脊椎的解剖構造與生物力學特性

脊椎是長條狀的骨骼組織，長度約佔全身高度的五分之二。其組成如 圖 2-1 所示，是由 33 塊椎骨與 23 個椎間盤所組成，在矢狀面(sagittal plane) 上成彎曲結構。椎骨本身雖然堅硬，但組成之脊椎結構卻具有相當的柔軟 度，可以作出前、後彎曲(flexion-extension)，左、右彎曲(lateral bending)及 扭轉(rotation)的動作。椎骨依其幾何形狀、尺寸和位置的不同，分為 5 個區 域，包含：頸椎(cervical vertebrae)7 節(C1-C7)、胸椎(thoracic vertebrae)12 節 (T1-T12) 、 腰 椎 (lumbar vertebrae)5 節 (L1-L5) 、 薦 椎 (sacrum) 和 尾 椎 (coccyx)，其中薦椎和尾椎由數塊分離的骨頭合成一塊。從頸椎到腰椎 24 塊椎骨之間，各有一塊由軟骨組成的椎間盤(intervertebral disc)置於其中，

作為吸收衝擊能量和增加脊椎活動度的機構。脊椎的主要用途是保護脊髓 神經和支撐體重，根據脊椎生理構造，越下方的椎骨所承受的重量越大，

其體積也逐漸增大。由於下方的脊椎所承受的壓力較大，所以在腰椎到第 一節薦椎的椎間盤較常發生傷害或退化性病變。因此本研究的目標將著重 在腰椎的部份，以下就腰椎的構造做詳細的說明。

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圖 2-1 脊椎解剖構造[32]

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2.1.1

一節典型的腰椎構造如圖 2-2 所示，包含：椎體(vertebral column)、椎 足(pedicle)、椎板(lamina)、脊突(spinous process)、和橫突(transverse process)。

為了承受重量，腰椎的椎體扁平且特別大。腰椎的小面關節(facet joint)在矢 狀面和橫切面(transverse plane)的夾角則如圖 2-3 所示，分別成 90 度與 45 度的角度。椎體和椎間盤間的介面稱為端板(end-plate)，是一種軟骨組織；

而脊柱和後方組織之間形成的椎孔(vertebral foramen)則是讓脊神經通過的 空間。椎體本身是由外層的皮質骨(cortical bone)和內層的鬆質骨(cancellous bone)構成；由於鬆質骨中的骨小樑成縱向排列(圖 2-4)可知椎體主要能承受 壓力(compression force)[33]。

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圖 2-2 典型腰椎構造

圖 2-3 小面關節在矢平面和橫切面的夾角[33]

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圖 2-4 椎體的內部結構[33]

2.1.2

椎間盤的組成分為兩大部分(圖 2-5)：中央由富含水分的膠狀物質 (hydrophilic glycosaminoglycans)構成髓核(nucleus pulposus)；而外層則是以 堅韌的環纖維 (annulus fibers)包覆，稱為環帶(annulus laminates)。其中纖維 環內含有上下成 30 度交叉的膠質纖維(collagen fiber)。

椎間盤承受壓力的情形如圖 2-6，髓核受壓時，可以將壓力均勻的傳遞 到內纖維環，再傳至外纖維環。而藉由外纖維環的張力作用，使得椎間盤 得以承受壓力[2]。

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圖 2-5 椎間盤的結構[33]

圖 2-6 椎間盤受壓情形[33]

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2.1.3

韌帶提供張力的特性，幫助關節穩定。腰椎間的韌帶包含有前縱向韌 帶(anterior longitudinal ligament, ALL)、後縱向韌帶(posterior longitudinal ligament, PLL)、黃韌帶(ligamentum flavum, LF)、脊間韌帶(interspinous ligament, ISL) 、 脊 上 韌 帶 (supraspinous ligament, SSL) 、 橫 突 韌 帶 (intertransverse ligament TL)和小面關節囊(capsular ligament, CL)。韌帶在腰 椎的分布如圖 2-7[2]。

圖 2-7 腰椎中韌帶的分佈[33]

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2.1.4

兩節脊椎和ㄧ個椎間盤的組合稱為ㄧ個椎節(motion segment)，而一個 椎節的運動方式如圖 2-8。脊椎在矢狀面(Sagittal plane)上的轉動稱為前後 彎 曲 (flexion-extension); 在 冠 狀 面 (frontal plane) 上 的 轉 動 稱 為 左 右 彎 曲 (left/right lateral bending)；而在橫切面(Transverse plane)上的轉動則稱為左右 扭轉(left/right axial rotation)。脊椎在運動時，主要由椎間盤承受壓力，由韌 帶承受張力；而腰椎的小面關節因為角度的關係，不但可以承受水平的壓 力，亦可以限制腰椎旋轉的範圍。表 2-1 則是第一腰椎到第一節薦椎之間，

各椎節的運動範圍。由表中可知腰椎在前後彎曲上的運動範圍較大，而在 左右扭轉上是較受到限制的。

圖 2-8 脊椎運動方式[33]

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表 2-1 腰椎各椎節運動範圍[33]

Interspace L1-l2 L2-L3 L3-L4 L4-L5 L5-S1 Limits of

Range(°) 5-16 8-18 6-17 9-21 10-24 Combined

Flexion/Extension Representative

Angle(°) 12 14 15 16 17

Limits of

Range(°) 3-8 3-10 4-12 3-9 2-6 One Side

Lateral Bending Representative

Angle(°) 6 6 8 6 3

Limits of

Range(°) 1-3 1-3 1-3 1-3 0-2 One Side

Axial Rotation Representative

Angle(°) 2 2 2 2 1 合(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)、後方腰椎椎間融合(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)和後側方椎孔間融合(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)。而椎間融合器依不同的施術方式，其設計也有一定