医学课件-脊柱的生物力学正规版

脊柱的生物力学运动节段·椎间盘·稳定机制·运动学医学教学课件结构基础与力学特性运动节段是研究脊柱生物力学的最小功能单位5项颈椎骨性构成脊柱由7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、1块骶骨和1块尾骨依次连接构成运动节段定义又称脊柱功能单位，由相邻两椎体及其间软组织构成，运动叠加构成脊柱三维运动前后部结构前部：两椎体、椎间盘、后纵韧带；后部：椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带三大功能提供椎体三维空间运动范围、将载荷从颈部传至骨盆、保护椎管内脊髓及神经根S形生理曲度颈前凸、胸后凸、腰前凸、骶后凸，可缓冲震荡并优化力学传导解剖结构运动节段功能载荷椎骨的力学特性椎骨是脊柱承载的核心骨性结构椎骨力学关键特性5项内部结构松质骨外覆骨密质，形成梯度应力分布弹性模量皮质骨约

17-20GPa，松质骨仅约

1-2GPa刚体假设脊柱运动中变形量极小，分析运动时可视为刚体运动自由度三维运动含6个自由度（3平动+3转动）载荷特点主要承受压缩载荷，腰椎骨界面载荷比颈、胸椎更大材料力学骨性结构力学参数椎间盘的三层结构椎间盘不是静态垫子，而是动态分压结构髓髓核位置位于椎间盘中央水分含量70%-90%不等横截面占比占椎间盘总面积的30%-50%核心分压纤纤维环形态同心圆排列的层状纤维纤维方向同一层内方向一致，相邻层走向相反环向约束软软骨终板组成由透明软骨组成，将椎体与两侧椎间盘分开功能参与营养交换与压力过渡营养通道椎间盘的载荷分配髓核与纤维环构成一对功能单位终板传递给椎间盘的轴向压力主要由髓核与纤维环这一对功能单位协同承接。椎间盘疲劳试验中1/3标本发生终板断裂伴髓核突入骨松质载荷分配终板轴向压力中75%由髓核承担、25%由纤维环承担纤维环前侧和两侧最厚约为后侧两倍，后侧最薄仅1-2层纤维髓核具亲水性，不负重时中心压力永不为零，形成预负荷状态自稳定髓核内压作用于纤维环后使其恢复原位，上终板由此复位，构成自稳定功能单位椎间盘的黏弹性椎间盘具有黏弹性，是天然的缓冲系统黏弹性特性4项蠕变正常椎间盘蠕变缓慢，经过相当长时间也未达到最大变形退变退变椎间盘蠕变快，吸收冲击能力减退滞后滞后特性即吸收冲击能量的特性，载荷越大滞后越大冲击分布年轻人滞后大，退变椎间盘不能将冲击均匀分布到软骨终板脊柱的载荷传导脊柱是高效的载荷传导系统站立位时，垂直载荷约

60%

经椎间盘传递至下位椎体椎间盘水平面剪切刚度约

269N/mm，正常椎间盘需很大力量才能发生异常水平移位载荷传导特征4项载荷传递站立位时垂直载荷约

60%

通过椎间盘传递至下位椎体，其余经棘间韧带等分散承载能力腰椎间盘可承受超过

10.0kN（约1吨）压力破坏顺序整个脊柱受压时首先破坏的是椎骨而非椎间盘剪切力脊柱屈伸运动时峰值剪切力可达静力载荷的

1.5倍三柱理论脊柱稳定性取决于中柱完整性前柱结构组成前纵韧带、椎体前1/2及椎间盘前部前纵韧带中柱结构组成后纵韧带、椎体后1/2及椎间盘后部损伤判定原则上视为不稳定型骨折后纵韧带不稳定型后柱结构组成椎弓、黄韧带、棘间韧带及椎间小关节黄韧带椎间小关节脊柱稳定系统脊柱稳定依赖三个亚系协同作用Q

主动亚系是什么？A

脊柱相关肌肉构成的主动稳定系统。Q

被动亚系是什么？A

韧带以及骨骼构成的被动稳定系统。Q

神经控制亚系是什么？A

起反馈及控制作用的神经控制系统。Q

亚系损伤后会发生什么？A

某一亚系损伤时，可由其它亚系进行功能代偿。Q

代偿失效会怎样？A

三个亚系无法代偿时，整体脊柱稳定性破坏，产生下腰背部疼痛。核心肌群与稳定稳定肌与运动肌协同维持脊柱稳定稳稳定肌多为单关节肌，位置较深如多裂肌、回旋肌通过离心收缩控制姿势运运动肌通常为双关节肌或多关节肌位置表浅如竖脊肌、臀大肌通过向心收缩产生力量中中立区脊柱运动范围分区之一为最小内部阻力区域最小内部阻力弹弹性区脊柱运动范围另一分区具有较大内部阻力稳定取决于两区间保持适当比例使椎骨间中部区域保持在生理极限范围内脊柱运动学基础脊柱相当于头颅与骶骨之间的球窝关节脊柱运动学参数自由度3自由度关节总屈曲110°总伸展140°屈伸侧屈轴向旋转脊柱运动学特征合计

