腰椎小關節(jié)解剖學及生物力學研究研究進展

顧黨偉，樊效鴻

（1.成都中醫(yī)藥大學 臨床醫(yī)學院,四川 成都；2.成都中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院,四川 成都）

0 引言

腰椎小關節(jié)（Lumbar facet joint，LFJ）作為脊柱后柱的重要骨性支撐，有著特殊的解剖學特征和生物力學特性，在腰椎活動過程中起著重要的承載作用和活動度限制功能。目前，普遍認為高度神經(jīng)支配的LFJ與腰部疼痛有著密切關系[1]，年齡、創(chuàng)傷等因素導致的小關節(jié)結構改變將會加速腰椎退行性疾病的發(fā)生[2]。本文就近年來從解剖學和生物力學兩方面對腰椎小關節(jié)研究內(nèi)容作一綜述。

1 解剖學特點

LFJ是由纖維關節(jié)囊和滑膜囊包裹上下關節(jié)突關節(jié)面所構成的封閉的滑囊關節(jié)，存在于脊柱每一節(jié)段后方左右兩側,與前方椎間盤關節(jié)形成“三關節(jié)”復合體，承載著脊柱的各狀態(tài)下的拉伸、壓縮、扭曲、剪切等載荷[3-6]。

1.1 關節(jié)面

LFJ關節(jié)面上覆蓋層厚約3-4mm的透明軟骨，表面光滑且富有彈性，實現(xiàn)小關節(jié)的低摩擦運動和承載作用?，F(xiàn)在，國內(nèi)外暫無對人體頸腰胸椎的小關節(jié)軟骨的研究報道，但通過對豬、猴和實驗兔的小關節(jié)軟骨面研究推導出，小關節(jié)面軟骨大致分為三層：淺層為膠原纖維層與關節(jié)面平行，軟骨細胞數(shù)量少，呈扁平狀；中層（移行層）為膠原纖維呈網(wǎng)狀排列，軟細胞增多；深層膠原纖維與軟骨細胞均垂直于關節(jié)面分布[7]。關節(jié)面之間存在關節(jié)滑液（Synovial fluid，SF），為關節(jié)面軟骨的主要營養(yǎng)來源和低摩擦環(huán)境基礎，其主要成分為PRG4和透明質(zhì)酸[8]。

1.2 關節(jié)囊

小關節(jié)關節(jié)囊（Lumbar facet capsular ligament，LFCL）前內(nèi)側移行與黃韌帶相融合，后方與關節(jié)突副韌帶、棘間韌帶、乳突副韌帶和多裂肌相鄰。其解剖結構分為三層：外層為致密纖維束，纖維束走行隨應力分布趨勢[9]，主要限制旋轉活動；中層為含少量結締組織的網(wǎng)狀纖維束，有一定的延展性；內(nèi)層為疏松結締組織，內(nèi)層向關節(jié)內(nèi)褶皺形成半月板結構起減少摩擦與保護軟骨作用[10-11]。Kallakuri等[12]在山羊頸椎小關節(jié)囊上研究發(fā)現(xiàn)關節(jié)囊纖維束中的神經(jīng)軸突在超過生理活動范圍時會出現(xiàn)形態(tài)改變，并認為這可能是引起頸椎神經(jīng)性疼痛的原因。Cullen DK等[13]發(fā)現(xiàn)軸突會因其附著的纖維束的應力和形變出現(xiàn)應力與應變的變化，導致膜通道打開，直接或間接的引起神經(jīng)源性疼痛。

