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第三节
成人骨与关节

一、成人骨结构

(一)骨结构

骨是体内坚硬的器官,主要由骨组织构成。骨的表面覆盖一层骨膜,骨内藏有骨髓,有独立的血管及神经。全身的总骨数有206块之多。可分为颅骨、躯干骨和四肢骨三种。骨块之间借关节及韧带连接构成骨骼系统(skeleton system)。骨骼为全身坚硬的骨架,能维持体形,支撑体重;当骨骼肌收缩时,其可起杠杆作用,从而发生运动。骨内含有的骨髓,是重要的造血器官。骨也是钙、磷在体内储存的地方。

(二)骨的种类

骨的大小不同,形态各异,概括起来可分为长骨、短骨、扁骨、不规则骨和含气骨等五种。

1.长骨(long bone)

呈圆柱形或三棱形,多见于四肢。中部较细的部分,称为骨干,内部有空腔,称为髓腔,内含骨髓;骨的表面可见1~2个小孔,称为滋养孔,向内通入小管,称为滋养管,有神经及血管通过。两端膨大的部分由儿童期的骨骺和干骺端不断生长闭合而成,其表面光滑称为关节面,与相邻的关节面构成关节。长骨是四肢骨的典型(图2-3-1)

图2-3-1 成人正常长骨解剖示意图

2.短骨(short bone)

一般呈立方形,纵、横、高三个径大致相等,多见于结合坚固,并有一定灵活性的部分,如腕骨及跗骨等。由于它们一般承受压缩力较其他应力多,因而典型结构是具有一层薄的骨密质构成的皮质,内部支持的全是骨小梁。

3.扁骨(flat bone)

多呈板状,长径及横径均较大,而厚度比较小,如肋骨、肩胛骨及颅顶骨等,主要构成容纳重点器官的腔壁,起保护作用。如颅骨保护脑,胸廓保护心肺等。

4.不规则骨(irregular bone)

形状不规则,如椎骨和颞骨等。

5.含气骨(pneumatic bone)

骨内具有含气的空腔,如上颌骨、额骨等,发声时它能起共鸣作用,并减轻颅骨的重量。

(三)骨的构造

骨的组织构造与其他结缔组织基本相似,也由细胞、纤维和基质三种成分组成。但骨组织的最大特点是在细胞间质内有大量的钙盐沉积,质地坚硬,构成支持人体的骨骼系统。

成年的骨组织有两种不同结构的骨质形成。表层致密而坚硬,有轻度的弹性,称为骨密质(compact bone),其厚度及抗张力的强度,随年龄的增长而减小。密质内面,骨的构造疏松,由骨小梁相互交叉成海绵状,称为骨松质(spongy bone)。骨小梁的厚薄及彼此间的距离,各骨有所不同;其排列方向,大体上与压力与张力曲线一致,相互间交错成网。不同种类的骨,松质密质的分布不同;长骨骨干主要为密质,内面只有一部分为薄层松质,有时也可完全缺如,由于密质厚,对压力及张力的抗力很强;长骨骺则相反,密质较薄,内面含有大量松质。不规则骨外包一层密质,内为松质。扁骨的密质分为内、外两层,其间夹有松质,有时松质也可缺如,两层密质便融合为一,在成年人,这两种骨质都具有板层状结构,故称为板层骨(lamellar bore)。板层骨内的胶原纤维排列规则,如在骨密质内,胶原纤维环绕血管间隙而呈同心圆排列;在骨松质内,胶原纤维与骨小梁的纵轴平等排列。许多胶原纤维穿过板间区(interlamellar zone)。这种排列无疑会增加骨对机械应力的抵抗。在胚胎及幼儿,以及在成人的某种病理状态,可出现为编织骨(woven bone)的结构。编织骨是由不规则未机化的胶原类型和陷窝状结构的骨组织构成,其胶原纤维粗短,呈纵横交错的不规则排列。板层骨内的胶原和矿物质结合较为紧密,编织骨内的骨细胞较圆而大,细胞数目也较板层骨多。因而,编织骨比板层骨更处于活跃状态。在生长时期长骨的干骺端由编织骨构成,通常经过再吸收,最终被板层骨替代。如果在骨骼发育成熟后,编织骨的持续存在或在成年期出现形成的编织骨,都不是正常现象。例如:骨折后新形成的骨痂内和邻近炎性反应区,肿瘤产生的新生骨中,骨膜最初形成的骨组织中,特别在骨膜遭受异常应力的情况下,均有编织骨的形成。

