关节突关节的生物力学研究进展

本文原载于《中华骨科杂志》2015年第9期

关节突关节（zygapophyseal joint）又称椎间关节，是由脊柱相邻上、下椎体关节突所组成的滑膜关节。关节突关节由第二颈椎下关节突一直延续到腰椎，有着复杂的生物力学结构，对维持脊柱后方结构稳定性起到重要作用。与其他大关节相比，关节突关节的生物力学研究相对滞后。近些年来，学者们逐渐认识到关节突关节在脊柱生物力学方面的重要性，相关的研究方法和技术也在不断发展和更新。本文以'脊柱'、'关节突关节'、'解剖学'、'生物力学'、'手术'等为关键词，计算机检索数据库Pubmed、EMBASE、中国生物医学光盘数据库、中国知网、维普中文科技期刊数据库（1980年1月至2014年12月）。纳入语言为中文和英文；纳入文献类型为期刊论文、学位论文、中外专利、综述。回顾近年来关节突关节解剖学、生物力学及临床应用的最新研究进展，重点探讨生物力学研究对相关手术及后期治疗的指导意义（图1）。

一、关节突关节的解剖学研究进展

关节突关节为平面关节，与椎间盘及脊柱周围韧带一起维持脊柱的稳定，同时还参与椎管的构成、保护椎管内容物。脊柱关节突在椎弓根与椎板相接处伸出，形成上、下关节突，两侧各一对（图2）。关节突关节属于滑膜关节，关节面由软骨覆盖，关节面形状在各个节段均随关节面的成角而变化，大体上呈椭圆形。颈椎上关节突关节面朝向后上方，下关节突关节面朝前下方，可以在下一个颈椎的上关节面上滑动。在胸椎和腰椎，关节突关节通过椎弓根与椎体形成一体^[1]。关节面的方向及成角决定了不同部位的脊柱活动度不同。关节的运动由韧带样关节囊引导，关节囊包绕全部关节，限制了脊柱活动，维持了脊柱的力学稳定性^[2,3,4]。近年的研究表明，在临床治疗和手术的实施细节中，关节突关节越来越受到研究者的重视，为手术方案指导、术后康复治疗及预后的评估提供了重要依据。

（一）关节突关节的倾斜角度及活动度

关节突关节活动度，直接影响脊柱的活动度。关节突关节的解剖学特点，尤其是关节面的角度，是椎体耦合运动的重要因素。关节突关节面的轴位成角在颈椎为20°~78°、胸椎为55°~80°、腰椎为82°~86°。关节面在颈椎呈近似水平，使颈椎及上胸椎有很好的轴向旋转能力及侧弯能力；下胸椎及腰椎关节面成角逐渐倾斜，腰椎近似垂直，使下胸椎及腰椎活动受到限制，从而保护了椎间盘及椎管内容物，减小了非生理状况下的损害^[5,6]。矢状面成角在颈椎、胸椎、腰椎分别为70°~96°、85°~120°、15°~70°，即从颈椎到腰椎矢状位成角越来越小，椎体的活动也越来越受限制^[7,8]。由于关节突关节在矢状面及冠状面均成角，导致椎体侧屈时伴有轻度轴向扭转，而轴向扭转的同时又能产生轻度侧屈。

关节突关节为脊柱生物力学结构的重要组成部分，单纯关节突关节损伤即可引起脊柱活动度的改变。Crawford等^[9]观察C_5,6单侧关节突关节绞索对脊柱活动度的影响，仅向关节绞索侧进行轴位旋转时活动度无明显差异，其余工况条件下脊柱活动度减少了2.7°~3.6°。

在王志刚等^[10]的探讨骨性结构参数在退行性腰椎滑脱发病机制中的作用的回顾性研究中，腰椎滑脱患者与正常对照组相比，双侧关节突面冠状位角有显著性差异。其研究结论是腰椎的骨性结构参数在退行性脊柱滑脱的发病机制中对总体人群而言不是重要因素，从反面证明了退行性变是退行性滑脱的重要因素。而荆慧田等^[11]认为腰椎滑脱患者滑脱节段的关节突关节角明显小于非滑脱患者的相应节段，关节突关节角度改变与退行性腰椎滑脱的因果关系尚不明确。我们认为CT三维重建技术以及MRI的应用，将有助于探究两者之间的内在联系。

