脊柱的生物力學【骨科】-課件

脊柱的生物力學INTRODUCTION

脊柱的生物力學涉及范圍非常廣泛，脊柱結(jié)構(gòu)、運動、損傷、固定等方面的生物力學研究有助于解釋脊柱相關(guān)的生理、病理以及對臨床治療方法、臨床器械的設(shè)計研究與發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。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，通過椎間盤和強健的韌帶連接在一起，其主要功能為保護脊髓，并將載荷從頭脊柱傳遞到骨盆。具有活動性能的各椎體間互相形成關(guān)節(jié)，自由運動。脊椎的穩(wěn)定性由韌帶、椎間盤、肌肉共同協(xié)調(diào)維持。脊柱的功能單位脊柱的功能單位也稱功能單元，即一個運動節(jié)段，包括兩個椎體及兩椎體之間的軟組織。一、椎骨的生物力學

早期的生物力學研究是對椎體抗壓強度的測試。當時噴氣機飛行員彈射如何選擇合適的加速度才不造成脊柱損傷，促進了生物力學的深入研究。（一）椎體的生物力學

青年老年（松質(zhì)骨明顯減少抗壓強度（一）椎體的生物力學為了更進一步的研究，我們又將椎體細分為皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨核以及終板來分析。椎體的主要負載部位是皮質(zhì)骨殼還是松質(zhì)骨核？1、皮質(zhì)骨殼Rockff等的實驗表明，完整椎體的強度隨著年齡的增加而減低。從20-40歲，椎體強度的降低明顯，40歲以后強度改變不大。

<40Y>40Y2、松質(zhì)骨核

在對椎體松質(zhì)骨強度測試中，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9.5%，而相應(yīng)的皮質(zhì)骨的形變率還不足2%；說明椎體損傷首先發(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

當椎體骨量減少25%時，其抗壓強度可減少50%，這一變化對于患者的椎體松質(zhì)來說，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。3、終板

終板在脊柱的正常生理活動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.中心型在沒有蛻變的椎間盤中最多見。

B.周圍型多見于有蛻變的椎間盤。

C.全板斷裂多發(fā)生于高載荷時。3、終板無蛻變的椎間盤受壓，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，凸入椎體，形成schmorl結(jié)節(jié)。3、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，由此推測頸椎椎間植入物置入時下頸椎容易發(fā)生沉陷，且沉陷多發(fā)生于上終板平面。去除終板對頸椎的生物力學性能影響很大。（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)進行的三種椎弓載荷方式表明，大部分斷裂發(fā)生在椎弓根。椎弓根的強度與性別及椎間盤的蛻變與否關(guān)系不大，但會隨著年齡的增長而減退。（三）關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)除引導(dǎo)節(jié)段運動，尚承受壓縮、拉伸、旋轉(zhuǎn)、剪切等負荷。后伸時負荷最大，占總負荷30%，前屈旋轉(zhuǎn)時負荷也較大。承受的壓縮負荷也較多，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。（四）肋骨框架使脊柱免受前方和側(cè)方的直接打擊加強脊柱對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)。增強胸段脊柱對旋轉(zhuǎn)力的對抗能力二、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。椎間盤的生物力學特性椎間盤的生物力學特性1、受壓的特性在脊柱的運動節(jié)段壓縮試驗中，首先發(fā)生破壞的是椎體而不是椎間盤。這說明，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、后深伸時分別向后、前移動，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。椎間盤的生物力學特性4、受扭的特性在脊柱運動節(jié)段軸向受扭轉(zhuǎn)的實驗中發(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，扭矩達到最大，造成椎骨-椎間盤-椎骨結(jié)構(gòu)破壞。椎間盤的生物力學特性5、受剪的特性椎間盤的水平剪切強度大約為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。椎間盤的生物力學特性6、松弛和蠕變椎間盤在受載荷時有松弛和蠕變現(xiàn)象。蠕變的特點與椎間盤的蛻變程度有關(guān)，沒有蛻變的椎間盤蠕變很慢，經(jīng)過相當長的時間也能達到最大變形。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。椎間盤的生物力學特性蠕變：載荷不變，形變隨時間而增加松弛：形變恒定，載荷隨時間而減少椎間盤的生物力學特性