1.骨的细胞

按照骨组织的细胞形态和功能,一般可分为三种类型:骨细胞、成骨细胞和破骨细胞。这些细胞有着共同的起源,在生理功能和周围环境的影响下,遂分化成不同形态的细胞。在某种特定条件下也可彼此转化,从一种细胞变为另一种细胞。在骨的形态结构不断破坏和改建过程中,这三种细胞共同完成骨的重建。在骨的生长期或成骨期可同时出现这三种细胞,但分别存在于不同部位。

(1)骨细胞(osteocyte):

骨细胞是骨组织中的主要细胞。包埋在钙化的细胞间质内骨陷窝中。骨细胞的胞体呈扁椭圆形,直径25~30μm,有许多细长的突起。这些细长的突起伸进骨陷窝周围的骨小管内。骨细胞的平均寿命大约25年,衰老的骨细胞,其突起从骨小管中缩回。当细胞死亡,骨陷窝被细胞碎片和无机物充填。关于骨细胞的确切功能,目前尚不完全清楚,但是对维持骨的基质却起到一定的作用。在某些条件下,可以促使基质中钙盐溶解,释放钙进入血液,以维持血钙的浓度或调节血钙的平衡。

(2)成骨细胞(osteoblast):

多见于生长期的骨组织中,大都聚集在新形成的骨质表面。细胞呈立方或矮柱状,直径为15~30μm,排列较为规则整齐,细胞常伸出短突与相邻的细胞相连。成骨细胞能合成和分泌基质中的有机成分,如Ⅰ型胶原蛋白、骨钙蛋白、骨粘连蛋白以及少量的蛋白多糖等。成骨细胞的碱性磷酸酶对基质的钙化过程也起重要作用。成骨细胞是已分化的而又不再分裂的细胞,经过不断地合成和分泌细胞间质中的纤维和多种蛋白后,再经过钙化,成骨细胞被包埋在其中。细胞的合成分泌活动停止,胞体变形而成为骨细胞。在一定条件下,成骨细胞本身可以出现逆分化而成为其前身的骨原细胞(osteoprogenitor cell)。骨原细胞源于骨髓,和其他结缔组织中的基质多能干细胞,在骨形成之前增殖分化为成骨细胞,骨原细胞的胞体较小,呈不规则的梭形。

(3)破骨细胞(osteoclast):

是一种多核的巨大细胞。常见于骨质被吸收的凹陷面,此凹陷称为Howship陷窝。在Howship陷窝内与骨质接触面,细胞伸出刷毛样突起。近年来的实验研究证明破骨细胞是来自骨髓中的单核细胞或巨噬细胞,经过多个细胞融合而成。破骨细胞的主要功能是溶解和吸收被清除的骨质。破骨细胞的活动受内分泌激素的影响,甲状旁腺激素可促进破骨功能活动增强,新的破骨细胞生成。降钙素可使破骨细胞体积变小,与骨质接触面脱离,处于静止状态,同时,使破骨细胞形成减慢。

2.骨的纤维

骨纤维呈细胞间质中的主要有机成分,为胶原纤维,属于Ⅰ型胶原蛋白,与其他结缔组织中的胶原纤维基本相同,但是胶原分子结构间有较强的交联,纤维间的间隙略大,这种结构使其更为牢固,更具化学惰性。骨胶原纤维包埋在含有钙盐的基质中,为其掩盖故而不显。若用弱酸或络合剂乙烯二胺四醋酸(EDTA)等溶液浸泡后,骨基质中的无机盐被溶去,骨质由坚硬而变为柔韧可屈,同时可显出骨的纤维。骨的纤维大都组成较致密的纤维束;呈规则的分层排列。每层纤维与基质共同构成板状结构,称为骨板(bone lamella)。骨细胞被夹在骨板之间,胶原的作用主要是增强骨的强度,如除去骨的胶原或使其变性,骨就会变得脆弱而易碎,胶原除了使骨具有抗张力、抗压力和抗切割力的作用外,还可使骨具有一定的弹性,有助于骨负重时防止断裂。

3.骨的基质

骨基质是由无机成分和有机物组成。有机物主要有骨粘连蛋白、骨钙蛋白、蛋白多糖以及少量的硫酸软骨素;这些都是无定形物质,均由成骨细胞分泌而来。骨粘连蛋白可将无机物与骨胶原纤维结合一起。骨钙蛋白也附着在胶原纤维上,与钙盐沉着有关。这些无定形物质,微呈异染性,对PAS呈阳性反应。