（二）关节突关节软骨解剖学及生物力学研究

关节突关节表面覆盖软骨，在不同的位置层厚不同。关节边缘部位较厚，逐渐过渡到中心部位最薄。Womack等^[12]在下颈椎的研究中得出下颈椎关节突关节软骨厚度与关节面半径及周长的关系:

公式中t为软骨厚度；t_max为所在截面软骨厚度最大值；k为常量，与软骨截面形状相关；r为软骨厚度最大值处圆心半径；r_perim为所求软骨厚度相应半径。研究同时指出关节面软骨覆盖不完全，在关节边缘存在裸露区。

关节突关节软骨的生物力学性质主要取决于软骨组成（胶原纤维、含水量等）、年龄及关节负载情况。目前研究仅仅从宏观角度对关节突关节的生物力学有较为广泛的探讨。由于关节突关节软骨相对较小、关节结构复杂、力学模型构建复杂等因素，针对关节软骨的生物力学研究较少。仅有Elder等^[13]对犬腰椎关节突关节进行研究，他们认为关节突关节软骨与全身大关节的软骨相似。

（三）关节突关节附属结构的生物力学研究

关节突关节是整个脊柱唯一的滑膜关节，滑膜和关节韧带包绕在关节表面，辅助关节的运动并限制上、下关节突关节的分离。滑膜层薄，内层紧贴在关节囊韧带内侧，且结构松弛，对关节突关节的生物力学作用有限，因此无相关的生物力学研究。关节突关节囊受机械敏感神经元支配，关节囊损伤是腰痛的来源之一。

滑膜组织内层向关节腔内折叠形成滑膜皱襞，在关节腔边缘滑膜皱襞与脂肪和纤维结缔组织共同构成半月板样结构（与膝关节半月板不同）。它在关节腔内起到增加关节面接触面积、保护关节软骨的作用，并能够引导、限制上下关节突关节的相对运动，减轻摩擦^[6]。

二、关节突关节的生物力学研究进展

（一）关节突关节对脊柱稳定性的作用

脊柱运动是三轴六向的复合运动，双侧关节突关节与椎间盘共同构成三角结构维持椎体间稳定，任一关节的破坏都会导致脊柱失稳。White和Panjabi^[14]认为，当相对位移大于3.5mm、成角畸形大于20°时可以认为脊柱失稳。Rankine和Dickson^[15]指出腰椎失稳与关节突关节的退变、损伤密切相关。脊柱旁肌肉组织通过改变脊柱的弯曲方向能够使脊柱保持平衡；同时关节突关节限制了椎间盘的过度扭转，减缓了椎间盘退变，维持了脊柱稳定^[16]。关节突关节主要承载脊柱后部的轴向应力，限制脊柱的过度运动，保护椎管内结构。同时，关节突关节也在加强脊柱扭转强度、限制移位、防止关节分离中具有重要作用。

（二）关节突关节囊韧带的生物力学作用

关节囊韧带主要由弹性蛋白和胶原纤维组成，主要作用为限制关节突关节的活动。Zdeblick等^[17]观察了尸体C₃~C₇标本在关节囊部分切除前后侧屈和轴位扭转的角度变化。其结果表明50％的关节囊被切除后相同扭矩下脊柱轴位的旋转角度增加了19%，脊柱后部的位移增加了32%；75％的关节囊被切除后脊柱后部呈分离状态。这一结果说明关节突关节囊对限制脊柱运动有重要作用，在前屈、侧屈和扭转过程中尤为显著。

