spine biomechanics 척추의 생체역학 !! ai번역 덕분에 쉽게 읽을 수 있다!!

[문형철]

머리에서 발끝까지 생체역학 탐구가 계속되고 있다

시간내서 꼭 한번 읽어봐야 할 논문

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INTRODUCTION 

The spine is a complex, and remarkable, mechanical structure. It serves to protect the spinal cord and nerve roots and provides an incredible amount of flexibility to the trunk. It transmits the weight of the upper body  to the pelvis and is subjected to internal forces exceeding many times the entire body weight. 

A disturbing trait of the spine is that it is also the bane of many people's  existence. Back pain episodes and injuries exceed the  common cold for the number of missed days of work. The  vast majority of us will have at least one bout of debilitating  back pain in our lives, and many of us live with chronic  symptoms. A confounding trait of the spine is that a clinical finding does not necessarily correlate with symptoms (Figure 1). 

This individual was not radiographed for any symptoms associated with the obvious finding (a spondylolopsis, a complete displacement of one vertebra off of another; here, the lopsis was laterally). In fact, some asymptomatic anomaly could be found in nearly everyone's  spine on radiograph; conversely, many symptomatic  conditions show up as normal. The clinical challenges  presented by the spine, its catastrophic injury potential, and  its complex mechanical behavior makes it, arguably, the  most interesting musculoskeletal structure. 

소개

척추는 복잡하고 놀라운 기계적 구조입니다.

척추는 척수와 신경근을 보호하며 몸통에 놀라운 유연성을 제공합니다.

상체의 무게를 골반으로 전달하며,

전체 체중의 수십 배에 달하는 내부 힘에 노출됩니다.

척추의 우려스러운 특징 중 하나는

많은 사람들의 삶의 고통의 원인이 된다는 점입니다.

등 통증 발작과 부상은

결근 일수 측면에서 감기보다 더 많습니다.

우리 대부분은 인생에서 적어도 한 번은 심각한 등 통증을 경험하며,

많은 사람들이 만성 증상과 함께 살아갑니다.

척추의 혼란스러운 특징 중 하나는

임상 소견이 반드시 증상과 일치하지 않는다는 점입니다(그림 1).

이 환자는

명백한 소견(척추체 일부가 옆으로 완전히 이동한 척추체 이탈증; 이 경우 이탈은 옆쪽으로 발생했습니다)과

관련된 증상으로 인해 방사선 검사를 받지 않았습니다.

실제로 방사선 검사에서 증상이 없는 이상 소견은

거의 모든 사람의 척추에서 발견될 수 있으며,

반대로 증상이 있는 많은 질환은 정상으로 나타납니다.

척추는

임상적 도전 과제, 심각한 손상 가능성, 복잡한 기계적 행동으로 인해,

아마도 가장 흥미로운 근골격계 구조물이라고 할 수 있습니다.

MACROSCOPIC ANATOMY 

 The spine consists of discrete bony elements (vertebrae) joined by passive ligamentous restraints, kept separated by intervertebral discs and articulating joints, and dynamically  controlled by muscular activation. The spine is broadly 

divided into 5 regions: the cervical spine, the thoracic  spine, the lumbar spine, the sacrum, and the coccyx (Figure 2). 

거시적 해부학

척추는 분리된 뼈 요소(척추체)로 구성되며, 수동적 인대 구조로 연결되어 있으며,

척추간 디스크와 관절로 분리되어 있으며,

근육 활성화에 의해 동적으로 조절됩니다.

척추는 크게

5개 지역으로 나뉩니다: 경추, 흉추, 요추, 천골, 그리고 꼬리뼈(그림 2).

Each has it's own unique set of kinematic functions,  pathologies, and treatments. In fact, the cervical, thoracic, and lumbar regions (the cervicothoracolumbar  (C-T-L) spine) are further divided based on kinematic and clinical considerations. 

The junctions between the broad regions, i.e., the cervicothoracic, thoracolumbar, and lumbosacral junctions, frequently are sites for degenerative changes over the long term, most likely due to the abrupt change in "stiffness" that occurs at these junctions. Consider the cervicothoracic (C-T) junction. The C-spine essentially is free to rotate about the C-T junction due to the relative immobility of the trunk during head movement. The C-spine thus acts as a cantilever beam with the "fixed end" at the C-T junction, the location of the highest stresses.

The spine as a complete structure can undergo axial, lateral, and sagittal rotations and axial, lateral, and anteroposterior translations. Thus, the spine is said to posses 6 degrees of freedom (DOF). A functional spinal unit (FSU) is comprised of a superior vertebra-intervertebral disc-inferior vertebra osteoligamentous unit. A FSU, therefore, possesses 6 DOF as well and is the basic unit of study of the spine. Motions are reported as one vertebra relative to another, hence the motion is that of a FSU. Surgical instrumentation frequently spans at least one FSU.

각 부위는

고유한 운동 기능, 병리학적 특징, 치료 방법을 가지고 있습니다.

실제로

경추, 흉추, 요추 부위(경흉요추(C-T-L) 척추)는

운동학적 및 임상적 고려 사항에 따라 추가로 구분됩니다.

광범위한 지역 간의 연결부,

즉 경흉추, 흉요추, 요천추 연결부는

장기적으로 퇴행성 변화가 자주 발생하는 부위로,

이는 이러한 연결부에서 발생하는 갑작스러운 “경직도” 변화 때문일 가능성이 높습니다.