骨基质中的无机成分通称为骨盐。骨盐占成人骨干重的65%左右,骨盐在电子显微镜下观察呈细针状结晶,长约10nm,宽约1.5~3nm,有的结晶呈叶状或薄片样。这些结晶大都沉积在胶原纤维间,结晶排列成链或聚集成团。成熟骨的骨盐主要是羟基磷灰石结晶,但含有重要的碳酸盐成分及低比例的Ca/P,并非纯净的羟基磷灰石[Ca 10 (PO 4 6 (OH) 2 ]。还有少量的非磷灰石磷酸钙(Glimcher,1990)。组成骨盐的主要离子是钙、磷、羟基和碳酸盐,含量较少的离子为枸橼酸、镁、钠、钾、氟、氯、铁、锌、铜、铅、铝、锶、硅和硼,其中多数仅微量存在。氟离子可取代羟基,碳酸根可取代磷酸根,镭、锶和铅均可活跃地取代钙,这些阳离子具有放射性或化学毒,可危及身体健康。若骨内含有这些阳离子尤其危险,因为它们可影响骨髓造血组织,引起多种病理变化。

4.骨的组织结构

骨是由不同排列方式的骨板所构成。将长骨的骨干的密质骨作横断面观察,骨板显出三种不同的排列方式。

表层的骨板环绕骨干排列,称为外环骨板层。是由数层骨板组成。外表层与骨膜紧密相连。在外环骨板层中可见与骨干垂直的孔道,横向穿行于骨板层,称Volkmann管。骨外膜的小血管经由此管进入骨内。靠近骨髓腔两边有数层骨板环绕骨干排列,称为内环骨板层。此层骨板往往因骨髓腔的凹凸不平面而排列不甚整齐。骨板的最内层衬附有骨内膜,也可见有横向穿行的Volkmann管。

在内、外环骨板层之间是骨干密质骨的主要部分。由许多骨单位(osteon)所构成。骨单位呈厚壁的圆筒状,与骨干的长轴呈平行排列。中央有一条细管,称Haversian管,围绕Haversian管有5~20层的骨板呈同心圆排列,宛如层层套入的管鞘。Haversian管与周围的骨板层共同组成骨单位,又称作Haversian系统。每一骨单位的表面有一层黏合质,呈强嗜碱性,含有较多的骨盐,胶原纤维较少,在横断面的骨磨片上呈折光很强的骨单位轮廓线,称为黏合线(cementiry line),在骨单位之间充填有一些不完整的骨单位,骨板排列不甚整齐,大都缺少Haversian管,称为间骨板,是前代骨单位的遗迹。骨密质的骨板厚度一般为5~7μm,各部位骨盐分布不尽相同,在内环骨板和间骨板的含量很高,而且在各板层中分布较为一致;另外,各骨单位的骨盐沉积程度也不完全相同,即使在同一骨单位中,各板层的骨盐分布也颇不一致。新生成骨单位的骨盐沉积较少,随着骨的生长,骨盐由中央Haversian管附近逐渐向周围沉积,含量也不断增多。老的骨单位有较多的骨盐沉积。

骨松质的骨小梁也由骨板构成,但层次较薄,结构简单。一般都不显骨单位,然而,在大的骨小梁中也可见到小而不完整的骨单位,其中不见血管。在骨板层间也不见血管,骨细胞的营养依靠骨小梁表面的骨髓腔中血管供给。

(四)骨的附属结构

1.骨膜

骨膜是由致密结缔组织所组成的纤维膜,包被在骨表面的称骨外膜,衬附在骨髓腔面的则称骨内膜。

(1)骨外膜:

一般可分为两层:①纤维层是最外的一层薄的、致密的、排列不规则的结缔组织,其中含有一些成纤维细胞。结缔组织中含有较粗大的胶原纤维束,彼此交织成网状,有血管和神经在纤维束中穿行,沿途有一些分支经深层进入Volkmann管。有些粗大的胶质纤维束向内穿进骨质的外环层骨板,亦称贯穿通纤维。这些纤维将骨膜牢牢固定在骨面上,特别是肌与肌腱附着处。②新生层或成骨层为骨外膜的内层,主要由多功能的扁平梭形细胞组成;含较多的弹力纤维,与骨质紧密相连,并在结构上随年龄和功能活动而发生变化。在胚胎时期或幼年时期,骨骼迅速生成,内层的细胞数量较多,甚为活跃,直接参与骨的生长,在成年期骨外膜内层细胞呈稳定状态,变为梭形,当骨受损时,这些细胞又恢复造骨的能力,变为典型的成骨细胞,参与新的骨质形成。

