生较小应力，与解剖学研究发现受力范围一致[8]。本实验中发现腰椎作侧弯活动时，对侧的小关节及关节囊被拉升，同侧的小关节及关节囊被压缩，可见在侧弯时，对侧关节囊的限制作用要高于同侧关节囊，也符合解剖研究侧弯活动时对侧关节囊紧张的表现。在切断双侧的小关节囊后其运动范围增加显著（P＜0.05），但切断左侧关节囊与切断双侧关节囊对腰椎右侧弯运动范围变化不大，显示腰椎侧弯时对侧的关节囊起到主要的限制及稳定作用，同侧的关节囊松弛形成皱襞，对力学稳定性影响不显著。

3.4 切断小关节囊对腰椎左/右旋转稳定性的影响根据腰椎解剖学研究发现，下腰椎小关节面与失状面呈45°，关节间隙狭窄，腰椎轴向扭转一个很小的角度就会遇到骨性阻挡，从而进一步限制了腰椎的旋转运动。已有研究证实腰椎小关节是限制腰椎旋转活动的主要结构[2]。活动节段在轴向旋转时，小关节面接触区域均位于对侧关节，并且接触符合最高的区域在小关节的后外侧上部，同时在轴向旋转时同侧小关节面并无接触。Degreif[9]研究认为腰椎节段的选择运动范围很小，约在2～4°，与本实验的结果相符。也有研究发现当腰椎运动节段轴向旋转范围超过3°时，即可造成关节突的破坏[10]，表明小关节是限制腰椎旋转的主要结构。本实验中发现切断单侧（左侧）关节囊或切断双侧小关节囊对腰椎旋转活动运动范围稍有增加，但对其影响变化无统计学意义（P＞0.05），所以认为腰椎小关节囊在小关节旋转时有一定固定作用，但在腰椎轴向运动时小关节间的骨性阻挡是限制腰椎旋转活动的主要因素。

本实验结果发现，破坏腰椎小关节囊在腰椎前屈运动及腰椎侧弯时对腰椎的运动范围产生影响，说明小关节囊在前屈与侧弯活动时对腰椎小关节有固定作用，在腰椎稳定性方面有着一定的影响。提示临床医生在对患者施行腰椎后路手术时不能一味追求视野的显露，也要注重术中对腰椎小关节及关节囊不必要的破坏，以免出现术后的腰椎不稳定，导致下腰部的慢性疼痛等症状的产生。实验结果也发现腰椎小关节囊对腰椎旋转运动的稳定性及限制不大，旋转大于4°时会出现小关节的骨性阻挡，因此普通的按摩及脊柱旋转手法不会引起小关节囊的破坏，但因避免过大幅度的手法直接损伤小关节。

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（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

杭州市余杭区中医院骨伤二科（杭州311106）