경추흉추(C-T) 관절을

고려해 보겠습니다.

경추는

머리 움직임 시 몸통의 상대적 고정성으로 인해

C-T 관절 주변에서 회전할 수 있습니다.

따라서

경추는 C-T 관절에 “고정된 끝”을 가진

캔틸레버 빔처럼 작용하며,

이 위치가 가장 높은 응력이 발생하는 곳입니다.

척추는 전체 구조로서

축 방향, 측방, 사지면 회전 및 축 방향, 측방, 전후방 이동을 겪을 수 있습니다.

따라서

척추는 6개의 자유도(DOF)를 갖는다고 합니다.

기능적 척추 단위(FSU)는

상부 척추-추간판-하부 척추 골관절 단위로 구성됩니다.

따라서 FSU도

6개의 DOF를 가지며, 척추 연구의 기본 단위입니다. 운동은 한 척추체가 다른 척추체에 상대적으로 움직이는 것으로 보고되므로, 이는 FSU의 운동입니다. 수술 기구는 일반적으로 최소 한 개의 FSU를 가로지릅니다.

VERTEBRAL BONY ANATOMY

The upper two vertebrae are the atlas (C1) and axis (C2). The atlas, as in holding up the world, is a ring with no vertebral body whose bilateral superior facets articulate with the occipital condyles and whose inferior facets articulate with the axis, as in rotational axis for the head. The axis looks more like the other cervical vertebrae but has a prominent spire of bone thrusting cranially from its vertebral body called the odontoid process. This process serves to keep the head attached to the rest of the body. Except for the atlas and axis, each vertebra shares common morphologic characteristics (Figure 3). 

척추 뼈 해부학

상부 두 개의 척추는 아틀라스(C1)와 액시스(C2)입니다. 아틀라스는 세계를 지탱하는 것처럼 척추체 없이 고리 모양으로 되어 있으며, 양측 상부 관절면은 후두골의 관절돌기와 관절을 이루고, 하부 관절면은 액시스와 관절을 이루어 머리의 회전 축 역할을 합니다. 축추는 다른 경추와 유사하지만, 척추체에서 두개골 방향으로 돌출된 뼈의 돌기인 치아돌기(odontoid process)가 특징입니다. 이 돌기는 머리가 몸의 나머지 부분에 고정되도록 합니다. 아틀라스와 축추를 제외하고 각 척추는 공통된 형태학적 특성을 공유합니다(그림 3).

An anterior vertebral body (or centrum) and the posterior neural arch.

Each vertebra consists of an outer shell, the end plate, of compacted cancellous (or trabecular) bone surrounding cancellous bone of varying porosity. The superior and inferior (or cranial and caudal, especially in quadrupeds) surfaces of the vertebral bodies transition to cartilaginous endplates to which the intervertebral discs are affixed. The neural arch begins bilaterally with the pedicles, bony beams whose axes are oriented anteroposteriorly and mediolaterally. The pedicles form a junction with the laminae, which extend around the spinal canal, the superior and inferior facets, and the transverse processes. 

The articulating facets serve to limit motion and transmit direct compressive forces and bearing compressive forces from bending and rotation. The laminae join at the most posterior aspect, from which the spinous process extends. In the T-spine, costovertebral (rib-vertebra) facets exist anterior to the transverse processes. the isthmus of bone between each pair of superior and inferior facets is the pars interarticularis, a site of fracture and bony nonunion for those with a condition known as spondylolysis.

전방 척추체(또는 중심체)와 후방 신경궁.

각 척추는 밀집된 골질(또는 트라베쿨라) 뼈로 둘러싸인 골질(또는 트라베쿨라) 뼈로 구성된 외피인 종판으로 이루어져 있습니다. 척추체의 상방과 하방(또는 두개골 방향과 꼬리 방향, 특히 사지동물에서) 표면은 연골 종판으로 전환되며, 여기에 추간판이 부착됩니다.

신경 아치는 양측에서 척추돌기(pedicles)로 시작되며, 척추돌기의 축은 전후방 및 내측-외측 방향으로 향합니다. 척추돌기는 척추관, 상하 관절면, 횡돌기를 둘러싸는 층판(laminae)과 연결됩니다.

관절면은

운동을 제한하고 직접적인 압축력을 전달하며,

구부림과 회전으로부터 발생하는 압축력을 분산시키는 역할을 합니다.

라미나는 가장 후방 부분에서 합쳐지며,

여기서 척추돌기가 연장됩니다.

흉추(T-spine)에서는 횡돌기 앞쪽에 흉추-척추(갈비뼈-척추) 관절면이 존재합니다. 상하 관절면 사이의 뼈의 협부(isthmus)는 파르스 인터아르티쿨라리스(pars interarticularis)로, 척추분리증(spondylolysis) 환자에게서 골절 및 골유합 불완전 부위입니다.

SPINAL LIGAMENTS

Excluding the upper cervical spine, a FSU is connected by 10 ligaments, which serve to protect neural structures by restricting the motion of each FSU (Figure 4). 

척추 인대

상부 경추를 제외하고, 각 FSU는 10개의 인대로 연결되어 있으며,

이는 각 FSU의 움직임을 제한하여

신경 구조를 보호하는 역할을 합니다(그림 4).