1.3 關節(jié)面夾角

由于腰椎各節(jié)段小關節(jié)面承載的身體重力不同和活動度的差異，不同節(jié)段之間小關節(jié)面的角度也存在一定的差異。Gellhorn[14]等解剖證明腰椎所有關節(jié)突關節(jié)面均與水平面垂直，然腰椎各節(jié)段小關節(jié)關節(jié)面于矢狀面夾角大小均不一樣，其中胸12至腰1的夾角約在 25.89°～33.87°，腰 3 至腰 5 的夾角約在 40.40°～50.30°。另外，除腰椎小關節(jié)關節(jié)面于矢狀面夾角由L1-L5遞增，且同一節(jié)段的兩側小關節(jié)面夾角也有差異，這種差異在臨床上稱之為小關節(jié)不對稱，且定義關節(jié)角差值大于7°則為關節(jié)突不對稱，如果大于15°則為重度不對稱。段文等[15]通過大量CT影像測量發(fā)現(xiàn)L4/L5節(jié)段的小關節(jié)的不對稱性與該節(jié)段的腰椎退變有關，與Grogan等[16]研究結果相似。腰椎節(jié)段越低，小關節(jié)面夾角越大，所以其產(chǎn)生的機械阻擋越大，故相應節(jié)段關節(jié)突關節(jié)承載負荷與剪切應力也不斷增大，所以L4/5、L5/S1較上方節(jié)段更容易出現(xiàn)軟骨硬化、關節(jié)突增生、肥厚以代償增大的載荷，從而加速腰椎退變[17-19]。

2 腰椎小關節(jié)的生物學特性

2.1 小關節(jié)的宏觀機械力學特性

腰椎活動度在脊柱系統(tǒng)中相對較大，且承受最大的重力載荷。在前屈、后伸、左右旋轉和左右側屈狀態(tài)下，腰椎小關節(jié)各自做功不同以維持生物力學平衡。前屈時上位椎體下關節(jié)突向前向上移位，上下關節(jié)面相對分離移位，重心前移，小關節(jié)面載荷減少，約為直立位的1/2；腰椎后伸狀態(tài)下，上位椎體下關節(jié)突向下向后移位，上下小關節(jié)面相聚移位，重心后移，小關節(jié)面應力增大，約直立位時的2倍[20]。腰椎側彎狀態(tài)下，同側關節(jié)突關節(jié)載荷增大，而對側相反。旋轉過程中對側關節(jié)突關節(jié)關節(jié)面距離減小，關節(jié)面相互接觸阻擋，從而限制旋轉活動范圍。Kuzt[21]等在尸體標本上切除單側小關節(jié)，發(fā)現(xiàn)在同側軸向旋轉角度明顯增加1.4°，整個節(jié)段活動度增大3°，證明小關節(jié)通過限制性生理負荷過程中的線性或旋轉運動有助于脊柱的機械穩(wěn)定性。Abumi等[22]經(jīng)實尸體標本研究發(fā)現(xiàn)，分別對小關節(jié)內(nèi)側部分分級切除造成同側屈曲活動度增大，而對側屈曲無明顯影響。董凡[23]等得出了相似結論。

2.2 小關節(jié)的微觀級聯(lián)反應

研究[24]發(fā)現(xiàn)行腰椎退行性疾病手術患者，其小關節(jié)囊內(nèi)中存在IL-6和IL-1β等炎癥因子，因此得出誘導疼痛的原因為機械性組織損傷和周圍組織間隙中的化學刺激。Bhattacharjee等[25]發(fā)現(xiàn)關節(jié)囊在外力破壞下，將會出現(xiàn)一系列微觀下蛋白質(zhì)變化來影響SF的理化性質(zhì)。另外，很多學者都認為小關節(jié)在宏觀的機械承載過程中可能會在小關節(jié)內(nèi)出現(xiàn)細胞分子學層面的機械、物理和化學級聯(lián)反應。雖然現(xiàn)在鮮有關于小關節(jié)此類級聯(lián)反應的報道，但小關節(jié)作為滑囊關節(jié)與其他滑膜關節(jié)具有很大程度的相似性，通過部分滑囊關節(jié)的機械力學誘導的細胞分子學變化的研究可為小關節(jié)級聯(lián)反應研究提供基礎。

