腰椎小关节解剖学及生物力学研究研究进展

顾党伟，樊效鸿

（1.成都中医药大学 临床医学院,四川 成都；2.成都中医药大学附属医院,四川 成都）

0 引言

腰椎小关节（Lumbar facet joint，LFJ）作为脊柱后柱的重要骨性支撑，有着特殊的解剖学特征和生物力学特性，在腰椎活动过程中起着重要的承载作用和活动度限制功能。目前，普遍认为高度神经支配的LFJ与腰部疼痛有着密切关系[1]，年龄、创伤等因素导致的小关节结构改变将会加速腰椎退行性疾病的发生[2]。本文就近年来从解剖学和生物力学两方面对腰椎小关节研究内容作一综述。

1 解剖学特点

LFJ是由纤维关节囊和滑膜囊包裹上下关节突关节面所构成的封闭的滑囊关节，存在于脊柱每一节段后方左右两侧,与前方椎间盘关节形成“三关节”复合体，承载着脊柱的各状态下的拉伸、压缩、扭曲、剪切等载荷[3-6]。

1.1 关节面

LFJ关节面上覆盖层厚约3-4mm的透明软骨，表面光滑且富有弹性，实现小关节的低摩擦运动和承载作用。现在，国内外暂无对人体颈腰胸椎的小关节软骨的研究报道，但通过对猪、猴和实验兔的小关节软骨面研究推导出，小关节面软骨大致分为三层：浅层为胶原纤维层与关节面平行，软骨细胞数量少，呈扁平状；中层（移行层）为胶原纤维呈网状排列，软细胞增多；深层胶原纤维与软骨细胞均垂直于关节面分布[7]。关节面之间存在关节滑液（Synovial fluid，SF），为关节面软骨的主要营养来源和低摩擦环境基础，其主要成分为PRG4和透明质酸[8]。

1.2 关节囊

小关节关节囊（Lumbar facet capsular ligament，LFCL）前内侧移行与黄韧带相融合，后方与关节突副韧带、棘间韧带、乳突副韧带和多裂肌相邻。其解剖结构分为三层：外层为致密纤维束，纤维束走行随应力分布趋势[9]，主要限制旋转活动；中层为含少量结缔组织的网状纤维束，有一定的延展性；内层为疏松结缔组织，内层向关节内褶皱形成半月板结构起减少摩擦与保护软骨作用[10-11]。Kallakuri等[12]在山羊颈椎小关节囊上研究发现关节囊纤维束中的神经轴突在超过生理活动范围时会出现形态改变，并认为这可能是引起颈椎神经性疼痛的原因。Cullen DK等[13]发现轴突会因其附着的纤维束的应力和形变出现应力与应变的变化，导致膜通道打开，直接或间接的引起神经源性疼痛。

1.3 关节面夹角

由于腰椎各节段小关节面承载的身体重力不同和活动度的差异，不同节段之间小关节面的角度也存在一定的差异。Gellhorn[14]等解剖证明腰椎所有关节突关节面均与水平面垂直，然腰椎各节段小关节关节面于矢状面夹角大小均不一样，其中胸12至腰1的夹角约在 25.89°～33.87°，腰 3 至腰 5 的夹角约在 40.40°～50.30°。另外，除腰椎小关节关节面于矢状面夹角由L1-L5递增，且同一节段的两侧小关节面夹角也有差异，这种差异在临床上称之为小关节不对称，且定义关节角差值大于7°则为关节突不对称，如果大于15°则为重度不对称。段文等[15]通过大量CT影像测量发现L4/L5节段的小关节的不对称性与该节段的腰椎退变有关，与Grogan等[16]研究结果相似。腰椎节段越低，小关节面夹角越大，所以其产生的机械阻挡越大，故相应节段关节突关节承载负荷与剪切应力也不断增大，所以L4/5、L5/S1较上方节段更容易出现软骨硬化、关节突增生、肥厚以代偿增大的载荷，从而加速腰椎退变[17-19]。

2 腰椎小关节的生物学特性

2.1 小关节的宏观机械力学特性

腰椎活动度在脊柱系统中相对较大，且承受最大的重力载荷。在前屈、后伸、左右旋转和左右侧屈状态下，腰椎小关节各自做功不同以维持生物力学平衡。前屈时上位椎体下关节突向前向上移位，上下关节面相对分离移位，重心前移，小关节面载荷减少，约为直立位的1/2；腰椎后伸状态下，上位椎体下关节突向下向后移位，上下小关节面相聚移位，重心后移，小关节面应力增大，约直立位时的2倍[20]。腰椎侧弯状态下，同侧关节突关节载荷增大，而对侧相反。旋转过程中对侧关节突关节关节面距离减小，关节面相互接触阻挡，从而限制旋转活动范围。Kuzt[21]等在尸体标本上切除单侧小关节，发现在同侧轴向旋转角度明显增加1.4°，整个节段活动度增大3°，证明小关节通过限制性生理负荷过程中的线性或旋转运动有助于脊柱的机械稳定性。Abumi等[22]经实尸体标本研究发现，分别对小关节内侧部分分级切除造成同侧屈曲活动度增大，而对侧屈曲无明显影响。董凡[23]等得出了相似结论。