The ligaments also absorb energy during high speed and potentially injurious motions. The spinal ligaments are primarily collagenous except for the ligamentum flavum, which is primarily comprised of elastin. The anterior longitudinal ligament (ALL) originates at the base of the occiput and extends the entire length of the spine into the sacral region along the anterior aspect of the spine. Fibers of the ALL firmly attach to each vertebra, as well as to the intervertebral disc. 

The posterior longitudinal ligament (PLL) also extends the length of the spine along the posterior aspect of each vertebral body and anterior to the spinal cord. 

The ligamentum flavum (LF) originates bilaterally on the anteroinferior aspect of the lamina of the superior vertebral body and inserts on the posterosuperior aspect of the lamina of the inferior vertebra. 

The intertransverse ligaments (ITL) and interspinous ligaments (ISL) join transverse and spinous processes, respectfully, of adjacent vertebrae. The supraspinous ligament (SSL) originates as the ligamentum nuchae (LN) of the neck and extends the length of the spine posterior to the ISL, while attaching firmly to the tip of each spinous process. 

The capsular ligaments (CL) surround each facet joint. Mechanically, spinal ligaments behave as other soft tissues of the body: they are viscoelastic with nonlinear elastic responses. Their mechanical response has been characterized predominantly ex vivo (cadaveric tissue outside the living body) and little is known about their in vivo (within the living body) mechanical environment. 

In general, it is believed that spinal ligaments do not enjoy the same margin of safety as bones do, as they can operate under conditions relatively close to their failure strengths. This belief is based on combining the ex vivo mechanical behaviors of individual ligaments and FSU with motion radiographs and mathematical models of the spine. Some failure properties of lumbar ligaments and estimated in vivo strains are provided in Table 1. 

인대는

고속 및 잠재적으로 손상될 수 있는 움직임 동안 에너지를 흡수합니다.

척추 인대는

주로 콜라겐으로 구성되어 있으며,

ligamentum flavum은 주로 엘라스틴으로 구성되어 있습니다.

전방 장골 인대(ALL)는

후두골의 기저부에서 시작되어 척추의 전방면을 따라

척추의 전체 길이를 따라 사골 부위까지 연장됩니다.

ALL의 섬유는

각 척추체에 단단히 부착되며,

척추간 디스크에도 부착됩니다.

후방 장골 인대(PLL)는

각 척추체의 후방면을 따라 척추의 전체 길이에 걸쳐 연장되며,

척수 앞쪽에 위치합니다.

황색 인대(LF)는

상위 척추체의 엽의 전방 하방면에 양측으로 기원하여

하위 척추체의 엽의 후방 상방면에 부착됩니다.

횡돌기 간 인대(ITL)와 척추돌기 간 인대(ISL)는

각각 인접한 척추의 횡돌기와 척추돌기를 연결합니다.

상척추돌기 인대(SSL)는

목의 인대(LN)에서 시작되어 ISL의 후방으로 척추의 길이에 걸쳐 연장되며,

각 척추돌기의 끝부분에 단단히 부착됩니다.

관절낭 인대(CL)는

각 관절면을 둘러싸고 있습니다.

기계적으로 척추 인대는

신체 다른 연부 조직과 유사하게 작동합니다:

점탄성 특성을 가지며 비선형 탄성 반응을 보입니다.

그들의 기계적 반응은

주로 체외(사체 조직)에서 연구되었으며,

체내(생체 내) 기계적 환경에 대한 지식은 제한적입니다.

일반적으로 척추 인대는

뼈와 같은 안전 마진을 갖지 않는다고 여겨집니다.

이는 인대가

파열 강도에 가까운 조건에서 작동할 수 있기 때문입니다.

이 믿음은 개별 인대와 FSU의 체외 기계적 행동, 척추의 운동 방사선 사진, 수학적 모델을 결합하여 도출되었습니다.

요추 인대의 일부 파열 특성 및 체내 변형률 추정치는

표 1에 제시되어 있습니다.

KINEMATICS

Kinematics is the study of the motion of bodies, and the motion patterns of the spine are complex. Normal patterns are characterized by parameters common across regions of the spine. If a load (moment or force) is applied to a FSU or a multilevel spinal unit (MSU), the unit first displaces from a neutral position to a position where an appreciable resistance is first encountered (Figure 5). The initial lax region of the motion is termed the neutral zone (NZ), analogous to the toe in region present in soft tissue elastic responses. The presence of a NZ allows the spine to undergo relatively large motions with very little muscular effort; enlargement of a NZ can indicate an abnormal structural change and be a cause for concern. Average values for the NZ in various regions of the spine are provided in Table 2. A region of stiffening next is encountered, termed the elastic zone (EZ). The displacement at the largest applied load or at the limit of motion for an activity is termed the range of motion (ROM). A compilation of ROM delineated by spinal level is provided (Figure 6). These 3 parameters have been effective in characterizing the complex nonlinear load-displacement relation of spinal units. Note that this nonlinear relation is similar to practically every biologic tissue. Note also that the spine as a structure displays viscoelastic characteristics due to the viscoelastic nature of its constituents.

