「脊柱生物力學【嚴選內容】」.doc

脊柱生物力學1. 運動節(jié)段 由于脊柱的結構和功能較為復雜，在研究脊柱的生物力學時，通常觀察脊柱的某一部分，該部分由相鄰兩椎體及其間的軟組織構成，能顯示整個脊柱相似的生物力學特性的最小功能單位，其運動的疊加可構成脊柱的三維運動，稱為運動節(jié)段，又稱脊柱功能單位。l 分部：通常將其分為前后兩部分：前部分由兩個椎體、椎間盤和后縱韌帶組成；后部分由相應的椎弓、椎間關節(jié)、橫突、棘突和韌帶組成。l 前后部承載：前部的椎間盤和后部的小關節(jié)在負重及應力分布方面存在著一種獨立的、動態(tài)的關系。在側方、前方剪應力作用、軸向壓縮及屈曲運動時，前部的椎間盤是主要的負重部位。如伴有較大的位移時，后部的小關節(jié)也承受部分載荷，在后方剪應力（背伸運動）和軸向旋轉時，小關節(jié)則是主要的負重部位。l 功能：運動功能，提供椎體三維空間的運動范圍；承載功能，將載荷從頸部傳到骨盆；保護功能，保護椎管內容納的脊髓及神經根。椎體，椎間盤及前縱韌帶、后縱韌帶提供脊柱的支持功能和吸收對脊柱的沖擊能量。運動范圍主要依靠椎間關節(jié)復合體完成。軀干及韌帶保證脊柱的穩(wěn)定性和維持身體姿勢。2. 脊柱運動學 神經和肌肉的協(xié)同作用產生脊柱的運動。脊柱作為柔軟性載負體，其運動形式是多樣的。脊柱的運動范圍較大，但組成脊柱的各個節(jié)段的運動范圍卻較小，節(jié)段間的運動是三維的，表現(xiàn)為兩椎骨的角度改變和位移。脊柱的活動通常是多個運動節(jié)段的聯(lián)合運動，包括沿橫軸、矢狀軸和縱軸的旋轉和平移。限制任何部位的活動都可增加其他部位的活動。（1） 運動特性：在脊柱運動中，椎體與椎間盤韌帶、關節(jié)囊等組織相比，變形量極小，分析運動時可視為剛體，而椎間盤等其他物體被視為塑性物體。（2） 自由度：按照剛體運動學理論，椎骨的三維運動有六個自由度即前屈/后伸、左/右側彎和左/右旋轉運動方向上的角度以及上/下、前/ 后和左/右方向的位移。其中三個為平動自由度，三個為轉動自由度。 3. 運動范圍（1） 頸椎的活動度：頸椎是脊柱活動度最大的部分。頸椎活動由兩個部分完成：上頸椎（枕-寰-樞復合體）的聯(lián)合運動；下頸椎（頸27）的聯(lián)合運動。前者以旋轉運動為主，后者以屈伸運動為主。枕-寰-樞復合體是人體中軸骨中最復雜的關節(jié)。枕頸1和頸1頸2的關節(jié)均有伸屈運動，枕頸1的屈伸范圍為13.4，頸1頸2關節(jié)約10，二者使枕-寰-樞復合體的屈伸范圍達到23.4。軸性旋轉只發(fā)生在頸1頸2關節(jié)，其旋轉范圍可達47，相當于整個頸椎旋轉度的4050。枕-寰-樞復合體之間的平移度很小，枕頸1間的軸性平移約1mm，頸1頸2 的側向平移一般只有在側屈和軸性旋轉時才會發(fā)生。下頸椎的屈伸活動主要發(fā)生在中段，頸5頸6活動度最大，側屈與旋轉運動越向下越小。整個頸椎節(jié)段的聯(lián)合運動，屈伸約145，軸向旋轉約180，側屈約90。（2） 胸椎的活動度：在矢狀面上，上胸段平均每節(jié)段為4，中段為6，下段為12。在冠狀面上，上胸段的側屈活動范圍為6，最下節(jié)段為9。胸椎的軸性旋轉范圍自上而下逐漸減小，上胸段的活動范圍為8，下胸段只有2左右。（3） 腰椎的活動度 ：從腰1腰5，屈伸范圍逐漸增加，從腰1的12增加到腰骶關節(jié)的20。腰椎各節(jié)段的側屈范圍大致相同，但腰骶關節(jié)較小，只有24，腰5骶1稍大，可到8。腰椎的軸性旋轉各關節(jié)基本相同，約為23，明顯低于頸椎。4. 椎體承載 椎體主要承受壓縮載荷，腰椎骨界面上的載荷比頸、胸椎要大。椎體骨密質較薄，主要由骨松質構成。骨松質的骨小梁是按縱橫主應力跡線方向分布，椎體是椎骨受力的主體。椎體骨密質雖然較薄，但可承受椎體壓力的4575。椎體的抗壓強極限約為57MPa。椎體的最大承載量與椎體的上下位置有很大的關系。在腰椎，壓縮性載荷主要由腰椎椎體承受，只有18的載荷由小關節(jié)承擔。椎體的強度由年齡的增長而減弱，尤其是超過40歲將更加明顯。5. 椎間盤生物力學（1） 結構特點：椎間盤由纖維環(huán)、髓核、透明軟骨終板和Sharpey纖維組成。