脊柱的生物力學(xué)脊柱的生物力學(xué)1INTRODUCTION脊柱的生物力學(xué)涉及范圍非常廣泛，脊柱結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、損傷、固定等方面的生物力學(xué)研究有助于解釋脊柱相關(guān)的生理、病理以及對(duì)臨床治療方法、臨床器械的設(shè)計(jì)研究與發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。INTRODUCTION脊柱的生物力學(xué)涉及范圍非常廣泛2脊柱的結(jié)構(gòu)

脊柱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由7塊頸椎、12塊胸椎、5塊腰椎及骶骨、尾骨各一塊組成，通過(guò)椎間盤和強(qiáng)健的韌帶連接在一起，其主要功能為保護(hù)脊髓，并將載荷從頭脊柱傳遞到骨盆。具有活動(dòng)性能的各椎體間互相形成關(guān)節(jié)，自由運(yùn)動(dòng)。脊椎的穩(wěn)定性由韌帶、椎間盤、肌肉共同協(xié)調(diào)維持。脊柱的結(jié)構(gòu)脊柱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由7塊頸椎、12塊胸椎、5塊3脊柱的功能單位脊柱的功能單位也稱功能單元，即一個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段，包括兩個(gè)椎體及兩椎體之間的軟組織。脊柱的功能單位脊柱的功能單位也稱功能單元，即一個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段，包4一、椎骨的生物力學(xué)

早期的生物力學(xué)研究是對(duì)椎體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。當(dāng)時(shí)噴氣機(jī)飛行員彈射如何選擇合適的加速度才不造成脊柱損傷，促進(jìn)了生物力學(xué)的深入研究。一、椎骨的生物力學(xué)早期的生物力學(xué)研究是對(duì)椎體抗壓強(qiáng)度的5（一）椎體的生物力學(xué)

