1、脊柱的生物力学脊柱的生物力学INTRODUCTION 脊柱的生物力学涉及范围非常广泛，脊柱结构、运动、损伤、固定等方面的生物力学研究有助于解释脊柱相关的生理、病理以及对临床治疗方法、临床器械的设计研究与发展有着重要的指导意义。脊柱的结构 脊柱的结构复杂，由7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎及骶骨、尾骨各一块组成，通过椎间盘和强健的韧带连接在一起，其主要功能为保护脊髓，并将载荷从头脊柱传递到骨盆。具有活动性能的各椎体间互相形成关节，自由运动。脊椎的稳定性由韧带、椎间盘、肌肉共同协调维持。脊柱的功能单位脊柱的功能单位也称功能单元，即一个运动节段，包括两个椎体及两椎体之间的软组织。一、椎骨的生物力学 早
2、期的生物力学研究是对椎体抗压强度的测试。当时喷气机飞行员弹射如何选择合适的加速度才不造成脊柱损伤，促进了生物力学的深入研究。（一）椎体的生物力学 青年 老年（松质骨明显减少抗压强度（一）椎体的生物力学为了更进一步的研究，我们又将椎体细分为皮质骨壳、松质骨核以及终板来分析。椎体的主要负载部位是皮质骨壳还是松质骨核？1、皮质骨壳Rockff等的实验表明，完整椎体的强度随着年龄的增加而减低。从20-40岁，椎体强度的降低明显，40岁以后强度改变不大。40Y 2、松质骨核 在对椎体松质骨强度测试中，载荷-形变曲线显示椎体的松质骨核可以承受很大的压缩载荷，断裂前其形变率高达9.5%，而相应的皮质骨的形变
3、率还不足2%；说明椎体损伤首先发生皮质骨断裂，而不是松质骨的显微骨折。2、松质骨核 当椎体骨量减少25%时，其抗压强度可减少50%，这一变化对于患者的椎体松质来说，由于骨量的减少，容易出现微骨折（microfracture），是出现疼痛的主要原因。3、终板 终板在脊柱的正常生理活动中承受着很大的压力。终板的断裂有三种形式：中心型，周围型，全板断裂型。A.中心型在没有蜕变的椎间盘中最多见。B.周围型多见于有蜕变的椎间盘。C.全板断裂多发生于高载荷时。3、终板无蜕变的椎间盘受压，在髓核内产生压力，终板的中心部位受压3、终板蜕变的椎间盘由纤维环传递压力，终板边缘承受载荷。3、终板终板及其附近骨松质的
4、骨折可影响本身的通透性，从而破坏髓核的营养供给，导致椎间盘的退变。这一薄弱区域也可能被髓核穿过，凸入椎体，形成schmorl结节。3、终板李鉴轶研究表明：颈椎节段由上而下最大压缩力及刚度均逐渐变小，同时下颈椎下终板平面的最大压缩力及刚度较相邻的上终板大，由此推测颈椎椎间植入物置入时下颈椎容易发生沉陷，且沉陷多发生于上终板平面。去除终板对颈椎的生物力学性能影响很大。（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)进行的三种椎弓载荷方式表明，大部分断裂发生在椎弓根。椎弓根的强度与性别及椎间盘的蜕变与否关系不大，但会随着年龄的增长而减退。（三）关节突关节除引导节段
5、运动，尚承受压缩、拉伸、旋转、剪切等负荷。后伸时负荷最大，占总负荷30%，前屈旋转时负荷也较大。承受的压缩负荷也较多，占18%。限制腰椎的轴向旋转是腰椎关节突关节的主要功能。（四）肋骨框架使脊柱免受前方和侧方的直接打击加强脊柱对位移的抗拉能力和能量吸收能力增加惯性矩（惯性矩通常被用作描述截面抵抗弯曲的性质。增强胸段脊柱对旋转力的对抗能力二、椎间盘椎间盘为一密闭性弹性垫，由相邻椎体上下面的软骨板，纤维环和髓核组成。纤维环的纤维走行方向与椎体平面呈30度角，相邻的两层纤维束走向相互交叉，呈120夹角。椎间盘在椎体间起缓冲垫的作用，能吸收、缓冲载荷，并使载荷均匀分布。椎间盘的生物力学特性椎间盘的生物