2.3 小關節(jié)分級切除的生物力學影響

靳安民等[26]通過對八具尸體的體外腰椎模型進行從內(nèi)向外的關節(jié)突關節(jié)逐級切除，分單側和雙側1/4級、1/2級、3/4級和全切除，探討關節(jié)突關節(jié)骨性缺失對腰椎生物力學穩(wěn)定性的影響，結果顯示關節(jié)突關節(jié)4級骨性結構丟失均會對腰椎穩(wěn)定性造成影響，表現(xiàn)為相應節(jié)段椎間盤Von Mises應力和相應節(jié)段活動范圍增大。趙勇等[27]從關節(jié)突關節(jié)外側向內(nèi)側分級（1/4級、1/2級、3/4級、全切除和不切除）5具新鮮尸體腰椎L4/5關節(jié)突關節(jié)，切除后對5具標本進行CT斷層掃描，具有CT數(shù)據(jù)建立5具三維有限元模型，分析腰椎力學穩(wěn)定性變化，實驗結果與靳安民等的實驗結果相似，并明確指出小關節(jié)切除大于1/2時，腰椎穩(wěn)定性破壞嚴重。另外劉成等[28]通過8具尸體標本研究關節(jié)突關節(jié)逐級切除對椎間孔面積的影響，切除分級與上述兩種實驗方案一致，逐級切除后測量前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉狀態(tài)下椎間孔的高度變化，實驗結果顯示，椎間孔的高度隨著腰椎的不同運動狀態(tài)有著明顯的差別，關節(jié)突逐級成形后對椎間孔高度有一定的影響，尤其當成形大于1/2級后，椎間孔高度丟失嚴重，尤其在背伸和同側側屈狀態(tài)下，提示存在出現(xiàn)椎間孔狹窄肯能。因此，可知關節(jié)突成形對腰椎的生物力學平衡存在一定影響，可能加速相應節(jié)段退行性疾病的發(fā)展速度；同時還會出現(xiàn)椎間孔高度丟失，椎間孔面積減小，出現(xiàn)椎間孔狹窄。

2.4 微創(chuàng)下小關節(jié)成形的生物力學影響

在微創(chuàng)內(nèi)鏡技術下，椎間孔擴大成形的級數(shù)不同對腰椎的生物力學平衡會有怎樣的影響？國外學者Choi[29]早在2008年就報道其收治的59例高位椎間盤脫出者，使用剛性環(huán)鋸成形責任節(jié)段上關節(jié)突腹側，進入椎管內(nèi)取出突出椎間盤，術后平均追蹤時間達到25.4個月，術后平均疼痛視覺模擬評分由8.01降至1.56，平均Oswestry殘疾指數(shù)從61.6提高至10.76，MacNab評價，優(yōu)良率高達91.4%。并提出使用環(huán)鋸成形關節(jié)突上關節(jié)突，在不損傷關節(jié)囊和關節(jié)面的情況下，并不會對腰椎穩(wěn)定性造成影響。

國內(nèi)學者李振宙等[30]通過對6具新鮮尸體的L4/5階段行不同分級椎間孔擴大成形，成形級別分別是一級（7.5mm環(huán)鋸成形）和二級（10mm環(huán)鋸成形），對比成形前后L4/5節(jié)段活動度和應力變化，實驗結果證明一級成形未損傷關節(jié)突關節(jié)面和關節(jié)囊結構，對腰椎力學穩(wěn)定性無明顯影響，但二級成形破壞L4/5關節(jié)突下關節(jié)面和關節(jié)囊韌帶結構，導致腰椎穩(wěn)定性降低，但穩(wěn)定破壞不及開放性1/2級明顯。余洋等[31]通過有限元法模擬經(jīng)皮椎間孔鏡技術行L5上關節(jié)突尖部和基底部成形，證明基底部成形較尖部成形更具有生物力學優(yōu)勢。

綜述所述，從局部解剖學、生物力學和分子生物學等方面研究腰椎小關節(jié)均證明其在腰椎結構中的重要作用。雖然目前仍無直接證據(jù)證明腰椎小關節(jié)與腰痛的關系，但小關節(jié)生退變在腰椎退行性疾病中的重要作用已廣泛認可，例如退行性脊柱狹窄，脊椎滑脫和脊柱側彎。此外，對于目前較為推崇的微創(chuàng)脊柱內(nèi)鏡技術下，醫(yī)源性小關節(jié)破壞對腰椎生物力學環(huán)境的影響還需要更加深入的研究，以為微創(chuàng)手術提供準確的數(shù)據(jù)支持。