250°，超过其他关节最大

180°

的可动域限制任何部位的活动均可增加其他部位的活动腰段和颈段活动度大、胸段小，损伤多发生在腰段和颈段各节段运动特点颈椎灵活、胸椎稳定、腰椎承重且灵活颈椎活动度最大屈伸约145°·轴向旋转约180°·侧屈约90°为脊柱活动度最大区域寰枢关节旋转可达47°相当于整个颈椎旋转度的40%-50%胸椎以旋转为主关节突接近额状面以旋转为主上段旋转约8°、下段仅约2°腰椎承重且灵活L1-L5屈伸范围逐渐增加L1约12°、腰骶关节约20°轴性旋转各关节基本相同约2-3°明显低于颈椎脊柱力学失衡椎间盘突出是三维力学长期失衡的结果>30%30岁以上健康人群存在影像学突出但无症状椎间盘突出

≠

椎间盘突出症：影像学突出只是结构变化，只有引发症状才是疾病。1失稳三维力学失衡前后受力异常左右不对称旋转紊乱2损伤纤维环失守纤维环最怕长期重复剪切力和扭转应力3偏移髓核移位局部张力失衡→薄弱区受力增加→髓核向薄弱方向偏移临床力学要点后纵韧带薄弱区是椎间盘突出的解剖基础腰椎间盘突出/脱出好发节段L4/5及L5/S1364例临床统计显示：L4/5、L5/S1两侧后突出明显高于中央突出解剖与生物力学危险因素后纵韧带下行至第1腰椎逐渐变窄，到第5腰椎宽度仅剩一半。腰骶角正常约30°时切向力T=0.3W；增大至40°时T=0.38W，切向力增加8-10%。腰椎屈曲位突然旋转最易诱发髓核突出。整体力学观腰椎间盘健康与全身生物力学环境相关5项足踝、骨盆、胸廓活动受限运动压力会转移至腰椎腰椎不适是全身力学崩溃的结果局部症状源之于整体失衡髓核水分下降与静水压丧失减震系统失效，缓冲能力显著下降后侧筋膜链紧张腰椎屈曲时无法正常运动重建身体力学顺序比单纯处理局部结构更重要结构基础与力学特性运动节段是研究脊柱生物力学的最小功能单位脊柱生物力学的一切分析，都始于运动节段这一最小功能单位脊柱构成与曲度脊柱由7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、1块骶骨和1块尾骨依次连接构成脊柱呈S形生理曲度（颈前凸、胸后凸、腰前凸、骶后凸），可缓冲震荡并优化力学传导运动节段又称脊柱功能单位，由相邻两椎体及其间软组织构成，运动叠加构成脊柱三维运动分为前部（两椎体、椎间盘、后纵韧带）和后部（椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带）三大功能提供椎体三维空间运动范围将载荷从颈部传至骨盆保护椎管内脊髓及神经根椎骨的力学特性椎骨是脊柱承载的核心骨性结构椎骨是脊柱承载的核心骨性结构17-20GPa皮质骨弹性模量1-2GPa松质骨弹性模量6个椎骨运动自由度（3平动＋3转动）梯度应力分布椎体内部松质骨外覆骨密质刚体特性运动时变形量极小，可视为刚体压缩载荷分布椎体主要承压，腰椎界面载荷大于颈、胸椎椎间盘的三层结构椎间盘不是静态垫子，而是动态分压结构三层结构由

髓核、纤维环、软骨终板

协同完成缓冲、约束与营养传递椎间盘组成4项整体构成8-10mm厚度20%-33%占脊柱总高度由

髓核、纤维环、软骨终板

三部分组成髓核70%-90%含水量30%-50%横截面占比位于椎间盘

中央偏后纤维环同心圆排列层状纤维，同一层内方向一致，相邻层走向相反形成交叉编织结构软骨终板由

透明软骨

组成，将椎体与两侧椎间盘分开，参与营养交换和压力过渡椎间盘的载荷分配髓核与纤维环构成一对功能单位终板传导的轴向压力经髓核内压驱动纤维环复位，构成自稳定功能单位载荷分配机制3项75%