青年老年（松質(zhì)骨明顯減少（一）椎體的生物力學(xué)青年6抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度7（一）椎體的生物力學(xué)為了更進(jìn)一步的研究，我們又將椎體細(xì)分為皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨核以及終板來(lái)分析。椎體的主要負(fù)載部位是皮質(zhì)骨殼還是松質(zhì)骨核？（一）椎體的生物力學(xué)為了更進(jìn)一步的研究，我們又將椎體細(xì)分為皮81、皮質(zhì)骨殼Rockff等的實(shí)驗(yàn)表明，完整椎體的強(qiáng)度隨著年齡的增加而減低。從20-40歲，椎體強(qiáng)度的降低明顯，40歲以后強(qiáng)度改變不大。<40Y>40Y1、皮質(zhì)骨殼Rockff等的實(shí)驗(yàn)表明，完整椎體的強(qiáng)度隨著年齡92、松質(zhì)骨核在對(duì)椎體松質(zhì)骨強(qiáng)度測(cè)試中，載荷-形變曲線顯示椎體的松質(zhì)骨核可以承受很大的壓縮載荷，斷裂前其形變率高達(dá)9.5%，而相應(yīng)的皮質(zhì)骨的形變率還不足2%；說(shuō)明椎體損傷首先發(fā)生皮質(zhì)骨斷裂，而不是松質(zhì)骨的顯微骨折。2、松質(zhì)骨核在對(duì)椎體松質(zhì)骨強(qiáng)度測(cè)試中，載荷-形變曲線顯102、松質(zhì)骨核當(dāng)椎體骨量減少25%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度可減少50%，這一變化對(duì)于患者的椎體松質(zhì)來(lái)說(shuō)，由于骨量的減少，容易出現(xiàn)微骨折（microfracture），是出現(xiàn)疼痛的主要原因。2、松質(zhì)骨核當(dāng)椎體骨量減少25%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度可減少5113、終板終板在脊柱的正常生理活動(dòng)中承受著很大的壓力。終板的斷裂有三種形式：中心型，周圍型，全板斷裂型。A.中心型在沒(méi)有蛻變的椎間盤中最多見(jiàn)。B.周圍型多見(jiàn)于有蛻變的椎間盤。C.全板斷裂多發(fā)生于高載荷時(shí)。3、終板終板在脊柱的正常生理活動(dòng)中承受著很大的壓力。終123、終板無(wú)蛻變的椎間盤受壓，在髓核內(nèi)產(chǎn)生壓力，終板的中心部位受壓3、終板無(wú)蛻變的椎間盤受壓，在髓核內(nèi)產(chǎn)生壓力，終板的中心部位133、終板蛻變的椎間盤由纖維環(huán)傳遞壓力，終板邊緣承受載荷。3、終板蛻變的椎間盤由纖維環(huán)傳遞壓力，終板邊緣承受載荷。143、終板終板及其附近骨松質(zhì)的骨折可影響本身的通透性，從而破壞髓核的營(yíng)養(yǎng)供給，導(dǎo)致椎間盤的退變。這一薄弱區(qū)域也可能被髓核穿過(guò)，凸入椎體，形成schmorl結(jié)節(jié)。3、終板終板及其附近骨松質(zhì)的骨折可影響本身的通透性，從而破壞153、終板李鑒軼研究表明：頸椎節(jié)段由上而下最大壓縮力及剛度均逐漸變小，同時(shí)下頸椎下終板平面的最大壓縮力及剛度較相鄰的上終板大，由此推測(cè)頸椎椎間植入物置入時(shí)下頸椎容易發(fā)生沉陷，且沉陷多發(fā)生于上終板平面。去除終板對(duì)頸椎的生物力學(xué)性能影響很大。3、終板李鑒軼研究表明：16（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)進(jìn)行的三種椎弓載荷方式表明，大部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在椎弓根。椎弓根的強(qiáng)度與性別及椎間盤的蛻變與否關(guān)系不大，但會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而減退。（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(197517（三）關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)除引導(dǎo)節(jié)段運(yùn)動(dòng)，尚承受壓縮、拉伸、旋轉(zhuǎn)、剪切等負(fù)荷。后伸時(shí)負(fù)荷最大，占總負(fù)荷30%，前屈旋轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)荷也較大。承受的壓縮負(fù)荷也較多，占18%。限制腰椎的軸向旋轉(zhuǎn)是腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的主要功能。（三）關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)除引導(dǎo)節(jié)段運(yùn)動(dòng)，尚承受壓縮、拉伸、旋轉(zhuǎn)、剪切18（四）肋骨框架使脊柱免受前方和側(cè)方的直接打擊加強(qiáng)脊柱對(duì)位移的抗拉能力和能量吸收能力增加慣性矩（慣性矩通常被用作描述截面抵抗彎曲的性質(zhì)。增強(qiáng)胸段脊柱對(duì)旋轉(zhuǎn)力的對(duì)抗能力（四）肋骨框架使脊柱免受前方和側(cè)方的直接打擊19二、椎間盤椎間盤為一密閉性彈性墊，由相鄰椎體上下面的軟骨板，纖維環(huán)和髓核組成。纖維環(huán)的纖維走行方向與椎體平面呈30度角，相鄰的兩層纖維束走向相互交叉，呈120°夾角。椎間盤在椎體間起緩沖墊的作用，能吸收、緩沖載荷，并使載荷均勻分布。二、椎間盤椎間盤為一密閉性彈性墊，由相鄰椎體上下面的軟骨板，20椎間盤的生物力學(xué)特性椎間盤的生物力學(xué)特性21椎間盤的生物力學(xué)特性1、受壓的特性在脊柱的運(yùn)動(dòng)節(jié)段壓縮試驗(yàn)中，首先發(fā)生破壞的是椎體而不是椎間盤。這說(shuō)明，臨床上的椎間盤脫出不只是由于受壓，更主要的原因是椎間盤內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。椎間盤的生物力學(xué)特性1、受壓的特性22椎間盤的生物力學(xué)特性2、受拉的特性在不同方向的載荷作用下，椎間盤都受張應(yīng)力作用。椎間盤的生物力學(xué)特性2、受拉的特性23椎間盤的生物力學(xué)特性3、受彎的特性彎曲和扭轉(zhuǎn)暴力是椎間盤受損傷的主要原因。髓核在脊柱前屈、后深伸時(shí)分別向后、前移動(dòng)，類似軸承。髓核在壓力下不能壓縮，但能變形，起著吸收震蕩的作用。椎間盤的生物力學(xué)特性3、受彎的特性24椎間盤的生物力學(xué)特性4、受扭的特性在脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段軸向受扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，扭矩和轉(zhuǎn)角變形之間的關(guān)系曲線呈“S”形。其中3°-12°的扭轉(zhuǎn)部分，扭矩與轉(zhuǎn)角之間存在線性關(guān)系。大約在20°時(shí)，扭矩達(dá)到最大，造成椎骨-椎間盤-椎骨結(jié)構(gòu)破壞。椎間盤的生物力學(xué)特性4、受扭的特性25椎間盤的生物力學(xué)特性5、受剪的特性椎間盤的水平剪切強(qiáng)度大約為260N每平方毫米。纖維環(huán)的破裂由于彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸的綜合作用造成的。單純的剪切暴力很少造成纖維環(huán)破裂。椎間盤的生物力學(xué)特性5、受剪的特性26椎間盤的生物力學(xué)特性6、松弛和蠕變椎間盤在受載荷時(shí)有松弛和蠕變現(xiàn)象。蠕變的特點(diǎn)與椎間盤的蛻變程度有關(guān)，沒(méi)有蛻變的椎間盤蠕變很慢，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間也能達(dá)到最大變形。蛻變的椎間盤則相反。這表明蛻變的椎間盤吸收沖擊的能力減退，也不能將沖擊均勻地分布到終板。椎間盤的生物力學(xué)特性6、松弛和蠕變27椎間盤的生物力學(xué)特性蠕變：載荷不變，形變隨時(shí)間而增加松弛：形變恒定，載荷隨時(shí)間而減少椎間盤的生物力學(xué)特性蠕變：載荷不變，形變隨時(shí)間而增加28椎間盤的生物力學(xué)特性無(wú)蛻變的椎間盤（0度）需要相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間性而達(dá)到較小變形椎間盤的生物力學(xué)特性無(wú)蛻變的椎間盤（0度）需要相對(duì)長(zhǎng)的29椎間盤的生物力學(xué)特性7、滯后椎間盤和脊椎屬粘彈性體，有滯后性能。通過(guò)這一性能，椎間盤可有效吸收能量。滯后與施加的載荷、年齡及椎間盤所處位置有關(guān)。載荷越大，滯后越大；隨著年齡的增大其逐漸減小。椎間盤第二次承載時(shí)其滯后作用減少，這可能是椎間盤抵抗重復(fù)載荷能力很低的原因。椎間盤的生物力學(xué)特性7、滯后30椎間盤的生物力學(xué)特性8、疲勞的耐受活體椎間盤的疲勞耐受能力尚不清楚。離體脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段疲勞試驗(yàn)（施加一個(gè)很小的軸向持續(xù)載荷，向前反復(fù)屈曲5度，屈曲200次時(shí)椎間盤出現(xiàn)破壞跡象，屈曲1000次時(shí)完全破壞）。個(gè)人認(rèn)為，加載負(fù)荷開(kāi)始椎間盤纖維就有微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變。椎間盤的生物力學(xué)特性8、疲勞的耐受31椎間盤的生物力學(xué)特性9、椎間盤內(nèi)壓無(wú)論離體還是在體的椎間盤內(nèi)壓測(cè)試都是很困難的。Nachemson等首先利用髓核的液態(tài)性做為載荷的傳導(dǎo)體，用一個(gè)脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段來(lái)做離體測(cè)試，發(fā)現(xiàn)髓核內(nèi)壓與軸向加載有直接關(guān)系。椎間盤的生物力學(xué)特性9、椎間盤內(nèi)壓32椎間盤的生物力學(xué)特性Nachemson’sTest示意圖椎間盤的生物力學(xué)特性Nachemson’s33椎間盤的生物力學(xué)特性10、自動(dòng)封閉現(xiàn)象由于椎間盤缺乏直接的血液供應(yīng)，損傷后通過(guò)一種特殊的方式—“自動(dòng)封閉”來(lái)修復(fù)。椎間盤的生物力學(xué)特性10、自動(dòng)封閉現(xiàn)象34椎間盤的生物力學(xué)特性單純纖維環(huán)損傷的標(biāo)本第一次加載的載荷-變形曲線與完整者不同，但加載2-3次后，其曲線接近正常。椎間盤的生物力學(xué)特性單純纖維環(huán)損傷的標(biāo)本第一次加載的載35脊柱韌帶的生物力學(xué)特性