Other kinematic terms relevant to the study of spinal kinematics are flexion, extension, lateral bending, and axial rotation. Flexion refers to bending forward about an axis perpendicular to the sagittal plane; extension refers to bending backward about that axis. Together, flexion-extension is referred to as sagittal bending. Lateral bending refers to bending to either side and can be either left or right lateral bending. Axial torsion refers to turning the head, for example, and also can be either left or right. 

Still more kinematic terms relevant to the study of spinal kinematics are motion pattern, coupling, instantaneous axis of rotation, and instability. Motion pattern refers to the displacement path a vertebral body follows under load. Consider a bead on a straight rod. Push the bead, and it moves down the rod along a straight path. Bend the rod, push the bead, and it moves along the now curved rod: the motion pattern of the bead has changed. For the spine, when motion patterns deviate from "normal," this can be an indication of an abnormality. Coupling refers to motion about or along axes secondary to those of the axis of applied load. For example, in the middle and lower cervical spine, left lateral bending produces a concomitant left axial torsion due to the orientation of the articulating surfaces of the facets. Coupling motions can change with abnormalities also. Taken together, abnormal motion patterns and coupling can be an indication for clinical instability, which ultimately must be treated in some manner.

The instantaneous axis of rotation (IAR) is an axis about which a vertebral rotates at some instant of time. For normal spinal units, the IAR for each of the rotary modes (flexion, extension, lateral bending, and axial torsion) is confined to a relatively small area somewhere within the spinal unit (Figures 7-10). In the abnormal spinal unit, such as a unit with disc degeneration, the locations of the IAR can shift outside of the physical space of the unit and enlarge dramatically (Figure 11).

운동학

운동학은

물체의 운동을 연구하는 학문이며,

척추의 운동 패턴은 복잡합니다.

정상적인 패턴은

척추의 각 부위에서 공통적으로 나타나는 매개변수로 특징지어집니다.

FSU 또는 다중 척추 단위(MSU)에 부하(모멘트 또는 힘)가 가해지면,

해당 단위는 중립 위치에서

저항이 처음 느껴지는 위치로 이동합니다(그림 5).

운동의 초기 이완 지역은 중립 구역(NZ)으로 불리며,

연조직 탄성 반응에서 발가락 구역과 유사합니다.

neutral zone 

NZ의 존재는

척추가 근육 노력 없이 상대적으로 큰 운동을 수행할 수 있게 하며,

NZ의 확대는 구조적 이상 변화를 나타낼 수 있으며 우려의 원인이 될 수 있습니다.

척추의 다양한 부위별 NZ의 평균 값은

표 2에 제시되어 있습니다.

다음으로 경직 구역인

탄성 구역(EZ)이 나타납니다.

최대 적용 부하 또는 활동의 운동 한계 시의 변위를

운동 범위(ROM)라고 합니다.

척추 수준별로 구분된 ROM의 종합적인 자료가 제공됩니다(그림 6). 이 3개 파라미터는 척추 단위의 복잡한 비선형 부하-변위 관계를 특성화하는 데 효과적이었습니다. 이 비선형 관계는 거의 모든 생물학적 조직과 유사합니다. 또한 척추는 구성 성분의 점탄성 특성으로 인해 구조적으로 점탄성 특성을 나타냅니다.

척추 운동학 연구에 관련된 다른 운동학 용어로는

굴곡, 신전, 측굴, 축 회전이 있습니다.

굴곡은

사지면에 수직인 축을 중심으로 앞으로 구부리는 것을 의미하며,

신전은 그 축을 중심으로 뒤로 구부리는 것을 의미합니다.

굴곡과 신전을 합쳐

사지면 굴곡이라고 합니다.

측굴은 양쪽으로 구부리는 것을 의미하며,

좌측 또는 우측 측굴로 구분됩니다.

축 회전은 예를 들어 머리를 돌리는 것을 의미하며, 왼

쪽 또는 오른쪽 회전일 수 있습니다.

척추 운동학 연구와 관련된 추가 운동학 용어로는

운동 패턴, 결합, 순간 회전축, 불안정성이 있습니다.

운동 패턴은

척추체가 부하 하에서 따라가는 변위 경로를 의미합니다.

직선 막대 위에 구슬을 상상해 보세요.

구슬을 밀면 구슬은 막대沿으로 직선 경로를 따라 이동합니다.

막대를 구부리고 구슬을 밀면

구슬은 이제 곡선형 막대를 따라 움직입니다:

구슬의 운동 패턴이 변경되었습니다.

척추의 경우,

운동 패턴이 “정상”에서 벗어날 경우

이는 이상을 나타낼 수 있습니다.

결합은

적용된 부하 축에 부차적인 축을 중심으로 또는

그 축을 따라 발생하는 운동을 의미합니다.

예를 들어, 중간 및 하부 경추에서 좌측 측방 굴곡은 관절면의 방향으로 인해 동반된 좌측 축 회전을 유발합니다.

결합 운동은 이상 상태에서도 변화할 수 있습니다.

이상 운동 패턴과 결합은 임상적 불안정의 지표가 될 수 있으며,

이는 결국 어떤 방식으로든 치료가 필요합니다.

순간 회전 축(IAR)은

특정 시점에서 척추체가 회전하는 축입니다.

instantaneous axis of rotation (IAR)

--> 순간 움직임 축

정상 척추 단위에서 각 회전 모드(굴곡, 신전, 측방 굴곡, 축 회전)의 IAR은

척추 단위 내의 상대적으로 작은 영역에 국한됩니다(그림 7-10).