(2)骨内膜:

是一薄层含细胞的结缔组织,除衬附在骨髓腔面以外,也衬附在中央管内以及包在骨松质的骨小梁表面。骨内膜中的细胞也具有成骨和造血功能,还有形成破骨细胞的可能。成年后的骨内膜细胞呈不活跃状态,若遇有骨损伤时,可恢复造骨功能。

2.骨髓

为柔软富有血液的组织。分布在髓腔和骨松质的腔隙中,可分为红骨髓及黄骨髓两种。胎儿和新生儿全部的髓腔及骨松质都含有红骨髓;5岁以后,长骨骨干内的红骨髓,逐渐被脂肪组织所代替而变成黄骨髓;成年后,只有长骨两端、短骨和扁骨内会有红骨髓,并保持终生。红骨髓是造血器官,能产生红细胞和白细胞,黄骨髓则不具有造血功能,但在患恶性贫血或失血过多时,黄骨髓可以转化成红骨髓,这是造血功能的代偿现象。

二、关节结构

骨与骨之间借纤维结缔组织、软骨或骨相连,称为关节或骨连接,根据骨间的连接组织及其运动情况的不同,骨的关节可分为纤维连接和滑膜关节两种。

(一)纤维连接

两骨之间,以少量结缔组织直接相连的,称为纤维连接(fibrous joints)。此类连接的活动范围极小或完全不能活动。根据骨间的连接组织的不同,又分为韧带连接、软骨连接与骨性结合三种。

1.韧带连接

两骨之间借纤维结缔组织相连。结缔组织呈索状、短板状或膜状,附着于两骨的表面,有相当的韧性与坚固性。韧带连接又分为三种。①纤维性韧带连接,两骨之间由胶原纤维相连,如前臂骨间膜和茎突舌骨韧带等。②弹性韧带连接两骨之间由弹力纤维相连,如黄韧带等。③缝(suture)两骨的边缘借少量的结缔组织相连,见于颅骨。由于骨缘的形状不同,骨缝可分为下列几种:锯状缝(serrate suture):两骨边缘呈锯齿状,互相交错,如冠状缝和矢状缝等。鳞缝(squamous suture):两骨边缘锐薄,互相重叠呈鱼鳞状,如鳞缝等。平缝(plane suture):两骨间以平直的边缘相连,如腭正中缝等。嵌合(peg-and-socket joint):骨的连接面呈深沟状,另一骨则以锐缘嵌入其中,两骨彼此呈嵌镶状,如蝶嘴嵌入犁骨翼之间。

2.软骨连接

软骨连接(cartilaginous joints)是两骨之间以软骨组织相连,多见于幼年时期,如胸骨三部分之间的结合和蝶骨与枕骨的结合等。随着年龄的增长,软骨结合的大部分发生骨化,形成骨性结合,但也有终生不变的,如胸骨与第1肋软骨间的结合。

软骨是一种特殊分化的结缔组织,在体内起着支撑作用,由软骨细胞、软骨基质及埋藏于基质中的纤维共同组成,后二者合称为细胞间质。基质呈凝胶状,纤维的类型及含量因不同软骨而异,软骨细胞被包埋在基质的小腔内。

软骨具有一定的抗压能力和韧性,构成耳、鼻和气管等器官的支架。各关节大都有软骨构成的接触面,使表面润滑,减少摩擦。在胚胎时期软骨代替骨骼构成暂时的胚体支架。在发生过程中,大多数的四肢骨和中轴骨都经过软骨阶段。软骨本身无血管和神经的分布,所以代谢率很低。在生长时期某些长骨的骺端有繁殖旺盛的软骨细胞,借此保持骨骼的增长。

