第 31 章：胸椎承受的载荷（Loads Sustained by the Thoracic Spine）

31.1 胸椎受力的二维分析（Two-Dimensional Analysis of the Forces on the Thoracic Spine）

正常的胸椎后凸使椎体承受压缩载荷。本节用 Examining the Forces Boxes 31.1 与 31.2 中的两个二维算例，说明后凸与椎体压缩载荷之间的关系。在直立位，头与颈的超上位重量被分配到椎体与关节突所形成的两个承重柱之间，其中椎体所承受的份额大于关节突。胸椎的前方凹面使头颈重心位于大部分胸椎之前，从而在胸椎上产生一个屈曲力矩。胸椎某节段离头颈重力作用线越远，它所承受的屈曲力矩越大。胸屈曲或胸后凸的增加都会延长头颈重量的力臂，从而增大胸椎上的屈曲力矩。

在静力平衡下，由身体某节段重量或外加载荷产生的外力矩，必须由肌肉与韧带产生的内力矩平衡。胸椎后凸增大带来的外屈曲力矩增加，需要更大的内伸展力矩来抵消，以阻止胸椎进一步屈曲。该伸展力矩可由伸肌主动收缩产生，也可由后侧韧带被动拉伸产生。反应力的求解基于静力平衡条件 ΣF=0。后凸增加时，外屈曲力矩与随之而来的内伸展力矩都增大，椎体上的反应力也随之增大，其中压缩分量增大。增大的椎体压缩力可导致压缩性破坏。在胸段，压缩性破坏常发生在椎体的前部，形成楔形骨折。椎体前部的塌陷进一步加大后凸畸形，形成"后凸加大→压缩载荷加大→进一步后凸→进一步压缩"的下降式螺旋。

Examining the Forces Box 31.1 给出了屈曲力矩的一般表达 M_EXT = W_S × x：外屈曲力矩（M_EXT）由头、颈及上位胸椎的超上位重量（W_S）施加；正常直立位下，T1 上的屈曲力矩小于 T4 上的屈曲力矩，因为 T1 的力臂 x 较短，T4 的力臂 x 较长，而且 T1 上的超上位重量只包括头和颈椎，T4 上除头颈之外还要再加上前三节胸椎的重量。当胸后凸加大时，外屈曲力矩增大，原因是力臂 x 增大，而 W_S 本身不变。

Examining the Forces Box 31.2 给出了 T5 椎体的具体二维静力计算，使用的人体测量数据为：头、颈及上位胸椎的重量 W=11% 体重；W 的力臂 5 cm；伸肌与韧带的力臂 2 cm。先用 ΣM=0 求伸肌与韧带的伸展力 E：M_EXT+M_INT=0，0.11 BW×5 cm=E×2 cm，解得 E=0.275 BW（即 27.5% 体重）。再把坐标系置于椎体内，使压缩力 J_C 沿 y 轴、剪切力 J_S 沿 x 轴，用 ΣF_X 与 ΣF_Y 分别求 J_S 与 J_C：W 与 E 都按其与 y 轴夹角的正弦与余弦投影。先取椎体相对竖直方向 15°（对应于直立位下的中等后凸），W 的水平与竖直分量为 W sin15°、W cos15°，E 的水平与竖直分量为 E sin5°、E cos5°（E 方向以椎体解剖方向为参考，与 y 轴有约 5° 夹角）。代入可得 J_S=(E sin5°)−(W sin15°)=−0.004 BW（约为体重的 0.4%，实际可视为接近零），J_C=(W cos15°)+(E cos5°)=0.106 BW+0.274 BW=0.38 BW（38% 体重）。

