脊柱的生物力學脊柱的生物力學1INTRODUCTION脊柱的生物力學涉及范圍非常廣泛，脊柱結構、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的生理、病理以及對臨床治療方法、臨床器械的設計研究與發展有著重要的指導意義。INTRODUCTION脊柱的生物力學涉及范圍非常廣泛2脊柱的結構

脊柱的結構復雜，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節，自由運動。脊椎的穩定性由韌帶、椎間盤、肌肉共同協調維持。脊柱的結構脊柱的結構復雜，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，即一個運動節段，包括兩個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，即一個運動節段，包4一、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、椎骨的生物力學早期的生物力學研究是對椎體抗壓強度的5（一）椎體的生物力學

青年老年（松質骨明顯減少（一）椎體的生物力學青年6抗壓強度抗壓強度7（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骨殼、松質骨核以及終板來分析。椎體的主要負載部位是皮質骨殼還是松質骨核？（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81、皮質骨殼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>40Y1、皮質骨殼Rockff等的實驗表明，完整椎體的強度隨著年齡92、松質骨核在對椎體松質骨強度測試中，載荷-形變曲線顯示椎體的松質骨核可以承受很大的壓縮載荷，斷裂前其形變率高達9.5%，而相應的皮質骨的形變率還不足2%；說明椎體損傷首先發生皮質骨斷裂，而不是松質骨的顯微骨折。2、松質骨核在對椎體松質骨強度測試中，載荷-形變曲線顯102、松質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來說，由于骨量的減少，容易出現微骨折（microfracture），是出現疼痛的主要原因。2、松質骨核當椎體骨量減少25%時，其抗壓強度可減少5113、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.全板斷裂多發生于高載荷時。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123、終板無蛻變的椎間盤受壓，在髓核內產生壓力，終板的中心部位受壓3、終板無蛻變的椎間盤受壓，在髓核內產生壓力，終板的中心部位133、終板蛻變的椎間盤由纖維環傳遞壓力，終板邊緣承受載荷。3、終板蛻變的椎間盤由纖維環傳遞壓力，終板邊緣承受載荷。143、終板終板及其附近骨松質的骨折可影響本身的通透性，從而破壞髓核的營養供給，導致椎間盤的退變。這一薄弱區域也可能被髓核穿過，凸入椎體，形成schmorl結節。3、終板終板及其附近骨松質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生沉陷，且沉陷多發生于上終板平面。去除終板對頸椎的生物力學性能影響很大。3、終板李鑒軼研究表明：16（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)進行的三種椎弓載荷方式表明，大部分斷裂發生在椎弓根。椎弓根的強度與性別及椎間盤的蛻變與否關系不大，但會隨著年齡的增長而減退。（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(197517（三）關節突關節除引導節段運動，尚承受壓縮、拉伸、旋轉、剪切等負荷。后伸時負荷最大，占總負荷30%，前屈旋轉時負荷也較大。承受的壓縮負荷也較多，占18%。限制腰椎的軸向旋轉是腰椎關節突關節的主要功能。（三）關節突關節除引導節段運動，尚承受壓縮、拉伸、旋轉、剪切18（四）肋骨框架使脊柱免受前方和側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。增強胸段脊柱對旋轉力的對抗能力（四）肋骨框架使脊柱免受前方和側方的直接打擊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，纖維環和髓核組成。纖維環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椎間盤的生物力學特性椎間盤的生物力學特性21椎間盤的生物力學特性1、受壓的特性在脊柱的運動節段壓縮試驗中，首先發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應力分布不均勻。椎間盤的生物力學特性1、受壓的特性22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，椎間盤都受張應力作用。椎間盤的生物力學特性2、受拉的特性23椎間盤的生物力學特性3、受彎的特性彎曲和扭轉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3、受彎的特性24椎間盤的生物力學特性4、受扭的特性在脊柱運動節段軸向受扭轉的實驗中發現，扭矩和轉角變形之間的關系曲線呈“S”形。其中3°-12°的扭轉部分，扭矩與轉角之間存在線性關系。大約在20°時，扭矩達到最大，造成椎骨-椎間盤-椎骨結構破壞。椎間盤的生物力學特性4、受扭的特性25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。纖維環的破裂由于彎曲、扭轉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破裂。椎間盤的生物力學特性5、受剪的特性26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象。蠕變的特點與椎間盤的蛻變程度有關，沒有蛻變的椎間盤蠕變很慢，經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6、松弛和蠕變27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蠕變：載荷不變，形變隨時間而增加28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無蛻變的椎間盤（0度）需要相對長的29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。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載荷能力很低的原因。椎間盤的生物力學特性7、滯后30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。離體脊柱運動節段疲勞試驗（施加一個很小的軸向持續載荷，向前反復屈曲5度，屈曲200次時椎間盤出現破壞跡象，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構的改變。椎間盤的生物力學特性8、疲勞的耐受31椎間盤的生物力學特性9、椎間盤內壓無論離體還是在體的椎間盤內壓測試都是很困難的。Nachemson等首先利用髓核的液態性做為載荷的傳導體，用一個脊柱運動節段來做離體測試，發現髓核內壓與軸向加載有直接關系。椎間盤的生物力學特性9、椎間盤內壓32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Nachemson’s33椎間盤的生物力學特性10、自動封閉現象由于椎間盤缺乏直接的血液供應，損傷后通過一種特殊的方式—“自動封閉”來修復。椎間盤的生物力學特性10、自動封閉現象34椎間盤的生物力學特性單純纖維環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。椎間盤的生物力學特性單純纖維環損傷的標本第一次加載的載35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前縱韌帶從顱骨底部向下達骶椎，位于椎體37脊柱韌帶的生物力學特性后縱韌帶位于椎管內椎體的后方，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，下達骶骨。與椎間盤纖維環及椎體上下緣緊密連接，而與椎體結合較為疏松，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。脊柱韌帶的生物力學特性38脊柱相關肌肉生物力學特性前方：腹外斜肌、腹內斜肌、腹橫肌、腹直肌等。后方：