無蛻變的椎間盤（0度）需要相對長的時間性而達到較小變形椎間盤的生物力學特性7、滯后椎間盤和脊椎屬粘彈性體，有滯后性能。通過這一性能，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。離體脊柱運動節(jié)段疲勞試驗（施加一個很小的軸向持續(xù)載荷，向前反復(fù)屈曲5度，屈曲200次時椎間盤出現(xiàn)破壞跡象，屈曲1000次時完全破壞）。個人認為，加載負荷開始椎間盤纖維就有微細結(jié)構(gòu)的改變。椎間盤的生物力學特性9、椎間盤內(nèi)壓無論離體還是在體的椎間盤內(nèi)壓測試都是很困難的。Nachemson等首先利用髓核的液態(tài)性做為載荷的傳導(dǎo)體，用一個脊柱運動節(jié)段來做離體測試，發(fā)現(xiàn)髓核內(nèi)壓與軸向加載有直接關(guān)系。椎間盤的生物力學特性Nachemson’sTest示意圖椎間盤的生物力學特性10、自動封閉現(xiàn)象由于椎間盤缺乏直接的血液供應(yīng)，損傷后通過一種特殊的方式—“自動封閉”來修復(fù)。椎間盤的生物力學特性

單純纖維環(huán)損傷的標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。脊柱韌帶的生物力學特性

脊柱韌帶有固定相鄰椎體，保證脊柱生理運動，保護脊髓等功能。前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶等都具有相同的生物力學特點，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。韌帶的力學強度隨著年齡的增加而降低，同時吸收能量的能力也下降。脊柱韌帶的生物力學特性前縱韌帶從顱骨底部向下達骶椎，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，是退變時易形成骨唇處。脊柱韌帶的生物力學特性后縱韌帶位于椎管內(nèi)椎體的后方，窄而堅韌。為脊柱的長韌帶，起自樞椎并與覆蓋樞椎椎體覆膜相續(xù)，下達骶骨。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，有限制脊柱過度前屈的作用。其長度與前縱韌帶相當，與椎體相貼部分比較狹細，但在椎間盤處較寬，后縱韌帶可限制脊柱過分前屈及防止椎間盤向后脫出的作用。脊柱相關(guān)肌肉生物力學特性前方：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、最長肌、脊?。?/p>

中層：多裂肌（起于橫突、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，要求對側(cè)有肌肉活動以維持平衡。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來保持平衡。身體前屈分為兩期

0-60度脊柱，>60度髖脊柱前屈過程腹肌，腰肌-----啟動軀干重力使屈曲繼續(xù)增加豎脊肌的活動隨屈曲增加活動增加，以控制活動骨盆前傾------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性平衡脊柱后伸與前屈相反脊柱運動學脊柱運動學上頸椎在各個運動方向上存在非常明顯的耦合運動。寰椎的軸向旋轉(zhuǎn)運動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)彎運動竟然伴有14.2°的耦合軸向運動。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動的形態(tài)學基礎(chǔ)。脊柱活動度的共軛性側(cè)屈總是伴有旋轉(zhuǎn)頸椎，上胸椎：側(cè)屈時棘突轉(zhuǎn)向凸側(cè)下胸椎、腰椎：側(cè)屈時棘突轉(zhuǎn)向凹側(cè)脊柱不穩(wěn)定的生物力學脊柱的穩(wěn)定系統(tǒng)由三個部分構(gòu)成：1.椎骨、椎間盤、韌帶構(gòu)成被動子系統(tǒng)；2.由脊柱周圍的肌肉、肌腱、內(nèi)壓構(gòu)成主動子系統(tǒng)；3.神經(jīng)系統(tǒng)，控制上述兩個子系統(tǒng)，協(xié)調(diào)作用。目前的生物力學研究均在體外狀態(tài)下研究，僅僅涉及被動子系統(tǒng)。脊柱不穩(wěn)定的生物力學脊柱不穩(wěn)的概念尚難于統(tǒng)一，但有三個共同點：1.脊柱失去在正常載荷下控制異常活動的能力；2.意味著將導(dǎo)致進一步的損傷；3.意味著脊柱無法實現(xiàn)其保護神經(jīng)結(jié)構(gòu)的基本功能。脊柱不穩(wěn)定的生物力學脊柱多向不穩(wěn)

6個自由度，包括3個角度運動，3個先運動中性區(qū)

表示脊柱節(jié)段在不受外部負荷作用時可自由運動的范圍。中性區(qū)越大，脊柱節(jié)段越不穩(wěn)定。脊柱不穩(wěn)定的生物力學腰骶角系由水平線與S1上終板所成的夾角，正常值為41.1±7.7度，女性略大，腰骶角在不同個體有較大的差異，x線側(cè)位片上一般不應(yīng)超過45°，超過此值將導(dǎo)致脊柱的不穩(wěn)，如達到60°～70°臨床稱為水平骶椎。臨床上常有腰痛或骶部痛癥狀。脊柱內(nèi)固定的生物力學強度和疲勞試驗-破壞性穩(wěn)定性試驗-非破壞性全面了解脊柱的病理學改變及各種內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學，對于正確選擇手術(shù)方法、合理使用內(nèi)固定器械、取得