由髓核承担·25%

由纤维环承担终板传递给椎间盘的轴向压力预负荷状态髓核具亲水性，不负重时中心压力永不为零自稳定功能单位髓核内压使纤维环恢复原位，上终板由此复位结构差异与疲劳表现2项纤维环厚度差异前侧和两侧最厚，约为后侧两倍；后侧最薄仅

1-2层纤维疲劳试验结果椎间盘疲劳试验中

1/3

标本发生终板断裂，伴髓核突入骨松质椎间盘的黏弹性椎间盘具有黏弹性，是天然的缓冲系统天然缓冲系统承载载荷·吸收冲击·均匀分布应力蠕变与滞后特性4项正常椎间盘蠕变缓慢，经过相当长时间也未达到最大变形退变椎间盘蠕变快，吸收冲击能力减退滞后特性即吸收冲击能量的特性，载荷越大滞后越大年轻人滞后大，退变椎间盘不能将冲击均匀分布到软骨终板年龄与承载能力3项40岁前运动单元可承受8000N压力载荷40-60岁降至55%60岁以上约45%脊柱的载荷传导脊柱是高效的载荷传导系统脊柱承担载荷时，椎间盘与椎骨协同完成传导与承载核心载荷数据站立位垂直载荷60%经椎间盘传递至下位椎体其余经棘间韧带等分散腰椎间盘承载极限10.0kN约1吨压力可承受超过该数值的压力力学承载特征整个脊柱受压时首先破坏的是椎骨而非椎间盘脊柱屈伸运动时峰值剪切力可达静力载荷的1.5倍椎间盘水平面剪切刚度约269N/mm，正常椎间盘需很大力量才能发生异常水平移位三柱理论脊柱稳定性取决于中柱完整性三柱理论将脊柱划分为前、中、后三柱，中柱完整性是判断骨折稳定性的核心前柱前纵韧带·椎体前1/2·椎间盘前部70%轴向载荷主要承担者中柱后纵韧带·椎体后1/2·椎间盘后部不稳定型骨折损伤原则上视为不稳定型，需引起重视后柱椎弓·黄韧带·棘间韧带·椎间小关节由椎弓、黄韧带、棘间韧带及椎间小关节构成，参与维持后部结构的稳定。脊柱稳定系统脊柱稳定依赖三个亚系协同作用某一亚系损伤时可由其它亚系进行功能代偿；三个亚系无法代偿时，整体稳定性破坏，产生下腰背部疼痛，脊柱稳定依赖三个亚系协同作用主动亚系ACTIVE脊柱相关肌肉构成的主动稳定系统被动亚系PASSIVE韧带以及骨骼构成的被动稳定系统神经控制亚系NEURAL起反馈及控制作用的神经控制系统核心肌群与稳定稳定肌与运动肌协同维持脊柱稳定脊柱运动范围分中立区（最小内部阻力）与弹性区（较大内部阻力），稳定取决于两区间保持适当比例稳定肌多为单关节肌，位置较深代表：多裂肌、回旋肌通过离心收缩控制姿势运动肌通常为双关节肌或多关节肌，位置表浅代表：竖脊肌、臀大肌通过向心收缩产生力量脊柱运动学基础脊柱相当于头颅与骶骨之间的球窝关节脊柱运动幅度总计

250°，远超其他关节最大

180°

可动域110°总屈曲140°总伸展250°合计超180°

可动域运动特性3自由度脊柱整体相当于3自由度关节（屈伸、侧屈、轴向旋转）代偿活动限制任何部位的活动均可增加其他部位的活动活动分布腰段和颈段活动度大、胸段小，损伤多发生在腰段和颈段各节段运动特点颈椎灵活、胸椎稳定、腰椎承重且灵活脊柱各节段运动特点：颈椎灵活、胸椎稳定、腰椎承重，分区承载不同运动功能颈颈椎·活动度最大区域屈伸·侧屈屈伸约

145°、轴向旋转约

180°、侧屈约

90°寰枢关节旋转范围可达

47°，相当于整个颈椎旋转度的

40%-50%胸胸椎·以旋转为主运动主导关节突接近额状面，旋转为主导运动形式分段旋转度上段旋转约

8°，下段仅约

2°腰椎·承重且灵活屈伸范围递增L1至L5逐渐增加：L1约

12°，腰骶关节约

20°轴性旋转低各关节基本相同约

2-3°，明显低于颈椎脊柱力学失衡椎间盘突出是三维力学长期失衡的结果脊柱力学失衡是三维空间的系统性问题前后受力异常矢状面载荷分布紊乱左右不对称冠状面应力失衡旋转紊乱水平面扭转应力累积病变链条1局部张力失衡2薄弱区受力增加3髓核向薄弱方向偏移30%30岁以上健康人群存在影像学突出但无症状最怕纤维环最怕长期重复剪切力和