作者：广东省中医院骨伤科专科医院     高梓博

本研究系统综述了腰椎峡部裂对邻近节段椎间盘的生物力学影响及手术干预策略。通过整合生物力学试验、有限元分析和临床研究数据，发现腰椎峡部裂显著增加邻近节段椎间盘的应力负荷，导致刚度降低、应力分布异常及活动范围扩大。对比不同手术方法发现，直接修复技术可有效降低邻近节段应力，而融合术虽稳定病变节段，却导致相邻椎间盘应力增加。动态稳定系统（如节段性脊柱矫正系统）通过保留部分运动功能，可能减少邻近节段退变风险。研究提出个性化治疗策略需综合患者解剖参数（如腰椎前凸角、骨盆入射角）和生物力学特征，并建议结合计算机模型预测手术长期效果。未来研究应聚焦分子机制探索与新型生物材料开发，以优化手术精准性。

峡部裂是指腰椎单侧或双侧峡部骨质缺损或断裂，是腰椎滑脱的主要原因之一，最常见于下腰椎。峡部裂在青少年及运动员中尤为常见，其发生率在普通人群中为6％～11％，而在特定体育活动人群中可高达63％。峡部裂不仅影响受累节段的稳定性，还可能对邻近节段椎间盘产生复杂的生物力学影响，引起疼痛、麻木等症状，严重影响患者的生活质量。因此，从生物力学角度深入探讨腰椎峡部裂对邻近节段椎间盘的影响及其治疗策略。近年来，国内外学者在腰椎峡部裂及其对邻近节段椎间盘影响方面进行了大量研究，包括生物力学实验、有限元分析、临床观察等。然而，当前研究仍存在一些不足之处，如缺乏系统性、综合性研究，以及不同治疗方法对邻近节段椎间盘生物力学效应的比较研究等。因此，本文旨在基于生物力学原理，系统深入地探讨腰椎峡部裂对邻近节段椎间盘的影响，并评估不同手术方法的生物力学效果，以期为临床提供更为精准有效的手术治疗指导。

本文首先介绍了峡部裂的生物力学基础，包括生长板、小关节等结构在峡部裂发生和发展中的作用，以及不同运动或工作状态下腰椎峡部裂的应力响应机制。随后，详细阐述了腰椎峡部裂对邻近节段椎间盘的生物力学效应，包括椎间盘刚度、应力分布、活动范围等方面的变化。最后，基于这些生物力学效应，本文总结并分析了腰椎峡部裂不同手术方法的生物力学优势与局限性。

腰椎峡部裂的生物力学基础

在峡部裂还未发生的阶段，各种应力可以增加峡部的骨水肿和微创伤，导致该位置的炎症性骨愈合反应，但影像学上未见明显的骨折迹象。随着不良应力持续增加，峡部应力集中部位可以发展出明确的骨折线。在这一过程中，有多个因素参与了峡部断裂的生物力学基础。

生长板     生长板在腰椎峡部裂的发生和发展中扮演了重要角色。一方面，作为腰椎结构中的力学弱点，生长板在承受剪切力时极易受损。Konz等指出，在前后剪切载荷作用下，腰椎功能性脊柱单元中峡部裂的最薄弱部位是软骨终板和骨终板之间的生长板。试验结果显示，无论椎间盘完整还是切开，失效均发生在生长板上，验证了生长板在抵抗剪切力方面的脆弱性。另一方面，生长板的位置和功能特性使其成为峡部裂后椎体滑脱发生的关键部位。Sairyo等基于临床MRI观察及动物模型实验，指出在峡部裂存在的情况下，生长板成为前向剪切应力的主要承受部位，且重复的机械负荷可导致生长板分离，进而引发椎体滑脱，强调了生长板在儿童和青少年峡部裂型椎体滑脱发病机制中的关键作用。

