脊柱生物力学PPT课件.ppt

1 脊柱生物力学白金柱 2 基本概念 脊柱的生物力学单元是指一个脊柱功能单位或者一个运动节段 包括两个邻近的椎骨及其之间的软组织 节段前部节段后部脊柱单元是指一个运动节段或一个脊柱功能单位 3 脊柱功能单位 脊柱功能单位 F S U 两个相邻椎体 相应椎间盘 关节突关节及附属的前纵 后纵 棘间 棘上 横突间及黄韧带 4 5 椎管由椎弓和椎体构成 起保护脊髓的作用 椎体主要承担来自躯干上部的压力负荷 这种压力负荷从上向尾椎逐渐增大 腰椎椎体比胸椎和颈椎的椎体厚而宽 这些较大的结构保证了腰椎能够承受较大的负荷 椎体骨和软组织的生物力学特性不同 强度 刚度以及应力与应变的关系是生物力学的重要特性 6 7 骨骼的力学特性常用应力应变曲线表示 压力是指每单位面积的垂直载荷 应力是指每单元在长度上的改变 通常以百分比来表示 皮质骨与松质骨的区别皮质骨除了在骨折前能承受比松质骨更大的压力外 其刚度也比松质骨大 在体内 皮质骨在应变超过2 的时候发生骨折 而松质骨则能承受更大的应变 8 松质骨能承受更大的应变主要由于它的特殊结构 松质骨的孔隙率约为30 90 而皮质骨只有5 30 椎体在承受压力的时候 皮质骨对其强度只起10 的作用 因此高质量的松质骨显得尤为重要 骨质疏松随着年龄的增大 骨强度逐渐下降 椎体骨矿物质随着年龄的增长以一个相对稳定的速度进行性下降 椎体骨组织减少25 随之带来的骨强度下降超过50 9 肌肉的作用人体骨骼承受载荷的时候 附着在其周围的肌肉能改变在骨骼上的应力分布 脊柱屈曲时 椎体后侧皮质承受拉力 而前侧皮质承受压应力 为了平衡躯体 后背的肌肉则要承受相应的力量 在正常的颈椎从前纵韧带到后纵韧带的约0 5 1cm的区域内应力将从拉应力到压应力 当骨骼比较薄弱 其承受张力比承受压力的时候更容易骨折 10 后部的椎旁肌能产生收缩力以降低骨骼承受拉应力 这样的拉应力来自于为了减少或者平衡椎体后部皮质骨的拉应力 这样的机制能允许椎体承受更大的应力 当承受过大压应力的时候 骨骼常在椎间盘损坏之前发生骨折 11 椎间盘的力学特性 具有粘弹性 蠕变和松弛 和滞后的力学特性 与退变或突出的椎间盘相比 健康椎间盘的蠕变常发生较慢 这样的现象说明退变的椎间盘粘弹性比正常的时候要低 椎间盘 特别是纤维环的弹性强度是制约椎体终板间异常活动的重要因素 由于椎间盘的位置处在两个椎体之间 同时其内外结构组成的特异性 因此椎间盘在机械和功能上均发挥重要作用 12 13 椎间盘的结构 髓核是一团胶状物青年人的髓核内具有丰富的亲水性 water binding 粘多糖 随着年龄的增大亲水性粘多糖逐渐减少 髓核的含水量也逐渐降低 髓核由外部坚强组织即纤维环所包围 纤维环由纤维软骨组织构成 纤维软骨内粗大的胶原纤维环保证了纤维环承受屈曲和扭转时的高负荷量 软骨终板 主要由透明软骨组成 起分隔椎间盘和椎体的作用 椎间盘的成分类似于关节软骨 14 15 脊柱韧带的功能 主要是靠其纤维的分散应力 韧带的强度和其有限的延展性有助于脊柱的稳定 翼状韧带在体外可以有200N的强度 横韧带可以达到350N 除黄韧带外其他韧带都含有大量胶原 黄韧带含有大量的弹性蛋白 当脊柱处于中立或者轻度后伸位时 黄韧带一直处于牵张状态 这样可以给椎间盘一些预载并给脊柱提供固有的支撑 韧带的粘弹性能在脊柱后伸的时候限制韧带的自身的屈曲 以免压迫神经组织 16 头颈平衡 肌肉的强度和调节是保持头颈平衡的必要条件 肌肉的强度也能减少颈椎应力 在颈椎各种运动方式 椎体都承受屈曲力矩 屈曲运动时 椎体的前侧皮质承受压应力 而椎体后侧皮质承受牵张应力 寰枕关节颈椎极度后伸时 载荷最小 在极度屈曲的时候载荷最大 但这只比中立位时略有增加 17 C7 T1节段的载荷在颈椎处于中立位的时候比较低 当颈椎处于抬头位时 其载荷更低 