脊柱生物力學(xué)

關(guān)于脊柱生物力學(xué)INTRODUCTION

脊柱的生物力學(xué)涉及范圍非常廣泛，脊柱結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、損傷、固定等方面的生物力學(xué)研究有助于解釋脊柱相關(guān)的生理、病理以及對(duì)臨床治療方法、臨床器械的設(shè)計(jì)研究與發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。第2頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天脊柱的結(jié)構(gòu)

脊柱的結(jié)構(gòu)復(fù)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(guò)椎間盤(pán)和強(qiáng)健的韌帶連接在一起，其主要功能為保護(hù)脊髓，并將載荷從頭脊柱傳遞到骨盆。具有活動(dòng)性能的各椎體間互相形成關(guān)節(jié)，能在三個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)。脊椎的穩(wěn)定性由韌帶、椎間盤(pán)、肌肉共同協(xié)調(diào)維持。第3頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天脊柱的功能單位脊柱的功能單位也稱(chēng)功能單元，即一個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段，包括兩個(gè)椎體及兩椎體之間的軟組織。第4頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、椎骨的生物力學(xué)

最早關(guān)于人類(lèi)椎骨（椎體、椎弓、關(guān)節(jié)突）生物力學(xué)的研究是Messerer對(duì)椎體強(qiáng)度的測(cè)量。第5頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天（一）椎體的生物力學(xué)

早期的生物力學(xué)研究是對(duì)椎體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。當(dāng)時(shí)噴氣機(jī)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(jìn)了生物力學(xué)的深入研究。研究表明，椎體的強(qiáng)度隨著年齡的增長(zhǎng)而降低，特別是在40歲以后會(huì)明顯降低。第6頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天抗壓強(qiáng)度第7頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天（一）椎體的生物力學(xué)為了更進(jìn)一步的研究，我們又將椎體細(xì)分為皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨核以及終板來(lái)分析。1、皮質(zhì)骨殼

椎體的主要負(fù)載部位是皮質(zhì)骨殼還是松質(zhì)骨核？第8頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、皮質(zhì)骨殼Rockff等的實(shí)驗(yàn)表明，完整椎體的強(qiáng)度隨著年齡的增加而減低。從20-40歲，椎體強(qiáng)度的降低明顯，40歲以后強(qiáng)度改變不大。

<40Y>40Y第9頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、松質(zhì)骨核

在對(duì)椎體松質(zhì)骨強(qiáng)度測(cè)試中，載荷-形變曲線顯示椎體的松質(zhì)骨核可以承受很大的壓縮載荷，斷裂前其形變率高達(dá)9.5%，而相應(yīng)的皮質(zhì)骨的形變率還不足2%；說(shuō)明椎體損傷首先發(fā)生皮質(zhì)骨斷裂，而不是松質(zhì)骨的顯微骨折。第10頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、終板

終板在脊柱的正常生理活動(dòng)中承受著很大的壓力。終析的斷裂有三種形式：中心型，周?chē)停鍞嗔研汀?/p>

A.中心型在沒(méi)有蛻變的椎間盤(pán)中最多見(jiàn)。

B.周?chē)投嘁?jiàn)于有蛻變的椎間盤(pán)。

C.全板斷裂多發(fā)生于高載荷時(shí)。第11頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、終板無(wú)蛻變的椎間盤(pán)受壓，在髓核內(nèi)產(chǎn)生壓力，終板的中心部位受壓第12頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、終板蛻變的椎間盤(pán)由纖維環(huán)傳遞壓力，終板邊緣承受載荷第13頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)進(jìn)行的三種椎弓載荷方式表明，大部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在椎弓根。椎弓根的強(qiáng)度與性別及椎間盤(pán)的蛻變與否關(guān)系不大，但會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而減退。第14頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）椎弓

椎弓不同加載方式的斷裂載荷第15頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、椎間盤(pán)椎間盤(pán)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)的纖維走行方向與椎體平面呈30度角。椎間盤(pán)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。第16頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性1、受壓的特性在脊柱的運(yùn)動(dòng)節(jié)段壓縮試驗(yàn)中，首先發(fā)生破壞的是椎體而不是椎間盤(pán)。這說(shuō)明，臨床上的椎間盤(pán)脫出不只是由于受壓，更主要的原因是椎間盤(pán)內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。第17頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性2、受拉的特性在不同方向的載荷作用下，椎間盤(pán)都受張應(yīng)力作用。第18頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性