디스크 퇴행과 같은 이상 척추 단위에서는

IAR의 위치가 단위의 물리적 공간 밖으로 이동하고

극적으로 확대될 수 있습니다(그림 11).

IN VIVO LOADS ON THE SPINE

The determination of in vivo mechanical loading and motion is perhaps the most challenging aspect of biomechanics, especially for the spine, a structure with complex motion patterns. What little is known has been determined with a variety of methods. An analysis of a free body diagram can provide quasistatic forces acting on intervertebral joints. These kinds of analyses indicate compressive forces approaching 10 times the weight of the body above the joint of interest, for everyday activities such as bending over to pick up something off the floor. Another method is to combine measures of muscular activity (skin surface electrodes) with mathematical optimization schemes to determine the contribution of spinal muscles to spinal forces. 

These methods indicate that body part weights can be negligible compared to forces produced by muscles, especially while a person is performing at maximum effort, where compressive forces can exceed 50 times the body part weight above the joint of interest. Still another method has been the invasive measurement of pressures within the intervertebral disc via a microneedle pressure transducer. When combined with a pressure-compressive force "calibration curve," determined from ex vivo experiments on MSU, these measurements can be used to estimate compressive forces on the spine while the subject undergoes various activities of daily living (Table 3).

생체 내 척추에 가해지는 부하

생체 내 기계적 부하와 운동의 결정은 생

체역학에서 가장 어려운 측면 중 하나이며,

특히 복잡한 운동 패턴을 가진 척추 구조에서는 더욱 그렇습니다.

현재 알려진 내용은

다양한 방법으로 결정되었습니다.

자유체도 분석은

척추관절에 작용하는 준정적 힘을 제공할 수 있습니다.

이러한 분석은

일상 활동(예: 바닥에 떨어진 물건을 주우려고 몸을 구부리는 동작) 시

관심 관절 위의 체중의 10배에 달하는 압축력이 발생함을 나타냅니다.

다른 방법은

근육 활동 측정(피부 표면 전극)과 수학적 최적화 방식을 결합하여

척추 근육이 척추력에 기여하는 정도를 결정하는 것입니다.

이 방법들은

특히 최대 노력 시 근육이 생성하는 힘이 해당 부위 체중보다 훨씬 크며,

압축력이 해당 부위 체중의 50배를 초과할 수 있음을 보여줍니다.

또 다른 방법은

미세 바늘 압력 변환기를 통해

척추간 디스크 내부의 압력을 침습적으로 측정하는 것입니다.

MSU에서 수행된 체외 실험을 통해 결정된 압력-압축력 '교정 곡선'과 결합하면,

이 측정값은 대상이 일상 생활 활동(Table 3)을 수행할 때

척추에 가해지는 압축력을 추정하는 데 사용할 수 있습니다.

VERTEBRAL BONE MECHANICAL PROPERTIES

Vertebrae are primarily composed of cancellous bone, an anisotropic viscoelastic material. Fortunately, for noninjurious values of strain and over a wide range of strain rates, cancellous bone behaves elastically. In general, the elastic moduli and strength of cancellous bone is dependent on its density to the second power. For normal adults, the absolute failure load increases from the cervical down to the lumbar spine, mostly due to the increasing sizes of the vertebrae (Table 4). 

When normalized by the size of the vertebrae, however, a fairly consistent axial compressive failure strength of approximately 8 MPa results for the normal adult. Other axial compressive properties for the vertebral bodies are a yield stress of 2.5 MPa and an elastic modulus of 40 MPa. In general, a vertebral body is strongest in the center and weakest in the posterolateral regions. With age or pathology, porosity can increase dramatically, thus making a vertebral body compliant and weak: a 25% increase in porosity can result in a 50% decrease in strength.

척추 뼈의 기계적 특성

척추는 주로 이방성 점탄성 재료인 해면골로 구성되어 있습니다. 다행히도, 손상되지 않는 변형률 범위와 넓은 변형률 속도 범위에서 골다공성 뼈는 탄성적으로 행동합니다. 일반적으로 골다공성 뼈의 탄성 모듈러스와 강도는 밀도의 제곱에 비례합니다. 정상 성인에서 절대 파열 하중은 경추에서 요추로 내려갈수록 증가하며, 이는 주로 척추체의 크기가 증가하기 때문입니다(표 4).

그러나 척추체의 크기로 정규화할 경우, 정상 성인에서 약 8 MPa의 비교적 일정한 축 방향 압축 파괴 강도가 나타납니다. 척추체의 다른 축 방향 압축 특성은 2.5 MPa의 항복 응력과 40 MPa의 탄성 모듈러스입니다. 일반적으로 척추체는 중심부에서 가장 강하고 후측부에서 가장 약합니다. 나이나 병리적 변화로 인해 다공성이 급격히 증가하면 척추체가 유연해지고 약해집니다: 다공성이 25% 증가하면 강도가 50% 감소할 수 있습니다.