（三）关节突关节囊在材料学和载荷下的力学测量研究

关节突关节囊的完整及周围韧带的完整是保持关节突关节稳定的重要条件。力学指标的测量在关节囊韧带的研究中也是不可或缺的一类。Little和Khalsa^[18]分析了关节突关节囊的生物力学性质，测量了其在水平位和垂直位的受力情况及黏弹性。他们认为关节囊的弹性模量是非线性、非均质性的；储能模量与复数模量关系密切；关节囊所受到的力与胶原纤维所受力一致；垂直受力情况下应力松弛率呈线性分布，而与胶原纤维平行方向的应力松弛则表现为非线性。

三、关节突关节的生物力学研究对临床的指导作用

（一）关节突关节切除术后脊柱生物力学的研究

关节突关节切除术在临床上应用广泛，术式可分为单侧切除、双侧切除及部分切除等。姜峰^[19]分析一侧关节突切除对腰椎稳定性的影响后得出结论：手术切除范围在一定程度上能够改变腰椎的力学稳定性。当切除范围小于1/2时，生物力学稳定性无显著改变；大于1/2时，腰椎的局部力学稳定性将受到破坏，较前者相比腰椎扭转及侧屈活动度显著增加，生物力学稳定性显著降低。Schulte等^[20]研究椎板切除术后腰椎活动度的变化，指出L_3,4双侧关节突关节切除术后屈曲、轴位扭转的活动度显著增加，伸展和侧屈的活动度有增加趋势。综上所述，关节突关节切除术后脊柱活动度增加，稳定性下降，损伤风险增加。

（二）椎间融合术、人工椎间盘置换术后关节突关节的生物力学

椎间融合术作为一种成熟的手术方式已被广泛应用于多种脊柱疾病。人工椎间盘置换术则是近十几年来治疗椎间盘退变疾病的新方法。它在切除病变椎间盘、解除压迫的同时，还可以恢复脊柱的高度和活动能力。保留运动节段，使术后相邻节段继发性退变减少，理论上可避免椎间融合术带来的相邻节段退变。

目前针对两种术式的关节突关节生物力学研究较多。吴强^[21]分析了两种手术方式对颈椎邻近下位关节突关节的影响。结果表明椎间盘摘除术后邻近下位关节突关节内的压力降低；而椎间盘融合后，相邻下位关节内压力增大。这两种情况都可能是诱发关节退变或退变加速的原因。而人工椎间盘置换术后相邻下位关节内的压力接近正常，符合颈椎正常的生物力学要求。房佐忠^[22]报告了两种术式对颈椎相邻上位关节内压力的影响：椎间盘摘除后C_{4, 5}和相邻上位节段关节内的压力在较小载荷时下降，但当载荷增加到100N时关节内压力大于对照组。研究结果表明颈椎间盘摘除术后相应椎体应力分布产生了变化；而C₄~C₆双节段椎间融合内固定术后相邻上位关节内压力明显升高。上述两种情况可能是导致其发生退变或退变加快的原因之一。双节段人工颈椎间盘置换后置换节段和相邻上位节段关节内压力与正常组接近，提示双节段人工颈椎间盘置换术与颈椎正常生物力学要求相符。袁一等^[23]的腰椎人工椎间盘置换术后的生物力学研究也得到了相似的结果。

Ivicsics等^[24]分析了猪腰椎髓核摘除术对关节突关节生物力学的影响。研究表明术后关节突关节承受的轴向应力由未摘除前的40.7％增加到82.0%；髓核摘除后引起的关节突关节压力变大可增加关节软骨磨损，可能与关节突关节的退变有关。随后Ivicsics等^[25]又对9具尸体标本进行了生物力学研究，结果表明髓核切除术后关节突关节载荷显著增加，与之前的研究结果一致。

Ma等^[26]对L_2,3椎间融合术后上、下相邻节段的关节突关节应力变化进行了研究。研究结果表明：与正常对照相比，L₁下关节突在前屈、后伸、侧屈工况下应力增大；L₂上关节突在侧屈工况下应力增大。下位邻近节段关节突关节应力分布变化表现为：L₃下关节突在旋转、侧屈工况下应力显著减小；L₄上关节突在各工况下应力与正常状态无异。在椎弓根螺钉内固定术后，通过减小腰椎前屈、后伸及侧屈的活动范围，可缓解上位邻近节段关节突关节的应力代偿性增大，从而减缓邻近节段退行性病变的发生或加剧。

