脊柱生物力學

1、INTRODUCTION,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(fā)展有著重要的指導意義。,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(jié)，能在三個平面上運動。脊椎的穩(wěn)定性由韌

2、帶、椎間盤、肌肉共同協(xié)調維持。,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,最早關于人類椎骨（椎體、椎弓、關節(jié)突）生物力學的研究是Messerer對椎體強度的測量。,（一）椎體的生物力學,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。 研究表明，椎體的強度隨著年齡的增長而降低，特

3、別是在40歲以后會明顯降低。,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骨殼、松質骨核以及終板來分析。1、皮質骨殼 椎體的主要負載部位是皮質骨殼還是松質骨核？,1、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,2、松質骨核,在對椎體松質骨強度測試中，載

4、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(fā)生皮質骨斷裂，而不是松質骨的顯微骨折。,3、終板,終板在脊柱的正常生理活動中承受著很大的壓力。終析的斷裂有三種形式：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

5、內產生壓力，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,（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系不大，但會隨著年齡的增長而減退。,（二）椎弓,椎弓不同加載方式的斷裂載荷,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

6、向與椎體平面呈30度角。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,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應力分布不均勻。,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，椎間盤都受張應力作用。,椎間盤的生物力學特性,對椎間盤的強度測試表明，椎體前后部位的

7、椎間盤強度比兩側的高。中間的髓核強度最低。椎間盤的纖維環(huán)在不同的方向上也表現(xiàn)出不同的強度，沿纖維走行方向的強度是水平方向強度的3倍。這一點對于分析脊柱損傷的機制，確定合理的治療方法是很有意義的。,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。 通過造影證實，在脊術的屈伸活動中，髓核并不改變其形狀及位置。,椎間盤的生物力學特性,4、受扭的特性 在脊柱運動節(jié)段軸向受扭轉的實驗中發(fā)現(xiàn)，扭矩和

8、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。,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)的破裂我由于彎曲、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(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，沒有蛻變的椎間盤蠕變很慢，經過相當長的

9、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,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。此結構在循環(huán)加載和卸載時伴有能量損失。滯后與施加的載荷、年齡及椎間盤所處位置有關。,椎間盤的生物力學特性,滯后 載荷越大，滯后越大；隨著年齡的增大其逐漸減小。同一椎間盤在

10、第二次加載后的滯后比第一次加載時下降，這表明反復沖擊載荷 對椎間盤有損害。,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構的改變。,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。Nach

11、emson等首先利用髓核的液態(tài)性做為載荷的傳導體，用一個脊柱運動節(jié)段來做離體測試，發(fā)現(xiàn)髓核內壓與軸向加載有直接關系。,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，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,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

12、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。,Finite element,可將其用于脊柱生物力學研究，揭示損傷機理及評估椎間盤的材料特性 ；有限元模型有助于臨床評估，對新理論的建立，臨床器械的研制有不可估量的指導作用。,Fi