INTERVERTEBRAL DISC ANATOMY

The vertebral bodies are connected and kept separated by the intervertebral discs. The disc is comprised of the annulus fibrosus and the nucleus pulposus (Figure 12) and is firmly joined with the endplates of the vertebral bodies around the outer periphery of the annulus. The endplates are composed of hyaline cartilage. Vascular channels within the vertebral bodies have been observed to run directly at the endplates, representing the predominant nutrient source for the adult disc cells. Some blood vessels approach the annulus at the periphery but do not penetrate. The endplates undergo progressive calcification with age which impedes the nutrient source and contributes to the progressive degeneration of the disc throughout adulthood. 

The nucleus pulposus is located posterocentral in the disc where, in the lumbar region, it fills 30% to 50% of the cross sectional area of the disc. The normal nucleus contains almost exclusively type II collagen fibers in an aqueous gel rich with proteoglycans. The collagen molecules in the nucleus also have been found to have proteoglycan molecules bound to their ends. The water content in the normal nucleus of human lumbar discs decreases from about 90% of its total volume during the first year of life to 74% in the eightieth year and beyond.

The annulus fibrosus is composed of concentric layers of collagen fiber bundles wound in a helicoid manner. Observations using scanning electron microscopy have shown the fibers in the inner third of the annulus to interconnect with the cartilaginous end plate; the fibers in the outer portion are firmly bonded to the epiphyseal ring of the vertebral body. The fibers in human and bovine and porcine discs have been found to be almost exclusively of type I collagen in the outer portion of the annulus and to gradually change to a 40% type I and 60% type II mixture in the inner portion. With degeneration, type I begins to replace type II collagen, and type III collagen begins to appear in the human disc.

The annulus has a laminate structure, with layers built up like older bias ply automobile tires. The fiber orientations alternate from layer to layer, with the fibers generally oriented at an angle of approximately ± 30° with respect to the horizontal plane and in any 2 adjacent layers at 120° with respect to each other. Specifically the fiber orientations change from about ± 31° in the outer annulus to ± 22° in the inner annulus. The number of distinct layers in lumbar discs has been found to vary circumferentially from 25 to 30 in the anterior annulus to 20 in the posterolateral annulus to less than 20 in the posterior annulus. However, at any given location, roughly 40% to 50% of these layers do not remain intact ± 10° circumferentially to either side of the location. In composite laminate terminology, the laminae (distinct layers) are "dropping off" within the laminate (annulus), creating a source of high interlaminar stresses that could predispose certain areas of the annulus prone to failure. In fact, the site of the maximum number of incomplete layers was found to be posterolateral. Although the layer thickness’ remain approximately constant in the posterior (50 to 200 μm) and lateral (100 to 300 μm) portions of the annulus, the inner portions (200 to 300 μm) of the anterior annulus are thicker than the outer portions (50 to 100 μm).

The fact that soft tissues structures of the spine, including the intervertebral disc, are innervated has been known for some time. Only fairly recently has the extent and nature of the innervation of the disc been discovered, and then only for symptomatic disc material removed at time of surgery. In one study of such tissue, neuropeptides were immunochemically isolated at depths up to 3 mm into the anterior and anterolateral annulus. These neuropeptides were identified in the form of immunoreactive fibers associated with areas of degenerative changes including microvascularization and chondrocyte proliferation. Unfortunately, the neuropeptides identified are associated with pain reception (nociception) and transmission, neurogenic inflammation, and skeletal metabolism.

With regards to the anatomy of the intervertebral disc, the summary of what is known seemingly does not bode well for most of us. The disc is morphologically structured so as to be predisposed to injury at the site of high stress. Disc cells are poorly serviced with nutrients, a service which only gets worse with age. Injury or degeneration decreases the functional ability of the disc to transmit body forces through hydrostatic pressure, which in turn decreases the ability of the disc cells to maintain the extracellular matrix. Finally, injurious or degenerative changes are accompanied by an enhanced ability to sense and transmit pain. 

척추간 디스크 해부학

척추체는

척추간 디스크에 의해 연결되고 분리되어 있습니다.

디스크는

섬유륜(annulus fibrosus)과 수핵(nucleus pulposus)으로 구성되어 있으며(그림 12),

섬유륜의 외곽 주변에서 척추체의 종판과 단단히 결합되어 있습니다.

종판은

유리 연골로 구성되어 있습니다.

척추체 내의 혈관 채널이 종판에 직접 연결되어 있으며,

이는 성인 디스크 세포의 주요 영양 공급원입니다.

일부 혈관은

섬유륜의 주변부에서 접근하지만 침투하지 않습니다.

종판은

연령에 따라 점차 석회화되어 영양 공급을 방해하며,

이는 성인기 동안 디스크의 점진적 퇴화에 기여합니다.

핵수질은

디스크의 후방 중앙부에 위치하며,

요추 부위에서는 디스크의 단면적의 30%에서 50%를 차지합니다.

정상적인 핵은

주로 프로테오글리칸이 풍부한 수성 겔 내에 유형 II 콜라겐 섬유로 구성되어 있습니다.

핵 내 콜라겐 분자에는

끝부분에 프로테오글리칸 분자가 결합되어 있는 것으로 확인되었습니다.

인간 요추 디스크의 정상 핵 내 수분 함량은

생후 첫 해 약 90%에서

80세 이후 74%로 감소합니다.

섬유륜은

나선형으로 감긴 콜라겐 섬유 뭉치의 동심원층으로 구성되어 있습니다.

