脊柱生物力学

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，能在三个平面上运动。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,最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节突）生物力学的研究是Messerer对椎体强度的测量。,（一）椎体的生物力学,早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。 研究表明，椎体的强度随着年龄的增长而降低，特别是在40岁以后会明显降低。,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。1、皮质骨壳 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。,3、终板,终板在脊柱的正常生理活动中承受着很大的压力。终析的断裂有三种形式：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,（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。,（二）椎弓,椎弓不同加载方式的断裂载荷,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。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,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,对椎间盘的强度测试表明，椎体前后部位的椎间盘强度比两侧的高。中间的髓核强度最低。椎间盘的纤维环在不同的方向上也表现出不同的强度，沿纤维走行方向的强度是水平方向强度的3倍。这一点对于分析脊柱损伤的机制，确定合理的治疗方法是很有意义的。,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。 通过造影证实，在脊术的屈伸活动中，髓核并不改变其形状及位置。,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。,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。纤维环的破裂我由于弯曲、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,无蜕变的椎间盘（0度）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。此结构在循环加载和卸载时伴有能量损失。滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘所处位置有关。,椎间盘的生物力学特性,滞后 载荷越大，滞后越大；随着年龄的增大其逐渐减小。同一椎间盘在第二次加载后的滞后比第一次加载时下降，这表明反复冲击载荷 对椎间盘有损害。,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。,Finite element,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