Nandyala等^[27]比较了前路颈椎间盘切除融合术（anterior cervical discectomy and fusion，ACDF）、颈椎人工椎间盘置换术两种术式翻修手术的效果。研究指出：与ACDF翻修手术相比，人工椎间盘置换翻修手术患者的住院时间显著延长，治疗费用和围手术期感染率均显著增高，但两组患者死亡率没有统计学差异。

综上所述，我们认为人工椎间盘置换术的近期手术效果较好，可恢复病变节段的稳定性和活动功能。但与椎间融合术相比，远期翻修手术的风险显著加大，因此医生应全面考虑患者情况进行个体化治疗。正如膝、髋等大关节病变的手术方式从关节融合发展到关节置换一样，脊柱手术术式也正经历着从成熟的融合术式到更为复杂的非融合固定的发展阶段。随着手术技术及植入物的不断翻新，人工椎间盘置换术将会更加成熟；而更加注重脊柱后方重建的诸如类似关节突关节重建的技术也会逐步发展起来。

（三）脊柱后路非融合技术对关节突关节的生物力学影响

脊柱后路非融合技术是治疗椎间盘突出症及椎管狭窄引起的疼痛的新方法。与椎间融合术及人工椎间盘置换术相比，脊柱后路非融合技术创伤小，可保留脊柱的活动度。目前主要应用于临床的后路动态稳定装置主要分为两类：一类是以Coflex系统、Wallis系统、DIAM系统、X-STOP系统等为代表的椎体间稳定装置；另一类是以Dynesys系统为代表的基于椎弓根螺钉的弹性固定装置。

Ha等^[28]回顾性分析了应用DIAM系统治疗的腰椎管狭窄患者的术后恢复情况及影像学指标，他们认为DIAM系统能在不改变邻近节段活动度的同时限制病变节段活动，并改建关节突关节的排列，恢复其生物力学性能。而Schilling等^[29]的力学研究结果则显示：相比Coflex系统、Wallis系统，DIAM系统的压力刚度更低，对手术节段几乎没有稳定作用。上述两项研究的结果相悖，我们认为主要原因是两项研究的观察指标不同。前者主要依据主观指标，如应用视觉模拟评分及功能障碍指数评价术后恢复情况；而后者更多的是关注力学指标及植入物材料属性来评价植入物对脊柱功能单元稳定性的作用。因此，应进行更多的临床数据分析和力学试验来评估DIAM系统的疗效。

Tsai等^[30]对尸体标本L_4,5节段进行力学检测，用以探究Coflex系统对脊柱稳定性的作用。结果表明部分失稳组（去除棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、关节突关节囊以及两侧50%的下关节突）、Coflex系统固定组、全椎板切除组与完整组相比，节段间活动度并无明显变化。我们认为，部分失稳组活动度与完整组无差异，说明Coflex系统能够在关节突关节及韧带切除的情况下对脊柱起到良好的生物力学重建作用。

曾腾辉等^[31]对腰椎进行Wallis系统置入前后的力学研究，结果证实Wallis系统能够减少腰椎前屈和后伸的活动度，增强脊柱稳定性，且关节突关节内平均压力在前屈和后伸时明显降低。

Korovessis等^[32]通过临床对照试验证实了Wallis系统可延缓腰椎融合术后邻近节段退变的自然发生，也延缓了接受邻近节段融合术的时间。

Wiseman等^[33]在分析了X-STOP系统对腰椎伸展时关节突关节载荷的影响后认为：腰椎伸展时该系统能显著减少关节突关节的载荷，椎间盘甚至能够达到零载荷。Schulte等^[20]分析了椎板切除术后Wallis系统和Dynesys系统对腰椎生物力学稳定性的作用。结果表明两种植入物都能有效限制脊柱的屈伸运动；由于Wallis系统用绑带加固了上、下棘突，与X-STOP系统相比对脊柱前屈的限制作用更加显著。