淺層：豎脊肌（由外向內為髂肋肌、最長肌、脊肌）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、回旋肌等脊柱相關肌肉生物力學特性前方：腹外斜肌、腹內斜肌、腹橫肌、腹39脊柱相關肌肉生物力學特性支持軀體重量的脊柱在中立位具有內在的不穩定性，軀體重心在水平面的移動，要求對側有肌肉活動以維持平衡。因此，軀體重心在前、后、側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。脊柱相關肌肉生物力學特性支持軀體重量的脊柱在中立位具有內在的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脊柱前屈過程腹肌，腰肌-----啟動軀干重力使屈曲繼續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前屈過程腹肌，腰肌-----啟動42脊柱運動學脊柱運動學43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。寰椎的軸向旋轉運動伴有明顯的上下方向的移位，寰椎、樞椎節段產生4°的側彎運動竟然伴有14.2°的耦合軸向運動。寰椎、樞椎側塊關節面的雙凸形狀和齒狀突的方向是這種耦合運動的形態學基礎。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44脊柱活動度的共軛性側屈總是伴有旋轉頸椎，上胸椎：側屈時棘突轉向凸側下胸椎、腰椎：側屈時棘突轉向凹側脊柱活動度的共軛性側屈總是伴有旋轉45脊柱不穩定的生物力學脊柱的穩定系統由三個部分構成：1.椎骨、椎間盤、韌帶構成被動子系統；2.由脊柱周圍的肌肉、肌腱、內壓構成主動子系統；3.神經系統，控制上述兩個子系統，協調作用。目前的生物力學研究均在體外狀態下研究，僅僅涉及被動子系統。脊柱不穩定的生物力學脊柱的穩定系統由三個部分構成：46脊柱不穩定的生物力學脊柱不穩的概念尚難于統一，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.意味著將導致進一步的損傷；3.意味著脊柱無法實現其保護神經結構的基本功能。脊柱不穩定的生物力學脊柱不穩的概念尚難于統一，但有三個共同點47脊柱不穩定的生物力學脊柱多向不穩

6個自由度，包括3個角度運動，3個先運動中性區表示脊柱節段在不受外部負荷作用時可自由運動的范圍。中性區越大，脊柱節段越不穩定。脊柱不穩定的生物力