纖維環(huán)由堅韌的纖維組織環(huán)繞而成，各層纖維方向不同，彼此成3060交角，增加了纖維環(huán)的抗載荷能力。髓核外觀呈半透明的凝膠狀，主要由軟骨基質和膠原纖維組成，通過Sharpey纖維附著于椎體骺環(huán)。透明軟骨終板是椎體上下軟骨面，構成椎體的上下界，與相鄰椎體分開，年輕人的髓核含水量約85，其余是膠原纖維和蛋白多糖。髓核隨年齡增長及椎間盤退變含水量逐漸降至70。膠原維持椎間盤的形狀和張力，蛋白多糖通過與水的相互作用維持組織剛度、抗壓力和粘彈性。（2） 椎間盤功能：正常椎間盤由膠凍狀的髓核和纖維環(huán)組成，形成封閉的有一定壓力的內環(huán)境，其功能有：保持脊柱的高度；連結椎間盤的上下兩椎體，并使椎體有一定的活動度；使椎體便面承受相同的壓力；對縱向負荷起緩沖作用；維持后方關節(jié)間一定的距離和高度，保持椎間孔大?。痪S持脊柱的生理曲度。6. 小關節(jié)的生物力學（1） 結構特點：脊椎節(jié)段的活動類型取決于椎間小關節(jié)的取向，而小關節(jié)面的取向，而小關節(jié)面的取向在不同的節(jié)段有一定的變化。下頸椎的小關節(jié)面與冠狀面平行，與水平面成45，允許頸椎前屈、后伸、側彎和左右旋轉。胸椎的小關節(jié)面與冠狀面呈20，與水平面呈60，允許側彎、旋轉和一定程度上的屈伸。腰椎小關節(jié)面與冠狀面呈45，與水平面垂直，允許前屈、后伸、側彎，限制過度的旋轉運動。（2） 承載能力：腰椎小關節(jié)能承受不同類型的載荷，其承受壓縮載荷的作用因體位和姿勢而異。當腰椎處在最大前屈位時，其小關節(jié)承受了約90的張力但并不承受壓應力；腰椎后伸至最大限度時小關節(jié)承受的壓應力占33。當腰椎承受剪切應力時，由于椎間盤的蠕變和松弛特性，可有效抵抗載荷，故小關節(jié)承受剪切應力明顯加大，承載比例可達45，與椎間盤大致相等。7. 韌帶生物力學（1） 前縱韌帶和后縱韌帶：脊柱前縱韌帶抗張力能力最強，其次是棘上韌帶、棘間韌帶和后縱韌帶，前縱韌帶的最大破壞載荷是后縱韌帶的2.2倍。前縱韌帶剛度最大，其次是后縱韌帶，棘間韌帶最弱。前縱韌帶和后縱韌帶有較大的剛度，對于在屈伸運動時抵抗椎間盤膨隆和椎體移位有重要意義。棘上韌帶變形能力最大，前縱韌帶和后縱韌帶變形能力最小。（2） 黃韌帶：呈節(jié)段性，有豐富的彈性纖維。黃韌帶的抗張應力為3050N，在脊柱韌帶中范圍最大。腰椎前屈時。黃韌帶收到拉伸，彈力纖維被拉長，處于儲能狀態(tài)。當外力解除后，彈力纖維內儲存的能量又會立即釋放出來，使其恢復原狀。腰椎后伸可使黃韌帶松弛，由于預張力的作用，黃韌帶不會出現(xiàn)皺著或彎曲凸入椎管。當腰椎間盤退變后，長期的追間距縮小，使黃韌帶松弛，小血管迂曲變形，彈力纖維退行性變，黃韌帶肥厚，其預張力消失，造成側隱窩狹窄。（3） 棘上韌帶和棘間韌帶：既起到穩(wěn)定脊柱活動的作用，又能加強脊柱的外在穩(wěn)定。棘上韌帶位于棘突后部末端，呈狹條狀，因其離脊柱伸屈軸心較遠，所以，在脊柱做前屈運動時，棘間部分有較大的變形能力。8. 脊髓的生物力學（1） 結構特點：當脊髓無軟棘膜包裹時，其特性如半流體性黏聚體，包裹軟棘膜的脊髓為唯一具有特殊力學特性的結構。如除去周圍的神經根、齒狀韌帶等組織、將脊髓懸吊起來，其長度可因自身重力而延長10，此時若想將其繼續(xù)延長，可突然出現(xiàn)彈性阻力。（2） 位移曲線：脊髓的負荷-位移曲線有連個明顯不同的階段。第一階段也可稱初始階段，很小的拉伸即可產生很大的位移；第二階段，相同的牽拉只形成小的位移，造成第一階段變化的力約0.01N，第二階段脊髓在斷裂前可承受2030N的拉力。脊髓生物力學特性與組織特性有關，第一階段有較大的伸縮性是脊髓折疊性形成的，可在很小的外力下折疊或展開，第二階段脊髓展開或折疊已到極限，脊髓組織直接承受外力阻力將以10為指數(shù)而迅速增加。（3） 脊柱活動與脊髓關系：椎管長度的改變總是伴有脊髓的相應改變，脊髓折疊和展開可滿足脊柱從完全伸直到完全屈曲所需的7075的長度變化。生理活動的極限部分由脊髓本身的彈性變形完成。脊髓在長度改變的同時，同樣伴有橫截面積的變化。9. 神經根的生物力學（1） 結構特點：與周圍神經不同，脊髓神經根只在近脊神經節(jié)處才有一層神經外膜，而外周神經則有厚厚的神經外