（四）关节突关节融合术的生物力学研究进展

早期关节突关节融合为单纯植骨融合，由于即刻稳定性较差现已较少应用。关节突关节固定时螺钉需穿过关节内，术后可限制固定节段腰椎的活动、增加刚度，但术后并发症较多。而通过关节融合器的应用不仅可提高融合率、增加抵抗剪切力，术后并发症也较关节突关节螺钉更少。

刘观燚等^[34]对20具胸椎标本进行了解剖学研究并于直视下置入关节突关节椎弓跟螺钉，研究结果证实胸椎后路经关节突关节椎弓跟螺钉具有解剖学可行性，可作为胸椎椎弓根螺钉固定的一种补充内固定方法，但置钉的准确性要求较高。罗宇等^[35]观察了经椎间孔椎间融合术结合单侧棒钉系统及对侧关节突螺钉治疗腰椎退变性疾病的疗效后认为，该手术方法能够有效固定融合并预防邻近节段退变。关节突关节位于脊柱前后径的中间位置，与椎间融合术比较关节突关节融合能够更好地平衡脊柱的前后受力。曾忠友等^[36]回顾性分析了单侧椎弓根螺钉联合对侧经皮椎板关节突螺钉固定治疗下腰椎病变的病例资料，认为该手术方式操作简单、创伤小、稳定性好、融合率高、并发症少，是治疗下腰椎病变较好的手术方式。崔志明等^[37]研发的腰椎关节突关节融合器能够增加关节面接触面积，置入精度高，可减少神经损伤等并发症的发生。

由于关节突关节融合适应证较窄，置入螺钉容易松动等原因，临床上关节突关节螺钉较椎弓根钉的应用更少。但与椎弓根螺钉相比，关节突关节螺钉更符合脊柱的生物力学原理，特别是双关节突关节融合能够显著限制脊柱旋转。另外，融合器的出现使手术操作更加精确，关节突关节融合将成为更为可靠、安全和科学的脊柱融合方式。

（五）腰椎关节突关节不对称与腰椎间盘突出症相关性的生物力学研究

关节突关节不对称是引起腰椎不稳、腰痛及腰椎间盘突出的重要因素。通常认为，腰椎同一节段关节突关节角度相差大于5°时即存在腰椎关节突关节不对称。

Schmidt等^[38]的有限元分析及力学研究表明，当关节突关节不对称时轴向旋转方向总是朝向关节角度接近冠状位的一侧，这会增加椎间盘损伤，诱发椎间盘突出症。李建功^[39]探讨了腰椎关节突关节不对称与腰椎间盘突出发病的相关性。他们认为由于腰椎关节突关节的不对称，椎体后柱的生物力学性质发生了改变，使脊柱异常活动增加；而双侧关节突关节和椎间盘的载荷不均匀则增加了椎间盘损伤的风险，是腰椎间盘突出症发病的危险因素之一。赖必华等^[40]认为腰椎关节突关节不对称可能是腰椎间盘突出症术后复发的危险因素之一。

综上所述，目前在解剖学、生物力学及临床脊柱外科等方面对关节突关节有了较为深入的研究。尤其在不同手术方式、不同手术植入物的研究中从生物力学的角度对临床脊柱外科给予了科学严谨的指导。尽管如此，该领域还有许多问题尚未阐明：由于关节突关节较小，其软骨、韧带与其他滑膜关节相比更难以获取，因此对关节突关节软骨、韧带相关的生物化学及免疫学研究相对缺乏。我们认为在关节突关节软骨韧带的研究中，应用计算机辅助骨科生物力学的方法是今后的研究方向。应用有限元分析方法，结合医学影像学资料和相关分析软件，可以更直观更有效地分析关节突关节骨及软骨的生物力学特征。

参考文献（略）

（收稿日期：2015-01-19）

（本文编辑：马宝意）