若胸后凸进一步加大，使 W 的力臂由 5 cm 增至 9.5 cm，相应地把 W 的方向从 15° 增大到 30°，重新求解 ΣM=0：0.11 BW×9.5 cm=E×2 cm，得 E=0.5225 BW（52.25% 体重）。再代入 ΣF_X、ΣF_Y：J_S=(E sin5°)−(W sin30°)=0.046 BW−0.055 BW=−0.009 BW（约为体重 1%）；J_C=(W cos30°)+(E cos5°)=0.095 BW+0.52 BW=0.61 BW（61% 体重）。两个算例并置说明：力臂由 5 cm 增到 9.5 cm（即后凸加大），E 由 27.5% BW 增到 52.25% BW，J_C 由 38% BW 增到 61% BW，压缩力增加的比例（38%→61%）显著高于 W 本身（11% BW 不变），定量地说明后凸加大如何放大椎体上的压缩载荷。剪切力始终接近零或为负的小量，这说明在所考察的范围内椎体上的主要载荷是压缩而不是剪切。

Clinical Relevance 框指出胸椎椎体骨折在压缩载荷下发生；若同时伴有显著屈曲，前部骨折形成楔形骨折；若压缩力施加于相对较直的脊柱，椎体终板骨折并将髓核挤入椎体，形成爆裂骨折。单纯椎体骨折在中胸段很少造成脊髓压迫。因为楔形骨折会加大后凸并提高再骨折风险，临床上可用椎体后凸成形术（kyphoplasty）治疗：在骨折椎体内放入可膨胀球囊以撑起被压缩的椎体，从而减小或控制后凸畸形。

31.2 胸椎上的载荷与椎体强度（Loads on the Thoracic Spine）

胸椎上的载荷是椎体破坏的参与因素之一，但其研究程度不如颈段与腰段。了解健康胸椎的强度有助于临床医生与研究者未来制定预防胸椎骨折的策略。胸椎力学性质的研究大多考察压缩下的极限强度（ultimate strength），因为活体胸椎的破坏大多发生于压缩载荷下。骨的极限强度是骨在不发生骨折的前提下所能承受的最大载荷。26–98 岁成人尸体标本的研究显示，由上至下胸椎的破坏载荷递增，这与第 29 章描述的由上至下椎体尺寸递增一致。随着椎体尺寸与破坏载荷由上向下增大，每节椎体实际承受的载荷也增大。

骨强度的另一重要指标是极限应力（ultimate stress），即骨在不破坏的前提下能承受的最大应力（应力=载荷/面积）。极限应力由上向下胸椎基本保持不变或甚至略有下降，这或可解释中下胸段椎体骨折发生率更高的现象。

胸椎破坏载荷的大小取决于多种因素，包括受试者特征以及力学测试程序本身的特性。影响胸椎极限强度的受试者特征包括性别、骨密度（bone mineral density）与骨矿含量（bone mineral content）。虽然尚无专门研究年龄对胸椎强度影响的报道，但因骨矿含量与骨密度随年龄降低，胸椎的破坏强度也随年龄降低，这一推论是合理的。

测试程序对极限强度的测定结果影响显著。第 2 章描述了加载速率对材料力学性质的影响，这一点在胸椎上也得到体现：文献报道的胸椎测试加载速率从约 0.1 mm/sec 一直变化到近 1000 mm/sec。测试时脊柱的位置也影响其强度。因此，胸椎（以及任何其他生物组织）不存在一个单一的强度值。临床医生可以借助文献获得胸椎强度范围的一般概念，并识别影响强度的临床相关因素。

慢速加载下上胸段破坏载荷约为 2600 N（约 600 lb）。但在一项对 46–98 岁老年尸体标本的研究中，破坏载荷低至 613 N（138 lb）。快速加载下，上胸段极限载荷在 3000–4500 N（675–1000 lb）之间。下胸段慢速加载破坏载荷在 4000–5000 N（约 900–1100 lb）。下胸段快速加载破坏载荷约为 8500 N（近 2 吨）。这些数据既说明了由上向下椎体强度增大，也表明破坏载荷随加载速率增大而增大，与骨的黏弹性一致。