极度后伸时 载荷有所增加 在轻度屈曲时 载荷大量增加 颈椎极度后伸时 产生最大载荷 表面肌电图法记录颈椎竖棘肌活动 结果表明在所有的位置上 肌肉活动都处于非常低的水平 肌肉对保持基本姿势的稳定起关键的作用 18 生物力学测试 有限元分析 19 严重脊髓灰质炎患者 颈椎肌肉系统完全麻痹 颈椎无法支撑头部 没有明显的结构性病因的老年患者中偶尔出现严重的颈椎后凸畸形 存在伸肌萎缩的患者被认为是老年性颈椎肌病 20 神经生物力学 颈椎在从屈曲到后伸的变化过程中神经长度上发生了明显的变化 脊髓有纵向的弹性 但不能承受轴向的平移 通常导致脊髓损伤的是脊髓遭受平移暴力 成年人的脊髓在发生明显的神经损伤前估计应当承受了2 75 3 44N的暴力 脊髓损伤也会在颈椎突然屈伸运动过程中发生 尤其是颈椎管存在狭窄时 21 颈椎管测量方法 在颈椎侧位X线片上 C3到C6任何一个椎节 椎管的中矢状径与椎体的中矢状径的比值如果小于或等于0 75 即诊断为发育性颈椎管狭窄 解剖形态的多样性意味着以颈椎的解剖测量比值来说明椎管的实际尺寸并不可靠 22 A B 椎管矢状径 B 椎体矢状径 A 23 当颈椎骨赘与脊髓互相接触的时候 颈椎屈曲活动更容易引起脊髓损伤 颈椎后伸 脊髓遭受前方的骨赘和后方内陷的黄韧带钳夹样压迫 脊髓的前方和中央容易受累 对颈椎屈伸运动的研究表明动态软组织增加了对脊髓造成损伤的冲击 儿童无骨折脱位型脊髓损伤病因未明 可能存在纵向牵引暴力 儿童的脊柱弹性较好 可以承受比正常生理极限更大的形变 在骨性结构自发复位的时候引起直接的脊髓损伤 单纯脊髓承受张力的能力很弱 极小暴力就可能造成脊髓损伤或者血管断裂 24 25 腰椎的生物力学 正常腰椎的稳定性由间盘 椎间小关节和韧带共同维持 并受周围神经 肌肉 腹压等因素影响 椎体间活动范围取决于椎间盘 活动的方向取决于椎间小关节 小关节接近矢状位 椎体易发生前方移位 腰椎的屈曲 伸展及侧屈可对椎间盘产生拉伸和压缩应力 而腰椎旋转时椎间盘的受力主要为剪切应力 26 27 椎间盘内压力或预应压力主要来源于前后纵韧带和黄韧带 脊柱负重时髓核具有流体静力学的特点 使压力均匀一致地分布到整个椎间盘 椎间盘作为一富含水的组织 在整个运动节段中像一个垫子一样垫在椎体间 起到储存和传递负荷的作用 髓核只能轻微压缩 压力使得椎间盘向周围膨出 外围的拉伸应力主要由周围的环状纤维环承担 椎间盘纤维环后部所承受的拉伸应力是轴向负荷的4 5倍 28 椎间盘退变粘多糖含量减少 导致亲水性下降 当椎问盘含水量降低时 它的弹性降低 储存能量和传递负荷的能力降低 这些改变导致椎间盘脆性增加 承受应力的能力降低 29 各组织的作用纤维环将受到4 5倍的牵张负荷 韧带有助于防止屈曲旋转或前方移位 黄韧带在中立位时对椎间盘施加预应力 可协助脊柱的内在支持 小关节在防止后伸旋转及前方移位中起重要作用 屈伸剪切及扭旋负荷在椎间盘上产生的应力 要比轴向挤压所产生的负荷大 且易致小关节退变和增生 椎旁肌在防止最大伸张时椎体的压缩中起重要作用 30 腰椎的功能性运动 指腰椎不同运动节段的联合及腰椎与骨盆的协同作用 人体正常重力线位于L4椎体前方 腰椎各节段的运动 骨盆倾斜度的改变 都将导致腰椎负荷的变化将直立位椎体负荷定为100 平卧时为50 直坐150 松弛180 在屈髋 牵引的状态下 腰椎所受的负荷最小 行走 搬举重物及功能锻炼时将增加 31 静力学的观点 由于脊柱的伸展性 椎体和椎间盘吸收震荡的能力 纵韧带的稳定功能以及黄韧带的粘弹性 整个脊椎可以被看作是个可变形的弹性柱子 脊柱在矢状面有两个生理性弯曲 后曲和前曲 也增加了脊柱的弹性 躯干肌群所产生的外部支持力有助于稳定和调整脊柱上的负荷 32 脊柱在站立位时的负荷 保持躯干姿势的肌肉处于持续活跃的状态 当身体笔直时 肌肉收缩力最小 站立过程时 