腰椎小关节     腰椎小关节的形态和应力变化对峡部裂的发生有显著影响。一方面，形态学上的变化增加了腰椎小关节在承受载荷时的应力集中。Masharawi等发现峡部裂个体中椎弓的大小和形状表现出显著的关节面间宽度增加、关节面间高度显著缩短，以及关节面显著变短和变窄。Ward等则指出L4下关节面和S1上关节面之间内外侧距离差异不足是导致L5峡部裂的一个重要因素。另一方面，从应力上而言，例如在L5双侧峡部裂中，腰椎小关节的应力分布发生了显著变化，特别是上位关节突应力增大，而下位关节突因峡部裂导致应力减小。这种应力分布的变化可能加速了邻近椎间盘的退变，并促进了峡部裂的进一步发展。张志则进一步研究了腰椎峡部的疲劳特性和应力传导分布特征，发现腰椎峡部内侧1／2承担了更多的腰椎负荷应力，更容易发生疲劳骨折。此外，刘耀升等的研究也提示了腰椎峡部应力性骨折的发生与椎间盘高度、小关节角及椎间盘前凸角等解剖形态因素密切相关。

运动或工作状态     在不同运动或工作状态下，腰椎峡部裂的应力响应机制各异。例如，在包括飞行过载等在内的高冲击条件下，峡部裂会显著降低腰椎的稳定性，增加腰椎受压后的运动幅度和整体压缩量，进而加剧腰椎间盘、韧带等结构的损伤风险。此外，由于高强度的运动需求会增加腰椎椎间关节突的负荷，运动员峡部裂的发生风险较正常人更高，特别在需要腰椎过度伸展的运动中，如跳水、举重、划船、体操和摔跤中，椎弓峡部裂的发生率更高。

腰椎峡部裂对邻近节段椎间盘的生物力学效应

椎间盘刚度     腰椎峡部裂及其引发的腰椎滑脱对邻近节段的椎间盘刚度有显著影响。具体而言，随着滑移程度的增加，邻近节段椎间盘的刚度随之降低。有限元研究表明，L5滑脱程度从10％增至50％时，L4，5椎间盘的刚度在侧弯载荷下降低约57％。不同载荷方向对刚度的影响也存在显著差异；侧弯和扭转力矩对椎间盘刚度的削弱最为明显。例如，L5滑脱50％时，L5S1节段的屈曲运动增加69％、伸展运动增加153％，扭转载荷下右旋和左旋扭转运动分别增加420％和315％，右旋和左旋侧弯力矩载荷下主要运动分别增加280％和235％。另有研究指出，腰椎峡部裂患者的脊柱－骨盆矢状位参数差异与椎间盘刚度的变化存在关联。在峡部裂性腰椎滑脱中，腰椎前凸角增大，峡部裂同序椎体及相邻节段椎间盘的楔形变化显著，表现为患者的L4，5椎间盘楔形角增加了51％，这种几何形状的改变进一步加剧了椎间盘的退化和刚度降低。类似地，骶骨倾斜角、骨盆入射角、骨盆前凸角的改变也与下腰椎椎间盘的退变和刚度变化存在相关，例如，对于屈曲活动，在与正常模型的比较中，L5峡部裂模型的骶骨倾斜角如果增加10°，L5S1椎间盘的刚度增加约18％，而该角减少10°时椎间盘的刚度则与正常模型类似。此外，临床观察发现L4，5椎间盘突出并非L5S1轻度峡部裂型滑脱的罕见伴随表现，提示在临床评估和治疗腰椎滑脱时，应关注邻近节段椎间盘的退变程度和高度变化等，以制定更全面的治疗策略。值得注意的是，轻度椎间盘退变在峡部裂进展为腰椎滑脱的过程中可能扮演重要角色。与严重退变的椎间盘相比，轻度退变的椎间盘在屈伸等运动过程中表现出更大的椎间运动和剪切应力，而峡部裂可能加剧该力学特征的病理影响。然而，随着椎间盘退变的加重和高度塌陷，虽然椎间盘的运动性和刚度有所下降，但这种变化也可能作为一种自我保护机制，通过减少运动范围和增加刚度来稳定受影响的脊柱节段。