骨矿含量与骨密度与骨强度相关。这一关系有助于解释下胸段（椎体更大）极限强度更大，也有助于解释男性骨强度大于女性（男性骨骼平均更大）。事实上研究表明，胸椎的极限应力（力/面积）在男女之间相近。最后，这一关系尤其有助于解释绝经后女性的椎体骨折发生率升高——绝经后女性经历加速的骨量丢失。

Clinical Relevance 框讨论了自发性椎体骨折：人在二十多岁达到峰值骨量；达到峰值后，绝经前女性开始以每年约 0.3% 的速率丢失骨量；绝经期及绝经后约 5 至 10 年内，女性骨量丢失加速至每年约 2%，之后丢失速率再次放缓；体重与体重指数（BMI）极低的个体也经历加速骨量丢失。持续的加速骨量丢失导致累积骨量大幅下降，从而显著改变骨的极限强度。骨质疏松症定义为骨量低于峰值骨量 2.5 个标准差以上。绝经后女性是最易罹患骨质疏松的人群；然而，BMI 极低的年轻女性（如高度训练的运动员、神经性厌食症等饮食障碍患者）也面临骨质疏松风险。骨质疏松患者有椎体骨折风险，可能主诉中背部突然锐痛（可能发生于喷嚏之后，也可能没有明显诱因）；部分患者无明显不适，但报告中背驼背加重或身高下降。这些临床表现与一节或多节胸椎的自发性骨折一致。喷嚏等诱发事件会产生一个大的屈曲力矩，骨质疏松削弱的胸椎无法承受；严重骨质疏松患者在已有较大后凸时，仅超上位重量本身即可在没有明显诱因的情况下造成骨折。

本章个人批注

本章篇幅不长，但把上一章骨学与再上一章肌肉学综合起来，落到一个具体的力学算例上：把头颈重力、力臂、伸肌力臂代入 ΣM=0 与 ΣF=0，求出 T5 椎体在两个不同后凸下的压缩力 38% BW 与 61% BW。这是教科书中少见的、把"后凸加大→压缩载荷放大"这一直觉落到定量数字上的算例。两个数字之间的差距（约 1.6 倍）远比一般人直觉以为的更大，这让我意识到临床康复中"减少后凸"不仅是姿态美观问题，而是直接降低椎体压缩载荷的力学干预。楔形骨折的"下降螺旋"逻辑（骨折→后凸→载荷→骨折）也很有用：它解释了为什么单个椎体骨折后其他椎体的再骨折风险显著升高，以及为什么椎体后凸成形术有预防意义。黏弹性相关数据（2600 N 在 0.1 mm/sec vs 4500 N 在高速）提醒我：把任何尸体标本的"极限强度"值外推到活体时，加载速率是首要考虑因素；跌倒（高速）与日常搬运（慢速）的可承受阈值可能差一倍左右。骨密度与极限应力区分开（极限应力在男女相近、男女骨密度不同）这一点尤其值得记住——它意味着"为什么女性更易骨折"主要不是单位面积骨强度差，而是绝对骨量小加上绝经后骨丢失加速。

与上下章的衔接（一段话）

第 29 章给出胸椎骨与关节的结构功能，第 30 章给出胸椎肌肉的力学与病理力学，本章则把这两章的成果合在一起，给出胸椎上的二维静力分析：当头颈重力因正常后凸而位于椎体前方时，椎体承受外屈曲力矩，伸肌与后侧韧带产生内力矩平衡之，外力矩的力臂因后凸而增大，使得压缩载荷显著放大。作者明确说本章建立在第 29 章（骨与关节提供椎体与关节突两个承重柱、椎体尺寸由上向下递增）与第 30 章（伸肌提供伸展力矩来平衡外屈曲力矩）的成果之上，又依赖于第 2 章（黏弹性、应力概念）与第 4 章（肌肉作为内力矩来源）所给的底层力学。本章结尾把骨密度、极限应力与骨质疏松纳入讨论，给出骨强度的定量范围与年龄、性别、加载速率的依赖关系，预备下一章转入腰椎骨与关节结构。