6、力学特性1、受压的特性 在脊柱的运动节段压缩试验中，首先发生破坏的是椎体而不是椎间盘。这说明，临床上的椎间盘脱出不只是由于受压，更主要的原因是椎间盘内应力分布不均匀。椎间盘的生物力学特性2、受拉的特性 在不同方向的载荷作用下，椎间盘都受张应力作用。椎间盘的生物力学特性3、受弯的特性 弯曲和扭转暴力是椎间盘受损伤的主要原因。髓核在脊柱前屈、后深伸时分别向后、前移动，类似轴承。髓核在压力下不能压缩，但能变形，起着吸收震荡的作用。椎间盘的生物力学特性4、受扭的特性 在脊柱运动节段轴向受扭转的实验中发现，扭矩和转角变形之间的关系曲线呈“S”形。其中3-12的扭转部分，扭矩与转角之间存在线性关系。大约在
7、20时，扭矩达到最大，造成椎骨-椎间盘-椎骨结构破坏。椎间盘的生物力学特性5、受剪的特性 椎间盘的水平剪切强度大约为260N每平方毫米。纤维环的破裂由于弯曲、扭转和拉伸的综合作用造成的。单纯的剪切暴力很少造成纤维环破裂。椎间盘的生物力学特性6、松弛和蠕变 椎间盘在受载荷时有松弛和蠕变现象。蠕变的特点与椎间盘的蜕变程度有关，没有蜕变的椎间盘蠕变很慢，经过相当长的时间也能达到最大变形。蜕变的椎间盘则相反。这表明蜕变的椎间盘吸收冲击的能力减退，也不能将冲击均匀地分布到终板。椎间盘的生物力学特性蠕变：载荷不变，形变随时间而增加松弛：形变恒定，载荷随时间而减少椎间盘的生物力学特性 无蜕变的椎间盘（0度）
8、需要相对长的时间性而达到较小变形椎间盘的生物力学特性7、滞后 椎间盘和脊椎属粘弹性体，有滞后性能。通过这一性能，椎间盘可有效吸收能量。滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘所处位置有关。载荷越大，滞后越大；随着年龄的增大其逐渐减小。椎间盘第二次承载时其滞后作用减少，这可能是椎间盘抵抗重复载荷能力很低的原因。椎间盘的生物力学特性8、疲劳的耐受 活体椎间盘的疲劳耐受能力尚不清楚。离体脊柱运动节段疲劳试验（施加一个很小的轴向持续载荷，向前反复屈曲5度，屈曲200次时椎间盘出现破坏迹象，屈曲1000次时完全破坏）。个人认为，加载负荷开始椎间盘纤维就有微细结构的改变。椎间盘的生物力学特性9、椎间盘内压 无论离体
9、还是在体的椎间盘内压测试都是很困难的。Nachemson等首先利用髓核的液态性做为载荷的传导体，用一个脊柱运动节段来做离体测试，发现髓核内压与轴向加载有直接关系。椎间盘的生物力学特性NachemsonsTest 示意图椎间盘的生物力学特性10、自动封闭现象 由于椎间盘缺乏直接的血液供应，损伤后通过一种特殊的方式“自动封闭”来修复。椎间盘的生物力学特性 单纯纤维环损伤的标本第一次加载的载荷-变形曲线与完整者不同，但加载2-3次后，其曲线接近正常。脊柱韧带的生物力学特性 脊柱韧带有固定相邻椎体，保证脊柱生理运动，保护脊髓等功能。前纵韧带、后纵韧带和黄韧带等都具有相同的生物力学特点，它们的载荷-变形