脊柱韌帶有固定相鄰椎體，保證脊柱生理運(yùn)動(dòng)，保護(hù)脊髓等功能。前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶等都具有相同的生物力學(xué)特點(diǎn)，它們的載荷-變形曲線均為非線性，隨著載荷的增加而斜率改變。韌帶的力學(xué)強(qiáng)度隨著年齡的增加而降低，同時(shí)吸收能量的能力也下降。脊柱韌帶的生物力學(xué)特性脊柱韌帶有固定相鄰椎體，保證脊柱36脊柱韌帶的生物力學(xué)特性前縱韌帶從顱骨底部向下達(dá)骶椎，位于椎體的前面，縱行，富有彈性，短纖維與椎體、椎間盤相互融合，但在椎體的前上角和前下角處，并未融合，留有一間隙，是退變時(shí)易形成骨唇處。脊柱韌帶的生物力學(xué)特性前縱韌帶從顱骨底部向下達(dá)骶椎，位于椎體37脊柱韌帶的生物力學(xué)特性后縱韌帶位于椎管內(nèi)椎體的后方，窄而堅(jiān)韌。為脊柱的長(zhǎng)韌帶，起自樞椎并與覆蓋樞椎椎體覆膜相續(xù)，下達(dá)骶骨。與椎間盤纖維環(huán)及椎體上下緣緊密連接，而與椎體結(jié)合較為疏松，有限制脊柱過(guò)度前屈的作用。其長(zhǎng)度與前縱韌帶相當(dāng)，與椎體相貼部分比較狹細(xì)，但在椎間盤處較寬，后縱韌帶可限制脊柱過(guò)分前屈及防止椎間盤向后脫出的作用。脊柱韌帶的生物力學(xué)特性38脊柱相關(guān)肌肉生物力學(xué)特性前方：腹外斜肌、腹內(nèi)斜肌、腹橫肌、腹直肌等。后方：