스캐닝 전자 현미경 관찰 결과,

섬유륜의 내측 1/3 부분의 섬유는 연골성 종판과 연결되어 있으며,

외측 부분은 척추체의 관절면 고리(epiphyseal ring)에 단단히 결합되어 있습니다.

인간, 소, 돼지의 디스크에서 섬유는

외측 부분에서 거의 전적으로 유형 I 콜라겐으로 구성되어 있으며,

내측 부분으로 갈수록 유형 I과 유형 II의 혼합비율이 40%와 60%로 점차 변화합니다.

퇴화 과정에서 유형 I 콜라겐이 유형 II를 대체하기 시작하며,

인간 디스크에서는 유형 III 콜라겐이 나타나기 시작합니다.

안울루스는 층상 구조를 가지며,

오래된 편평 타이어와 유사하게 층이 쌓여 있습니다.

섬유 방향은 층마다 번갈아 가며,

일반적으로 수평면과 약 ±30°의 각도를 이루며,

인접한 두 층에서는 서로 120°의 각도를 이룹니다.

구체적으로 외측 안울루스에서는

약 ±31°, 내측 안울루스에서는 약 ±22°의 섬유 방향이 관찰됩니다.

요추 디스크의 층 수는 원주 방향으로 전방 안ulus에서 25~30층, 후측방 안ulus에서 20층, 후방 안ulus에서 20층 미만으로 변동됩니다. 그러나 특정 위치에서 이 층의 약 40~50%는 해당 위치의 원주 방향으로 ±10° 이내에서 완전하게 유지되지 않습니다. 복합 층 구조 용어에서 층(laminae)은 층 구조(annulus) 내에서 “떨어져 나가며” 고도의 층간 응력을 발생시켜 특정 부위의 annulus가 파열에 취약해질 수 있는 원인이 됩니다. 실제로 불완전한 층의 최대 수는 후측부에서 발견되었습니다. 후방(50~200 μm)과 측방(100~300 μm) 부위의 층 두께는 대략 일정하지만, 전방 안울러스의 내측 부위(200~300 μm)는 외측 부위(50~100 μm)보다 두꺼운 것으로 나타났습니다.

척추의 연부 조직 구조물,

특히 추간판이 신경 분포를 가지고 있다는 사실은 오래전부터 알려져 있었습니다.

그러나

추간판의 신경 분포 범위와 특성은 최근에야 밝혀졌으며,

이는 수술 시 제거된 증상성 추간판 조직에서만 확인되었습니다.

한 연구에서

이러한 조직의 전방 및 전측부 추간판 깊이 3mm까지

신경펩타이드가 면역화학적으로 분리되었습니다.

이 신경펩티드는

퇴행성 변화 지역(미세혈관화 및 연골세포 증식 포함)과 연관된

면역반응성 섬유 형태로 확인되었습니다.

불행히도,

확인된 신경펩티드는 통증 수용(통각), 신경성 염증, 골격 대사 등과 연관되어 있습니다.

추간판의 해부학적 구조를 고려할 때,

현재 알려진 내용의 요약은 대부분의 경우 좋은 전망을 제시하지 않습니다.

디스크는

고응력 부위에서 손상에 취약하도록 형태학적으로 구조화되어 있습니다.

디스크 세포는 영양 공급이 불충분하며,

이는 연령이 증가함에 따라 더욱 악화됩니다.

손상이나 퇴행은

디스크가 수압을 통해 신체 힘을 전달하는 기능적 능력을 감소시키며,

이는 다시 디스크 세포가 세포외 기질을 유지하는 능력을 감소시킵니다.

마지막으로,

손상이나 퇴행성 변화는

통증을 감지하고 전달하는 능력이 강화되는 것과 동반됩니다.

DISC MECHANICAL PROPERTIES

The intervertebral disc is an inhomogeneous, anisotropic, porous, nonlinearly viscoelastic, damaging structure. Mechanical testing performed on discs generally can be divided into tests on annulus material and on intact whole discs. Tests on annular material predominantly have been tensile in nature, because the annulus is a tensile structure, at least in the nondegenerate disc. Tests on whole discs reflect the predominant compression loading to which it is subjected in vivo and its exhibited viscoelastic behavior.

Static tensile moduli and elongations have been determined for small rectangular annulus laminate specimens taken at different orientations with respect to the plane of the disc, at different depths (outer to inner), from donors of different ages and degrees of degeneration, and under 2 rates of deformation. The modulus of the outer annulus is greater in the horizontal direction (3.61 MPa) compared to both the outer fiber direction (2.64 MPa) and the vertical direction (0.49 MPa). The anterior annulus modulus is uniformly greater than the posterior annulus regardless of depth. The modulus is found to increase with age until approximately 26 years when it levels off. Specimens from degenerated discs have lower moduli compared to nondegenerated specimens. Loading rates of 0.08 and 0.8 mm/s have no effect on the modulus. The ultimate strength of a 1 mm thick outer annulus specimen in the fiber direction is 8.8 MPa (17.6 N) compared to 3.4 MPa (6.8 N) for a horizontally oriented specimen. In comparison, ultimate strengths of vertically oriented outer annulus specimens are 3.4 to 4.8 MPa for the anterolateral location and 0.7 to 2.1 MPa for the posterolateral location.

