腰椎小關節囊對腰椎穩定性影響的生物力學研究

彭濤

腰椎小關節囊對腰椎穩定性影響的生物力學研究

彭濤

目的觀察腰椎小關節囊對腰椎運動及穩定性的影響。方法取6具成人新鮮腰椎標本，每具標本均選取L4/5節段，制成6個L4/5功能單位（FSU）。包埋固定后在生物力學實驗機上施10 N.m的載荷，進行前屈、后伸、左右側彎和左右旋轉6個方向的運動范圍測定，后逐級切斷標本的單側（左側）及雙側小關節囊，重復生物力學實驗測定，記錄實驗數據。結果切斷兩側關節囊后，腰椎前屈運動范圍從實驗前的7.7°逐步增加到10.2°（P<0.05），對腰椎后伸運動范圍變化無明顯影響（P>0.05）。切斷左側小關節囊后，腰椎右側彎運動范圍較實驗前增加[（7.2±10°）比（6.3±0.8°），P< 0.05）]，對左側彎運動無明顯影響（P>0.05）。切斷兩側關節囊后，腰椎左側彎角度從實驗前的6.5°逐步增加到7.3°（P<0.05），右側彎角度從6.3°逐步增加到7.2°（P<0.05）。切斷單側及雙側關節囊對FSU左/右旋轉運動范圍無明顯影響（P>0.05）。結論腰椎小關節囊可影響腰椎前屈運動及腰椎側彎時的穩定性。

腰椎小關節；腰椎小關節囊；生物力學；穩定性

臨床上發現小關節退變是脊柱功能單位退變的基礎[1]，腰椎小關節損傷退變極易引發腰椎不穩，從而出現下腰痛癥狀。腰椎小關節亦是腰椎運動節段的重要組成部分，承受著人體活動時產生的壓縮、拉伸及剪切的載荷，并且參與腰椎六個方向的活動。生物力學研究證實腰椎小關節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節將直接影響腰椎的穩定性，當小關節切除1/2以上時便對腰椎的左/右側屈及左/右旋轉運動范圍產生嚴重影響[3]。腰椎小關節囊主要位于小關節突的后外側，人體前屈時，腰椎上位小關節與下位小關節的關節面之間分離成角為15°以上，同時關節面錯開可達50%，此時負荷就主要由小關節囊來承受[4]，同時在做旋轉活動時，小關節囊同樣需要承受部分載荷，所以我們推斷腰椎小關節囊對腰椎的穩定性同樣起著重要作用，一旦小關節囊遭到損傷或破壞會導致腰椎的旋轉和側彎運動范圍加大。本實驗用生物力學實驗方法，通過不同方向對脊柱功能單位（functional spine unit，FSU）加載10N.m的載荷使其進行前屈、后伸、左/右側屈及左/右旋轉運動，逐級破壞腰椎單側及雙側關節囊，測量標本運動范圍（ROM）變化，研究小關節囊對腰椎穩定性的影響。

1 材料與方法

1.1 標本制備選用6具生前無腰椎疾患的新鮮男性成人脊柱標本，生前年齡60～73歲，平均（64.3± 4.2）歲。標本由浙江大學解剖教研室提供，每具標本選取L4/5節段，共制成6個L4/5功能單位（FSU）。每個標本均進行大體觀察、X線觀察和骨密度測定，證實無解剖學變異，無風濕、結核、腫瘤、骨折、骨質疏松等疾病以及無椎體周圍骨贅形成、小關節肥大、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、小關節、關節囊及韌帶等全部連接結構。將制好的標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將標本移至室溫下（20～25℃）解凍。解凍完全后，標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運動功能的完整性，見圖1（封三）。處理標本的過程中隨時用生理鹽水保持標本濕潤。

圖1 腰45運動單位（FSU）標本兩段分別用聚甲基丙烯酸四酯包埋

圖2 生物力學實驗機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實驗模型要求在結構模擬、加載速度、材料的力學性質、安裝固定的方法等相一致，以提高實驗檢測的精確度。將預先制作好并解凍完成的實驗標本固定于生物力學實驗機上（MTS，USA），見圖2（封三）。通過砝碼系統加載，加載盤對實驗標本施10N.m純力偶矩，分別模擬人體腰椎前屈、后伸、左/右側屈，及左/右旋轉運動，見圖2a～2b。實驗過程中對每組標本均進行3次加載/卸載循環，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。通過生物力學試驗機在標本不同方向施加10N.m純力偶矩載荷，模擬人體腰椎前屈、后伸、左/右側屈及左/右旋轉運動，于第3次預卸載停留30s后生物力學試驗機CAD自動記錄儀記錄恒定載荷——位移范圍，根據恒定載荷——位移范圍即測定標本運動范圍（ROM）。運動范圍（ROM）是指最大位移減去脊柱自身彈性區的活動度。整個測試過程中，間隙噴灑生理鹽水使實驗標本保持濕潤。實驗室內測試環境：溫度：25℃，濕度：60%～80%。

1.3 實驗方法對6個L4/5功能單位（FSU）小關節囊實行逐級破壞。（1）測量實驗前正常脊柱結構數據；（2）對完成正常數據測試的FSU切斷其單側（左側）小關節囊，進行僅保留單側小關節囊狀態下的L4/5功能單位（FSU）的生物力學測定；（3）對完成單側小關節囊切斷實驗測試后的FSU，切斷其右側小關節囊，此時，實驗標本雙側小關節囊已經完全離斷，僅剩上下關節突相對應形成的骨性連結，再對該標本進雙側無小關節囊狀態下的FSU生物力學測定。小關節囊切除方法：找到L4/5一側小關節囊在L4下關節突上的附著點，并將其環形切斷。切斷后清除小關節周圍殘存軟組織，僅存上、下關節突間的骨性連結。