對(duì)椎間盤(pán)的強(qiáng)度測(cè)試表明，椎體前后部位的椎間盤(pán)強(qiáng)度比兩側(cè)的高。中間的髓核強(qiáng)度最低。椎間盤(pán)的纖維環(huán)在不同的方向上也表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度，沿纖維走行方向的強(qiáng)度是水平方向強(qiáng)度的3倍。這一點(diǎn)對(duì)于分析脊柱損傷的機(jī)制，確定合理的治療方法是很有意義的。第19頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性3、受彎的特性彎曲和扭轉(zhuǎn)暴力是椎間盤(pán)受損傷的主要原因。通過(guò)造影證實(shí)，在脊術(shù)的屈伸活動(dòng)中，髓核并不改變其形狀及位置。第20頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性4、受扭的特性在脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段軸向受扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，扭矩和轉(zhuǎn)角變形之間的關(guān)系曲線呈“S”形。其中3°-12°的扭轉(zhuǎn)部分，扭矩與轉(zhuǎn)角之間存在線性關(guān)系。第21頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性5、受剪的特性椎間盤(pán)的水平剪切強(qiáng)度大約為260N每平方毫米。纖維環(huán)的破裂我由于彎曲、扭轉(zhuǎn)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。第22頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性6、松弛和蠕變椎間盤(pán)在受載荷時(shí)有松弛和蠕變現(xiàn)象。蠕變的特點(diǎn)與椎間盤(pán)的蛻變程度有關(guān)，沒(méi)有蛻變的椎間盤(pán)蠕變很慢，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間也能達(dá)到最大變形。蛻變的椎間盤(pán)則相反。這表明蛻變的椎間盤(pán)吸收沖擊的能力減退，也不能將沖擊均勻地分布到終板。第23頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性

無(wú)蛻變的椎間盤(pán)（0度）需要相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間性而達(dá)到較小變形第24頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性7、滯后椎間盤(pán)和脊椎屬粘彈性體，有滯后性能。此結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載和卸載時(shí)伴有能量損失。滯后與施加的載荷、年齡及椎間盤(pán)所處位置有關(guān)。第25頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)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(pán)在第二次加載后的滯后比第一次加載時(shí)下降，這表明反復(fù)沖擊載荷對(duì)椎間盤(pán)有損害。第26頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性8、疲勞的耐受活體椎間盤(pán)的疲勞耐受能力尚不清楚。離體脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段疲勞試驗(yàn)（施加一個(gè)很小的軸向持續(xù)載荷，向前反復(fù)屈曲5度，屈曲200次時(shí)椎間盤(pán)出現(xiàn)破壞跡象，屈曲1000次時(shí)完全破壞）。個(gè)人認(rèn)為，加載負(fù)荷開(kāi)始椎間盤(pán)纖維就有微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變。第27頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性9、椎間盤(pán)內(nèi)壓無(wú)論離體還是在體的椎間盤(pán)內(nèi)壓測(cè)試都是很困難的。Nachemson等首先利用髓核的液態(tài)性做為載荷的傳導(dǎo)體，用一個(gè)脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段來(lái)做離體測(cè)試，發(fā)現(xiàn)髓核內(nèi)壓與軸向加載有直接關(guān)系。第28頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性Nachemson’sTest示意圖第29頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性10、自動(dòng)封閉現(xiàn)象由于椎間盤(pán)缺乏直接的血液供應(yīng)，損傷后通過(guò)一種特殊的方式—“自動(dòng)封閉”來(lái)修復(fù)。第30頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天椎間盤(pán)的生物力學(xué)特性

單純纖維環(huán)損傷的標(biāo)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。第31頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天脊柱韌帶的生物力學(xué)特性

脊柱韌帶有固定相鄰椎體，保證脊柱生理運(yùn)動(dòng)，保護(hù)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(xué)特點(diǎn)，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(xué)強(qiáng)度隨著年齡的增加而降低，同時(shí)吸收能量的能力也下降。第32頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天Finiteelement

可將其用于脊柱生物力學(xué)研究，揭示損傷機(jī)理及評(píng)估椎間盤(pán)的材料特性；有限元模型有助于臨床評(píng)估，對(duì)新理論的建立，臨床器械的研制有不可估量的指導(dǎo)作用。第33頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天Finiteelement

A3-DFiniteElementModeloftheL2-L3DiscoftheHumanLumbarSpine第34頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天Finiteelement第35頁(yè),共40頁(yè)，2024年2月25日，星期天Finiteelement第