椎间盘应力     由于腰椎峡部裂对受累节段生物力学稳定性的破坏，失稳造成的应力改变传递至邻近节段椎间盘，可呈现以下3个特征：（1）峡部裂导致受累节段及其邻近节段椎间盘应力显著增加。Natarajan等通过有限元分析发现，当L5峡部滑脱程度达50％时，L5S1节段纤维环应力较完整模型增加322％，而相邻L4，5节段仅增加238％，表明滑脱受累节段的应力增幅显著高于相邻节段。Sairyo等进一步量化了轴向载荷条件下，L5峡部裂模型的L4，5纤维环和髓核应力分别较完整模型增加11％和20％，而尾侧L5S1节段的增幅达68％和55％，证实尾侧邻近节段承受更高的力学负荷。（2）峡部裂引起的应力变化可能加速邻近椎间盘的退行性变。生物力学研究表明，应力增幅超过生理阈值（如纤维环应力＞8．5MPa）可直接导致组织损伤。Natarajan等指出，L5S1纤维环在侧弯载荷下的应力峰值达9．5MPa，超过其破坏强度，可能引发环形撕裂。此外，张德宏等通过细胞实验证实，机械应力增加（如0．2～2．5MPa的动态压缩）可引发椎间盘的分解代谢反应，从而在微观层面解释了不良应力负荷与椎间盘退变的相关性。（3）手术治疗可显著改变椎间盘应力分布，但不同术式效果差异明显。Sairyo等通过巴克氏技术直接修复峡部裂后，L5S1纤维环应力从168％降至125％，髓核应力从155％降至120％，接近完整模型水平。Ye等进一步对比不同固定方式，发现椎弓根螺钉固定法和椎弓根螺钉＋巴克氏技术的混合固定法在腰椎6个活动度运动中，其椎间盘应力集中表现优于巴克氏技术。然而，手术策略的选择需兼顾生物力学特性，李忠海等研究表明，后凸位固定（平均椎间后凸角5°）对邻近节段椎间盘应力的增加显著高于原位固定组（平均椎间前凸角10°）和超前凸位固定组（平均椎间前凸角25°），提示维持正常腰椎前凸角对降低邻近节段应力至关重要。此外，Zhou等通过体内外联合分析发现，腰椎融合术后L3，4节段纤维环应力增加了1．70MPa（P＜0．05），且椎间盘内压升高了0．29MPa（P＜0．05），强调需根据患者生物力学特征个性化选择手术入路。

椎间盘活动范围     腰椎峡部裂不仅直接导致受累节段的椎间盘活动范围增加，还显著影响相邻节段的活动范围。胥鸿达等通过测量峡部裂患者在模拟生理载荷下的三维瞬时运动特征，发现与正常腰椎相比，峡部裂节段邻近椎间盘在多个方向上的活动范围均显著扩大，呈现出紊乱的主次运动模式。Phan等利用动力位磁共振对轻度单节段腰椎滑脱患者的运动特性进行了评估，结果显示责任节段水平的不稳定性显著增加，而相邻节段在L3，4和L4，5水平出现代偿性过度活动，以维持整体的腰椎稳定性。Mihara等指出，在小牛L4峡部裂模型中，L3，4和L4，5运动单元在屈伸和轴向旋转时的活动度均显著增加，分别达到完整脊柱的106．4％和120．1％。类似地，刘晖等通过成人新鲜腰椎标本构建L5双侧峡部裂模型，观察到上位腰椎（L4）在前屈、后伸及旋转活动范围上均有显著增加，分别增加了22．1％、29．4％和33．8％。然而，Chamoli等通过观察袋鼠峡部裂模型，则指出无论峡部裂水平是否存在腰椎滑脱，双侧峡部裂均可能导致腰椎屈伸时邻近节段的旋转和平移运动出现代偿性减少。

腰椎峡部裂是引起相邻节段椎间盘活动范围变化的重要因素，早期研究认为，使用Buck螺钉固定椎弓峡部缺损可以限制活动度的增加，但效果差异无统计学意义。Morishita等则指出，动态非融合稳定术（节段性脊柱矫正系统）相较于刚性融合术，能够保留手术节段的部分运动学功能，并可能降低相邻节段病变的发生率。这一发现与Zhou等的研究结果相呼应，即刚性融合术后相邻椎间盘后部区域高度显著下降，且盘内压力显著增加，提示刚性融合手术可能不利于相邻椎间盘的生物力学环境。Ye等则认为结合Buck螺钉和椎弓根螺钉的混合内固定在减少邻近节段椎间盘位移方面更具有优势。还有Malakoutian等通过系统的文献回顾发现，融合术后邻近节段头侧或尾侧节段水平整体运动学变化不一，有20％～30％患者在头侧节段水平出现不稳定的过度运动学变化。总而言之，虽然刚性融合术能够提供稳定的固定效果，但其可能增加相邻节段的机械应力，促进相邻节段病变的发生。相比之下，动态非融合稳定术和混合内固定技术通过保留部分运动学功能或优化应力分布，可能更有利于保护相邻节段椎间盘。