10、曲线均为非线性，随着载荷的增加而斜率改变。韧带的力学强度随着年龄的增加而降低，同时吸收能量的能力也下降。脊柱韧带的生物力学特性前纵韧带从颅骨底部向下达骶椎，位于椎体的前面，纵行，富有弹性，短纤维与椎体、椎间盘相互融合，但在椎体的前上角和前下角处，并未融合，留有一间隙，是退变时易形成骨唇处。脊柱韧带的生物力学特性后纵韧带位于椎管内椎体的后方，窄而坚韧。为脊柱的长韧带，起自枢椎并与覆盖枢椎椎体覆膜相续，下达骶骨。与椎间盘纤维环及椎体上下缘紧密连接，而与椎体结合较为疏松，有限制脊柱过度前屈的作用。其长度与前纵韧带相当，与椎体相贴部分比较狭细，但在椎间盘处较宽，后纵韧带可限制脊柱过分前屈及防止椎间盘向
11、后脱出的作用。脊柱相关肌肉生物力学特性前方：腹外斜肌、腹内斜肌、腹横肌、腹直肌等。后方：浅层：竖脊肌（由外向内为髂肋肌、最长肌、脊肌）中层：多裂肌（起于横突、止于上一椎体棘突）深层：脊间肌、横突间肌、回旋肌等脊柱相关肌肉生物力学特性支持躯体重量的脊柱在中立位具有内在的不稳定性，躯体重心在水平面的移动，要求对侧有肌肉活动以维持平衡。因此，躯体重心在前、后、侧方的移位分别需要有背肌、腹肌和腰大肌等肌肉的活动来保持平衡。身体前屈分为两期0-60度脊柱，60度髋脊柱前屈过程腹肌，腰肌-启动躯干重力使屈曲继续增加竖脊肌的活动随屈曲增加活动增加，以控制活动骨盆前倾-由髋部肌肉控制完全屈曲后，肌肉放松，由后
12、部韧带保持被动性平衡脊柱后伸与前屈相反脊柱运动学脊柱运动学上颈椎在各个运动方向上存在非常明显的耦合运动。寰椎的轴向旋转运动伴有明显的上下方向的移位，寰椎、枢椎节段产生4的侧弯运动竟然伴有14.2的耦合轴向运动。寰椎、枢椎侧块关节面的双凸形状和齿状突的方向是这种耦合运动的形态学基础。脊柱活动度的共轭性侧屈总是伴有旋转颈椎，上胸椎：侧屈时棘突转向凸侧下胸椎、腰椎：侧屈时棘突转向凹侧脊柱不稳定的生物力学脊柱的稳定系统由三个部分构成：1.椎骨、椎间盘、韧带构成被动子系统；2.由脊柱周围的肌肉、肌腱、内压构成主动子系统；3.神经系统，控制上述两个子系统，协调作用。目前的生物力学研究均在体外状态下研究，仅
13、仅涉及被动子系统。脊柱不稳定的生物力学脊柱不稳的概念尚难于统一，但有三个共同点：1.脊柱失去在正常载荷下控制异常活动的能力；2.意味着将导致进一步的损伤；3.意味着脊柱无法实现其保护神经结构的基本功能。脊柱不稳定的生物力学脊柱多向不稳 6个自由度，包括3个角度运动，3个先运动中性区 表示脊柱节段在不受外部负荷作用时可自由运动的范围。中性区越大，脊柱节段越不稳定。脊柱不稳定的生物力学腰骶角系由水平线与S1上终板所成的夹角，正常值为41.17.7度，女性略大，腰骶角在不同个体有较大的差异，x线侧位片上一般不应超过45，超过此值将导致脊柱的不稳，如达到6070临床称为水平骶椎。临床上常有腰痛或骶部痛
14、症状。脊柱内固定的生物力学强度和疲劳试验-破坏性稳定性试验-非破坏性全面了解脊柱的病理学改变及各种内固定系统的生物力学，对于正确选择手术方法、合理使用内固定器械、取得最佳矫形和固定效果、降低手术失败率和减少并发症具有重要意义。Finite element（有限元分析）可将其用于脊柱生物力学研究，揭示损伤机理及评估椎间盘的材料特性；有限元模型有助于临床评估，对新理论的建立，临床器械的研制有不可估量的指导作用。Finite element A 3-D Finite Element Model of the L2-L3 Disc of the Human Lumbar Spine THANK YOU！