按照间质中的纤维成分,可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨。透明软骨呈透明、蓝乳白色和均质状,具有韧性好及一定的弹性。肋软骨、鼻软骨、部分喉软骨、气管支气管软骨以及所有暂时性软骨和大多数关节软骨均为透明软骨,但它们的大小、形状,细胞排列及纤维和蛋白多糖的组成可随不同年龄和不同部位而有显著区别。纤维软骨是致密结缔组织与软骨间的一种过渡类型,是一种致密的白纤维组织。椎间盘是里含大量白纤维束的纤维软骨,故具有很大的张力并伴有一定弹性。含纤维束较少的纤维软骨如关节盘、关节盂和髋臼,具有韧性和弹性,可对抗压力和摩擦。弹性软骨略显黄色,不透明、具有弹性,分布于外耳、小角状软骨、会厌和杓状软骨顶部。

3.骨性结合

骨性结合(synostosis joints)即两骨之间以骨组织相连,一般先是由韧带连接或软骨结合以后,发生骨化形成的,如缝的骨化或蝶枕软骨结合的骨化等。

(二)滑膜关节

滑膜关节(synovial joints)其连接组织中有腔隙。人体大部分骨的连接都属于此种类型。

1.关节的主要结构

有关节面、关节囊和关节腔,这些结构,一般每个关节都具备。

(1)关节面:

为彼此相关节的两个关节面,多为一凸一凹,其表面覆盖一层关节软骨。关节面的周缘,带有浅沟或深沟环绕,沟内为关节囊的附着部。

(2)关节软骨:

为一薄层被覆在关节面上,多数由透明软骨构成,少数为纤维软骨。其表面光滑,深部则与关节面紧密相连。其厚薄因不同的关节和年龄不同而有差别。甚至于同一关节中其厚薄也有差异;一般平均厚度约为1~2mm,于较大的关节中,其厚度可达4~7mm,一般成年人者较厚,而老年人者则较薄,关节软骨使粗糙不平的关节面变为平滑,在运动时可以减少关节面的摩擦。由于软骨富有弹性,因此,运动时可减轻两关节面的振动和冲击。另外,关节软骨还使两个关节面更为适合。

(3)关节囊:

是由结缔组织构成的膜囊,附着于关节的周围,封闭关节腔。其可分为内外两层。①纤维膜:位居外层,厚而坚韧,由致密的结缔组织构成,并含有丰富的神经和血管。其浅层纤维多呈纵行排列;而深层主要为环形纤维。纤维膜的厚薄,各个关节不完全相同。即使在同一关节中,其各部也不完全一致。一般在运动范围较小或负重较大的关节中,均比较厚而紧张;相反,于运动灵活的关节,则其较薄而松弛。有的部分,纤维膜可完全缺如,仅有一层滑膜;有的则明显增厚,并形成韧带。②滑膜:薄而柔润,由疏松结缔组织构成,分别衬附于纤维膜的内面,关节内韧带及通过关节内肌腱的表面,其周缘附着于关节软骨的边缘。滑膜表面有时形成许多小突起,称为滑膜绒毛,多见于关节囊附着部的附近。有的滑膜形成皱襞,突入关节腔内,即所谓的滑膜襞。有填补空隙和播散滑液的作用。滑膜既能分泌滑液同时也有吸收滑液的作用。

(4)关节腔:

为滑膜与关节面所围成的腔隙,其形状及大小都不一致。腔内含有少量透明的黏液,称为滑液,其内含有黏液素、蛋白、细胞、脂肪滴和酶类等。有润滑及营养关节软骨的作用。关节腔内为负压,对维持关节的稳固性有一定作用。

2.关节的辅助结构

①滑膜襞:已如前述。②韧带:由致密的结缔组织构成,分布在关节的周围,有连接两骨及限制关节运动的作用,可分为囊韧带、囊内韧带以及囊外韧带,并分别位于关节囊的内外。③关节盘:由纤维软骨构成。一般都是圆盘状,其中部较薄,周缘略厚。关节盘位于两骨的关节面之间,其周缘与关节囊愈合。因此,它将关节腔分为上、下两部。有的关节盘呈半月形,故称为关节半月板(articular meniscus),其外侧缘肥厚,内侧缘锐薄,朝向关节腔。关节盘能缓和外力对关节的冲击和振荡,并有调整关节面的作用,使关节面之间更为适合。另外,由于关节盘将关节腔分为上下两部,因而使单关节变为双关节,由此可增加关节的运动范围。④关节唇:为纤维软骨环,其底部略宽厚,附着于关节窝的周缘;而游离缘锐薄,朝向关节腔。关节唇可加深关节窝及增大关节面,使关节更加稳固。 kWosDb58axMdffcHg0XhSJSsOlJGcjFRVTM3Nnm03srP6RpNPgjrdHQ7vyXRZNBw

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