基于邻近节段椎间盘生物力学效应的峡部裂手术治疗

非手术治疗和直接修复技术     峡部裂手术治疗方法的选择需综合考虑患者具体情况，包括年龄、体重、椎间盘及关节突退变程度、腰椎前凸角、骨盆入射角等。手术的核心争议也在于运动保留与节段稳定之间的平衡。对于患有轻度峡部裂的青少年而言，限制运动、佩戴支具、使用药物等非手术治疗可以在兼顾患者生长发育需求的同时，获得安全有效的临床结局，但对滑脱后凸角度较大者，手术治疗可能更有助于达成更佳的治疗结局。Ulibarri等认为，对于青少年患者，以Buck技术为代表的直接修复技术保留了运动节段，通过植入螺钉固定峡部裂部位，有助于恢复脊柱的稳定性并减轻邻近节段的生物力学负担，结果显示L4，5纤维环应力由正常状态下的111％降至102％，而L5S1则由168％降至125％，从而有助于防止或延缓邻近节段的椎间盘退变，是一种合理且有效的替代方案。

腰椎融合与动态稳定系统     对于老年患者或伴有明显退变的患者，融合术是一种经典的治疗方法。尽管能够稳定受累节段，但术后邻近节段椎间盘退变的风险显著增加。研究表明，融合术改变了脊柱的生物力学环境，导致邻近节段的屈伸和侧弯运动范围出现代偿性增加，但这种增加不足以完全代偿丢失的运动范围，且应力分布不均加速了邻近节段的椎间盘退变。此外，术前特定的腰椎解剖形态，例如椎板形态的水平化，也是融合术后症状性相邻节段病变的危险因素。为应对这一问题，包括节段性脊柱矫正系统在内的多种动态稳定系统应运而生。研究表明节段性脊柱矫正系统在保留器械固定节段14％的运动学功能的同时，通过减轻椎间盘负荷，可能防止对相邻节段运动学的过度影响，降低相邻节段病变发生率。然而，动态稳定系统的长期抗疲劳性能及对脊柱－骨盆协调性的影响仍有待验证。

个性化手术治疗     随着计算机技术和生物力学的融合程度不断加深，个体化计算模型为预测手术对邻近节段椎间盘的影响提供了新途径。这些模型通过模拟手术前后的生物力学变化，帮助外科医生评估不同手术方案的风险和收益，从而制定个性化的治疗计划。例如，利用骨骼－肌肉有限元脊柱模型、特异性椎间盘机械调节模型等预测脊柱融合后的椎间盘退变和骨密度变化，有助于外科医生更准确地判断手术效果，优化治疗方案。目前，基于生物力学的峡部裂手术个性化策略制定仍需突破三大技术瓶颈：（1）开发融合椎间盘代谢组学特征的机械－生物学耦合模型，预测邻近阶段椎间盘的退变阈值。（2）整合解剖参数与动态力学数据，建立基于人工智能的术式决策系统。（3）优化可降解植入物材料，实现阶段性力学支撑与生物修复的协同作用。

总结及展望

尽管当前研究已揭示腰椎峡部裂对邻近节段椎间盘的生物力学影响，并就不同的手术治疗方法进行了探讨，但仍存在诸多挑战与机遇。未来研究可进一步深入探索峡部裂与椎间盘退变的分子机制，以开发更精准的治疗手段。同时，结合先进的计算机模拟技术，预测手术干预的长期效果，优化治疗方案，减少邻近节段椎间盘退变风险。此外，新的手术系统及生物材料的创新应用，可能为腰椎峡部裂的治疗提供新途径。综上所述，未来研究将推动腰椎峡部裂及其并发症的治疗迈向更个性化、精准化的新时代。

来源：中国骨伤2026年2月第39卷第2期