Other studies have focused on single lamina or used a novel loading direction. Specimens excised from a single lamina and failed in tension in the fiber direction exhibit ultimate strengths that vary anteriorly from 10.3 MPa for outer laminae to 3.6 MPa for inner laminae. Posteriorly, little difference is found between outer and inner laminae (5.6 and 5.8 MPa, respectively). Little difference has been found in the radial tension (load direction inner to outer) modulus or ultimate strength with respect to anterior-posterior direction (0.47 MPa modulus and 0.33 MPa strength). Differences have been found, however, with respect to the radial locations with both modulus and strength increasing from outer to inner. Tensile fatigue data from macroscopically normal excised disc specimens indicate an endurance limit type for hoop stresses below about 1.4 MPa, which drops over 25% for discs in early stages of degeneration.

Whole disc properties generally are reflected in the behavior of FSU subjected to various loading conditions. These properties are affected by contributions from other structures which cross the intervertebral space (e.g., ligaments and facet joints). The effect of an annulus injury and simulated surgical discectomy on FSU properties is pronounced in axial torsion (Figure 12). Isolating the disc by removing these other structures also removes their confounding effects. Loading these isolated vertebral body-disc-body units in axial compression seems logical, as was done to determine these creep data (Figure 13). Disc bulge seems to be a maximum of 2 mm for normal discs and to increase for degenerated discs, under a variety of loading conditions. 

디스크의 기계적 특성

추간판은

비균일성, 이방성, 다공성, 비선형 점탄성, 손상성 구조입니다.

디스크에 대한 기계적 시험은

일반적으로 추간판 재료에 대한 시험과 전체 디스크에 대한 시험으로 나눌 수 있습니다.

추간판 재료에 대한 시험은 주로 인장 시험으로 수행되었으며,

이는 추간판이 비퇴화 디스크에서는 인장 구조이기 때문입니다.

전체 디스크에 대한 시험은

생체 내에서의 주요 압축 하중과 그 점탄성 특성을 반영합니다.

디스크 평면 대비 다양한 방향, 다양한 깊이(외부에서 내부로), 다양한 연령과 퇴행 정도를 가진 기증자로부터 채취한 작은 직사각형 연골 고리 층 시편에 대해 2가지 변형 속도 하에서 정적 인장 모듈러스와 변형률을 측정했습니다. 외부 고리 모듈러스는 수평 방향(3.61 MPa)에서 외부 섬유 방향(2.64 MPa) 및 수직 방향(0.49 MPa)보다 높습니다. 전방 고리 모듈러스는 깊이에 관계없이 후방 고리 모듈러스보다 일관되게 높습니다. 모듈러스는 약 26세까지 증가한 후 안정화됩니다. 퇴화된 디스크의 시편은 퇴화되지 않은 시편에 비해 모듈러스가 낮습니다. 0.08 및 0.8 mm/s의 하중 속도는 모듈러스에 영향을 미치지 않습니다. 섬유 방향의 1 mm 두께 외측 고리 시편의 최종 강도는 8.8 MPa (17.6 N)이며, 수평 방향 시편은 3.4 MPa (6.8 N)입니다. 반면, 수직 방향의 외측 고리 시편의 최종 강도는 전외측 부위에서 3.4~4.8 MPa, 후외측 부위에서 0.7~2.1 MPa입니다.

다른 연구들은 단일 층에 초점을 맞추거나 새로운 하중 방향을 사용했습니다. 섬유 방향으로 인장 하중을 받아 파열된 단일 층에서 채취된 시편은 전방부에서 외층 10.3 MPa에서 내층 3.6 MPa까지 변동됩니다. 후방부에서는 외층과 내층 사이에 큰 차이가 없습니다(각각 5.6 MPa와 5.8 MPa). 전후 방향에 따라 방사형 장력(내부에서 외부로 향하는 하중 방향)의 모듈러스나 최종 강도에 큰 차이는 발견되지 않았습니다(모듈러스 0.47 MPa, 강도 0.33 MPa). 그러나 방사상 위치에 따라 모듈러스와 강도가 외측에서 내측으로 증가하는 차이가 관찰되었습니다. 거시적으로 정상적인 절제 디스크 표본의 인장 피로 데이터는 약 1.4 MPa 이하의 고리 응력에 대해 내구성 한계 유형을 나타내며, 퇴행 초기 단계의 디스크에서는 25% 이상 감소합니다.

전체 디스크 특성은 다양한 하중 조건 하에서 FSU의 행동에 반영됩니다. 이러한 특성은 척추간 공간을 가로지르는 다른 구조물(예: 인대 및 관절면 관절)의 기여에 영향을 받습니다. 디스크 고리 손상 및 시뮬레이션된 수술적 디스크 절제술이 FSU 특성에 미치는 영향은 축 방향 비틀림에서 두드러집니다(그림 12). 이러한 다른 구조물을 제거하여 디스크를 격리하면 그들의 혼란 요인이 제거됩니다. 축 방향 압축 하에서 격리된 척추체-디스크-척추체 단위를 하중을 가하는 것은 논리적이며, 이는 이러한 크리프 데이터를 결정하기 위해 수행되었습니다(그림 13). 정상 디스크의 디스크 돌출은 최대 2mm이며, 퇴행성 디스크에서는 다양한 하중 조건 하에서 증가합니다.

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[배우고갑니다]

해석힘드네요