2 實驗結果

2.1 切斷小關節囊對FSU前屈/后伸穩定性的影響逐級切斷單側（左側）及雙側小關節囊，FSU的前屈運動幅度逐漸增大（P＜0.05），而椎體后伸運動角度增加不明顯（P＞0.05），見表1。

表1 切斷腰椎小關節囊對FSU前屈/后伸穩定性的影響

表1 切斷腰椎小關節囊對FSU前屈/后伸穩定性的影響

注：與實驗前比較，**P＜0.01；FSU：功能單位

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2.2 切斷小關節囊對FSU左/右側屈穩定性的影響切斷左側小關節囊后FSU右側彎運動范圍較實驗前增加（P＜0.05），而對FSU左側彎活動范圍無明顯影響（P＞0.05）。切除兩側小關節囊，FSU左、右側彎運動范圍均較實驗前顯著增加（P＜0.05）。見表2。

2.3 切斷小關節囊對FSU左/右旋轉穩定性的影響不論切斷單側還是雙側小關節囊，對腰椎左右旋轉活動運動范圍的變化差異無統計學意義（P＞0.05）。見表3。

3 討論

由兩側小關節和椎間盤共同構成的腰椎三關節復合體是維持腰椎穩定的基礎，而腰椎小關節作為人體中的活動關節，承擔了腰椎活動的各方向負荷，是腰椎各個組成部分中最易損傷的結構。因此小關節的退變、損傷必定伴有小關節囊的退變或炎性反應，兩者關系密切[5]。本實驗采用生物力學的方法模擬人體腰椎六個活動度的運動，進一步研究小關節囊在腰椎穩定中作用。

表2 切斷腰椎小關節囊對FSU左/右側彎穩定性的影響

表2 切斷腰椎小關節囊對FSU左/右側彎穩定性的影響

注：與實驗前比較，*P＜0.05；FSU：功能單位

表3 切斷腰椎小關節囊對FSU左/右旋轉穩定性的影響

表3 切斷腰椎小關節囊對FSU左/右旋轉穩定性的影響

注：FSU：功能單位

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3.1 實驗節段的選取根據腰椎解剖學及生物力學的特點，本實驗選取L4/5節段進行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，下位椎體的小關節及椎間盤極易出現退變和損失。有研究發現急性腰椎小關節及關節囊損傷主要發生在腰3/4與腰4/5兩個節段，占全部腰椎小關節損傷的87%[6]。腰4/5與腰5骶1是腰椎受力最大的兩個節段，90%以上的腰椎間盤突出和慢性小關節退變發生在這兩個節段，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任椎體，所以本實驗選擇腰4/5節段作為腰椎小關節囊對腰椎穩定性影響的生物力學研究的運動測試功能單位是合理并具有代表性的。

3.2 切斷小關節囊對腰椎前屈/后伸穩定性的影響腰椎功能單位的前屈和后伸主要表現為上位椎體的下關節突與上位椎體的上關節突相互遠離和靠近。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構[7]。實驗過程中我們發現腰椎前屈時小關節面分離，關節囊緊張，可以推測小關節對前屈運動的抵抗主要是由關節囊的韌性決定的，而骨性結構的作用并不大。模擬腰椎后伸時，小關節囊松馳，部分關節囊突入關節內形成皺襞，其對腰椎后伸活動無明顯限制，實驗結果顯示，切斷單側或雙側的小關節囊對腰椎后伸活動范圍的變化無統計學意義（P＞0.05）。

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

3.4 切斷小關節囊對腰椎左/右旋轉穩定性的影響根據腰椎解剖學研究發現，下腰椎小關節面與失狀面呈45°，關節間隙狹窄，腰椎軸向扭轉一個很小的角度就會遇到骨性阻擋，從而進一步限制了腰椎的旋轉運動。已有研究證實腰椎小關節是限制腰椎旋轉活動的主要結構[2]。活動節段在軸向旋轉時，小關節面接觸區域均位于對側關節，并且接觸符合最高的區域在小關節的后外側上部，同時在軸向旋轉時同側小關節面并無接觸。Degreif[9]研究認為腰椎節段的選擇運動范圍很小，約在2～4°，與本實驗的結果相符。也有研究發現當腰椎運動節段軸向旋轉范圍超過3°時，即可造成關節突的破壞[10]，表明小關節是限制腰椎旋轉的主要結構。本實驗中發現切斷單側（左側）關節囊或切斷雙側小關節囊對腰椎旋轉活動運動范圍稍有增加，但對其影響變化無統計學意義（P＞0.05），所以認為腰椎小關節囊在小關節旋轉時有一定固定作用，但在腰椎軸向運動時小關節間的骨性阻擋是限制腰椎旋轉活動的主要因素。

本實驗結果發現，破壞腰椎小關節囊在腰椎前屈運動及腰椎側彎時對腰椎的運動范圍產生影響，說明小關節囊在前屈與側彎活動時對腰椎小關節有固定作用，在腰椎穩定性方面有著一定的影響。提示臨床醫生在對患者施行腰椎后路手術時不能一味追求視野的顯露，也要注重術中對腰椎小關節及關節囊不必要的破壞，以免出現術后的腰椎不穩定，導致下腰部的慢性疼痛等癥狀的產生。實驗結果也發現腰椎小關節囊對腰椎旋轉運動的穩定性及限制不大，旋轉大于4°時會出現小關節的骨性阻擋，因此普通的按摩及脊柱旋轉手法不會引起小關節囊的破壞，但因避免過大幅度的手法直接損傷小關節。

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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

杭州市余杭區中醫院骨傷二科（杭州311106）