躯干的重力线垂直经过第四椎体的中心的腹侧 脊柱承受向前的屈曲力矩 竖脊肌收缩力和韧带的牵拉力常拮抗这一运动 躯干如要恢复为原有的平衡状态 就需要增加肌肉收缩力来拮抗此弯曲力矩所导致的躯干晃动 除竖脊肌外 腹肌也通过问歇性的收缩参与维持姿势的中立位并使躯体稳定 33 骨盆与骶骨角 放松站立时倾斜角或骶骨角与水平线的夹角大约为30 骨盆后倾时骶骨角减小 且腰椎前凸变平 骨盆前倾时骶骨角增大 加大腰椎前凸和胸椎后凸的角度 34 身体姿势可影响腰椎负荷 在良好支撑条件下躺下来脊柱椎间盘内的负荷最小 放松站立时椎问盘内的负荷也较低 在坐位时负荷增加 在放松站立位时 第三 四腰椎间盘上的负荷约是测量平面以上身体重量的二倍 脊柱向前弯曲时 椎间盘的中心位置后移 躯干屈曲运动时对纤维环后侧部施加的应力远大于躯干伸展运动时 脊柱的旋转运动及伴随发生的扭转负荷进一步增大了椎间盘上的应力 35 36 当身体处于仰卧位时腰椎的负荷最小 这是由于身体重量所产生的负荷被消除的原因 身体仰卧位的同时双膝关节伸直 腰大肌椎体部分可在腰椎上产生一定的负荷 髋关节和膝关节屈曲并有支撑时 腰椎前凸变得平直 这是由于腰大肌放松 负荷减轻的缘故 37 椎体抗压实验 椎体本身或终板断裂破坏点的出现要早于椎间盘损伤的发生 骨骼抗压能力较完整的椎间盘的抗压能力弱 椎体或终板发生断裂之前已经到达了屈服点 当移除使椎体产生屈服点的负荷时 椎体能够恢复 但再次施加负荷时容易造成损伤 38 腰椎的显微损伤高负荷会导致腰椎的显微损伤 是由于施加于椎体上的应力和应变而导致的疲劳骨折所引起的 携带或上举重物一段水平距离影响腰椎负荷的因素 1 物品相对于椎体运动中心的位置 2 物品的大小 形状 重量和密度 3 腰椎旋转或弯曲的程度 4 负荷的速率 提物时 物品靠近身体时较物品远离身体时的腰椎弯曲力距减少 腰椎上的负荷也就越低 39 40 动力学分析 几乎身体的任何运动都能增加肌肉的收缩力和增大脊柱的负荷 增幅在慢走或轻微摆动身体等运动时较和缓 在进行各种运动 或复杂动态活动和动态负荷时的增幅明显 由于可使组织所受的负荷颇低 对下腰痛患者而言 步行是一种安全甚或可能是理想的运动疗法之一 甚至可调节行走速度来改变脊柱的负荷 运动锻炼时腹肌和竖脊肌的力量锻炼能使脊柱所受负荷升高 尽管能有效地强化相关肌肉力量 但是仍需适度调整脊柱负荷的锻炼以适应不同个体的需要 41 腰椎机械稳定性的维持 腹内压 IAP 躯干肌群的协同收缩 体外支撑物 或外科手术 腹内压是一种具有能减少腰椎负荷和维持腰椎稳定功能的机制 腹内压的产生来源于膈肌 腹部和骨盆底肌群的协同收缩 腹横肌是腹肌群中产生腹内压的主要肌肉 腹内压增加可产生躯干伸展力矩 42 腹内压维持脊柱力学的稳定性是通过脊柱相互拮抗的伸肌群和屈肌群的协同作用而实现的 腹内压增加 整个腹腔形成一个近似圆柱体的结构 在稳定性上要优于由各节椎体构成的脊柱结构 腹横肌和膈肌一起 在做任意方向摆动上肢运动时 起到维持脊柱稳定的作用 43 44 躯干肌群在脊柱负荷时的协同收缩现象的机制 随着脊柱屈曲幅度的增加 躯干肌群协同收缩力 脊柱压缩程度和肌肉刚度都随之增加 若给予意料之外的负荷时 肌肉收缩力比在有准备情况下增加了70 因此容易导致损伤发生 肌肉收缩力与反应时间呈负相关 即当对危险信号反应时间越短 肌肉收缩力越大 反复施加负荷可导致脊柱的稳定性降低 这因反复持续的运动可造成躯干肌群的疲劳 力学上用运动状态下肌肉达到疲劳点时负荷的大小及运动方式的变化来表示肌肉耐劳性 45 当肌肉达到疲劳点时在脊柱冠状面和横断面上 屈曲和伸展耦合运动显著增加 运动的扭矩变小 扭转角度和扭转速率降低 屈伸肌群功能的减弱又通过辅助肌群来补偿 多种耦合运动方式增加 因而更容易受伤 由于反复施加负荷 使得肌肉不停地收缩以维持平衡 致使肌肉内的压