2.2 小关节的微观级联反应

研究[24]发现行腰椎退行性疾病手术患者，其小关节囊内中存在IL-6和IL-1β等炎症因子，因此得出诱导疼痛的原因为机械性组织损伤和周围组织间隙中的化学刺激。Bhattacharjee等[25]发现关节囊在外力破坏下，将会出现一系列微观下蛋白质变化来影响SF的理化性质。另外，很多学者都认为小关节在宏观的机械承载过程中可能会在小关节内出现细胞分子学层面的机械、物理和化学级联反应。虽然现在鲜有关于小关节此类级联反应的报道，但小关节作为滑囊关节与其他滑膜关节具有很大程度的相似性，通过部分滑囊关节的机械力学诱导的细胞分子学变化的研究可为小关节级联反应研究提供基础。

2.3 小关节分级切除的生物力学影响

靳安民等[26]通过对八具尸体的体外腰椎模型进行从内向外的关节突关节逐级切除，分单侧和双侧1/4级、1/2级、3/4级和全切除，探讨关节突关节骨性缺失对腰椎生物力学稳定性的影响，结果显示关节突关节4级骨性结构丢失均会对腰椎稳定性造成影响，表现为相应节段椎间盘Von Mises应力和相应节段活动范围增大。赵勇等[27]从关节突关节外侧向内侧分级（1/4级、1/2级、3/4级、全切除和不切除）5具新鲜尸体腰椎L4/5关节突关节，切除后对5具标本进行CT断层扫描，具有CT数据建立5具三维有限元模型，分析腰椎力学稳定性变化，实验结果与靳安民等的实验结果相似，并明确指出小关节切除大于1/2时，腰椎稳定性破坏严重。另外刘成等[28]通过8具尸体标本研究关节突关节逐级切除对椎间孔面积的影响，切除分级与上述两种实验方案一致，逐级切除后测量前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转状态下椎间孔的高度变化，实验结果显示，椎间孔的高度随着腰椎的不同运动状态有着明显的差别，关节突逐级成形后对椎间孔高度有一定的影响，尤其当成形大于1/2级后，椎间孔高度丢失严重，尤其在背伸和同侧侧屈状态下，提示存在出现椎间孔狭窄肯能。因此，可知关节突成形对腰椎的生物力学平衡存在一定影响，可能加速相应节段退行性疾病的发展速度；同时还会出现椎间孔高度丢失，椎间孔面积减小，出现椎间孔狭窄。

2.4 微创下小关节成形的生物力学影响

在微创内镜技术下，椎间孔扩大成形的级数不同对腰椎的生物力学平衡会有怎样的影响？国外学者Choi[29]早在2008年就报道其收治的59例高位椎间盘脱出者，使用刚性环锯成形责任节段上关节突腹侧，进入椎管内取出突出椎间盘，术后平均追踪时间达到25.4个月，术后平均疼痛视觉模拟评分由8.01降至1.56，平均Oswestry残疾指数从61.6提高至10.76，MacNab评价，优良率高达91.4%。并提出使用环锯成形关节突上关节突，在不损伤关节囊和关节面的情况下，并不会对腰椎稳定性造成影响。

国内学者李振宙等[30]通过对6具新鲜尸体的L4/5阶段行不同分级椎间孔扩大成形，成形级别分别是一级（7.5mm环锯成形）和二级（10mm环锯成形），对比成形前后L4/5节段活动度和应力变化，实验结果证明一级成形未损伤关节突关节面和关节囊结构，对腰椎力学稳定性无明显影响，但二级成形破坏L4/5关节突下关节面和关节囊韧带结构，导致腰椎稳定性降低，但稳定破坏不及开放性1/2级明显。余洋等[31]通过有限元法模拟经皮椎间孔镜技术行L5上关节突尖部和基底部成形，证明基底部成形较尖部成形更具有生物力学优势。

综述所述，从局部解剖学、生物力学和分子生物学等方面研究腰椎小关节均证明其在腰椎结构中的重要作用。虽然目前仍无直接证据证明腰椎小关节与腰痛的关系，但小关节生退变在腰椎退行性疾病中的重要作用已广泛认可，例如退行性脊柱狭窄，脊椎滑脱和脊柱侧弯。此外，对于目前较为推崇的微创脊柱内镜技术下，医源性小关节破坏对腰椎生物力学环境的影响还需要更加深入的研究，以为微创手术提供准确的数据支持。