淺層：豎脊?。ㄓ赏庀騼?nèi)為髂肋肌、最長(zhǎng)肌、脊?。┲袑樱憾嗔鸭。ㄆ鹩跈M突、止于上一椎體棘突）深層：脊間肌、橫突間肌、回旋肌等脊柱相關(guān)肌肉生物力學(xué)特性前方：腹外斜肌、腹內(nèi)斜肌、腹橫肌、腹39脊柱相關(guān)肌肉生物力學(xué)特性支持軀體重量的脊柱在中立位具有內(nèi)在的不穩(wěn)定性，軀體重心在水平面的移動(dòng)，要求對(duì)側(cè)有肌肉活動(dòng)以維持平衡。因此，軀體重心在前、后、側(cè)方的移位分別需要有背肌、腹肌和腰大肌等肌肉的活動(dòng)來(lái)保持平衡。脊柱相關(guān)肌肉生物力學(xué)特性支持軀體重量的脊柱在中立位具有內(nèi)在的40身體前屈分為兩期

0-60度脊柱，>60度髖身體前屈分為兩期

0-60度脊柱，>60度髖41脊柱前屈過(guò)程腹肌，腰肌-----啟動(dòng)軀干重力使屈曲繼續(xù)增加豎脊肌的活動(dòng)隨屈曲增加活動(dòng)增加，以控制活動(dòng)骨盆前傾------由髖部肌肉控制完全屈曲后，肌肉放松，由后部韌帶保持被動(dòng)性平衡脊柱后伸與前屈相反脊柱前屈過(guò)程腹肌，腰肌-----啟動(dòng)42脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)43脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)上頸椎在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上存在非常明顯的耦合運(yùn)動(dòng)。寰椎的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)伴有明顯的上下方向的移位，寰椎、樞椎節(jié)段產(chǎn)生4°的側(cè)彎運(yùn)動(dòng)竟然伴有14.2°的耦合軸向運(yùn)動(dòng)。寰椎、樞椎側(cè)塊關(guān)節(jié)面的雙凸形狀和齒狀突的方向是這種耦合運(yùn)動(dòng)的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)上頸椎在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上存在非常明顯的耦合運(yùn)動(dòng)。寰椎44脊柱活動(dòng)度的共軛性側(cè)屈總是伴有旋轉(zhuǎn)頸椎，上胸椎：側(cè)屈時(shí)棘突轉(zhuǎn)向凸側(cè)下胸椎、腰椎：側(cè)屈時(shí)棘突轉(zhuǎn)向凹側(cè)脊柱活動(dòng)度的共軛性側(cè)屈總是伴有旋轉(zhuǎn)45脊柱不穩(wěn)定的生物力學(xué)脊柱的穩(wěn)定系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成：1.椎骨、椎間盤、韌帶構(gòu)成被動(dòng)子系統(tǒng)；2.由脊柱周圍的肌肉、肌腱、內(nèi)壓構(gòu)成主動(dòng)子系統(tǒng)；3.神經(jīng)系統(tǒng)，控制上述兩個(gè)子系統(tǒng)，協(xié)調(diào)作用。目前的生物力學(xué)研究均在體外狀態(tài)下研究，僅僅涉及被動(dòng)子系統(tǒng)。脊柱不穩(wěn)定的生物力學(xué)脊柱的穩(wěn)定系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成：46脊柱不穩(wěn)定的生物力學(xué)脊柱不穩(wěn)的概念尚難于統(tǒng)一，但有三個(gè)共同點(diǎn)：1.脊柱失去在正常載荷下控制異?；顒?dòng)的能力；2.意味著將導(dǎo)致進(jìn)一步的損傷；3.意味著脊柱無(wú)法實(shí)現(xiàn)其保護(hù)神經(jīng)結(jié)構(gòu)的基本功能。脊柱不穩(wěn)定的生物力學(xué)脊柱不穩(wěn)的概念尚難于統(tǒng)一，但有三個(gè)共同點(diǎn)47脊柱不穩(wěn)定的生物力學(xué)脊柱多向不穩(wěn)

6個(gè)自由度，包括3個(gè)角度運(yùn)動(dòng)，3個(gè)先運(yùn)動(dòng)中性區(qū)表示脊柱節(jié)段在不受外部負(fù)荷作用時(shí)可自由運(yùn)動(dòng)的范圍。中性區(qū)越大，脊柱節(jié)段越不穩(wěn)定。脊柱不穩(wěn)定的生物力