脊柱的生物力学

脊柱的生物力学 生物力学 脊柱生物力学 主要 , 脊柱的一般结构 , 椎体的结构与力学性能 , 椎间盘的结构与力学性能 , 脊柱的韧带 , 实例 脊柱的生物力学涉及范围非常广泛，脊柱结构、运动、损伤、 固定等方面的研究有助于解释脊柱相关的生理、以及对临床治疗 、临床器械的研究与发展有着重要的指导意义。 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。如右图 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。节段的前部分含有两个相联的椎体、椎间盘和纵向韧带。后部分含有椎弓、关节突形成的椎间关节、横突和棘突以及有关的韧带。椎弓和椎体形成椎管保护脊髓。如 右图 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 (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。研究明，椎体的强度随着年龄的增长而降讨论 椎体的主要负载部位是皮质骨壳低，特别是在40岁以后会明显降低。 还是松质骨核, 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 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，椎体强度降低明显，40岁以后强度改变不大。 <40y >40y (紫色为松质骨核 浅蓝为皮质骨壳)在40岁以前，皮质骨(紫色为松质骨核 浅蓝为皮质骨壳)在40岁以前，皮质骨壳承载45%而松质骨核承载55%。40岁以后，皮质骨壳承载65%壳承载45%而松质骨核承载55%。40岁以后，皮质骨壳承载65%而松质骨核承载35%。这种强度的消长说明，随着年龄的改变，而松质骨核承载35%。这种强度的消长说明，随着年龄的改变，椎体的韧性在不断降低而脆性在不断提高。这可能是老年人骨质椎体的韧性在不断降低而脆性在不断提高。这可能是老年人骨质疏松、椎体容易发生压缩性骨折的主要原因。 疏松、椎体容易发生压缩性骨折的主要原因。 2、松质骨核 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。 断裂，而不是松质骨的显微骨折。 3、终板 3、终板 终板在脊柱的正常生理活动中承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。 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A.中心型在没有蜕变的椎间盘中最多 见。 见。 B.周围型多见于有蜕变的椎间盘。 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。 C.全板断裂多发生于高载荷时。 无蜕变的椎间盘受压，在髓无蜕变的椎间盘受压，在髓 核产生压力，终板的中心部核产生压力，终板的中心部 位受压(如右上图)。 位受压(如右上图)。 蜕变的椎间盘由纤维环传递压力，终板边缘承受载荷蜕变的椎间盘由纤维环传递压力，终板边缘承受载荷(如右下图)。 (如右下图)。 (二) 椎弓 (二) 椎弓 Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)进行的三种椎弓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。 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。 椎弓不同方式的加载(如下图): 椎弓不同方式的加载(如下图): 二、椎间盘 二、椎间盘 椎间盘为一密闭性弹性椎间盘为一密闭性弹性 垫，由相邻椎体上下面的软垫，由相邻椎体上下面的软 骨板，纤维环和髓核组成。骨板，纤维环和髓核组成。 纤维环的纤维走行方向与椎纤维环的纤维走行方向与椎 体平面呈30度角。椎间盘在体平面呈30度角。椎间盘在 椎体间起缓冲垫的作用，能椎体间起缓冲垫的作用，能 吸收、缓冲载荷，并使载荷吸收、缓冲载荷，并使载荷均匀分布。 均匀分布。 椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性 1、受压的特性 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。 的原因是椎间盘内应力分布不均匀。 2、受拉的特性 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。 在不同方向的载荷作用下，椎间盘都受张应力作用。 对椎间盘的强度测试表明，椎体前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。 损伤的机制，确定合理的治疗方法是很有意义的。 3、受弯的特性 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。 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。 及位置。 4、受扭的特性 4、受扭的特性 在脊柱运动节段轴向在脊柱运动节段轴向 受扭转的实验中发现，扭受扭转的实验中发现，扭 矩和转角变形之间的关系矩和转角变形之间的关系 曲线呈“S”形。其中3?曲线呈“S”形。其中3? -12?的扭转部分，扭矩与-12?的扭转部分，扭矩与 转角之间存在线性关系。 转角之间存在线性关系。 5、受剪的特性 5、受剪的特性 椎间盘的水平剪切强椎间盘的水平剪切强 度大约为260N每平方毫米。纤维环的破裂是由于弯曲、扭转和度大约为260N每平方毫米。纤维环的破裂是由于弯曲、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。 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。 6、松弛和蠕变 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盘吸收冲击的能力减 退，也不能将冲击均匀退，也不能将冲击均匀 地分布到终板。 地分布到终板。 无蜕变的椎间无蜕变的椎间 盘(0?)需要相对盘(0?)需要相对 长的时间性而达到长的时间性而达到 较小变形(如右图) 较小变形(如右图) 7、滞后 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。 位置有关。 载荷越大，滞后越大;随着年龄的增大其逐渐减小。同一椎载荷越大，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。 击载荷 对椎间盘有损害。 8、疲劳的耐受 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)。有曲200次时椎间盘出现破坏迹象，屈曲1000次时完全破坏)。有人认为，加载负荷开始椎间盘纤维就有微细结构的改变。 人认为，加载负荷开始椎间盘纤维就有微细结构的改变。 9、椎间盘内压 9、椎间盘内压 无论离体还是在无论离体还是在 体的椎间盘内压测试体的椎间盘内压测试 都是很困难的。都是很困难的。 Nachemson等首先利Nachemson等首先利 用髓核的液态性做为用髓核的液态性做为 载荷的传导体，用一载荷的传导体，用一 个脊柱运动节段来做个脊柱运动节段来做 离体测试，发现髓核离体测试，发现髓核 内压与轴向加载有直接关系。 内压与轴向加载有直接关系。 Nachemson’s Nachemson’s Test 示意图 Test 示意图 10、自动封闭现象 10、自动封闭现象 由于椎间盘缺乏直接由于椎间盘缺乏直接 的血液供应，损伤后通过一的血液供应，损伤后通过一 种特殊的方式—“自动封种特殊的方式—“自动封 闭”来修复。 闭”来修复。 11、椎间盘的退变 11、椎间盘的退变 椎间盘的退变将减少椎间盘的退变将减少 蛋白多糖的量，也将低其亲蛋白多糖的量，也将低其亲 水能力 。由于椎间盘变干，其弹性、能量储存和负荷分散度均水能力 。由于椎间盘变干，其弹性、能量储存和负荷分散度均逐渐减少。腰运动节段机械行为的尸体研究显示年龄并不影响椎逐渐减少。腰运动节段机械行为的尸体研究显示年龄并不影响椎间盘的负荷反应，性别和椎间盘的部位也无明显关系。 间盘的负荷反应，性别和椎间盘的部位也无明显关系。 单纯纤维环损伤的标本第一次加载的载荷-变形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，其曲线接近正曲线与完整者不同，但加载2-3次后，其曲线接近正常。(右图) 常。(右图) 三、脊柱韧带的三、脊柱韧带的 生物力学特性 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。 脊椎周围的韧带提供脊椎的内在稳定力。多数韧带含有高胶原量，使脊椎在活动时限制其伸展度。黄韧带则是例外，它纵向连接两个临近的椎弓，含有大量弹性蛋白。它的弹性可在脊椎向后时收缩，在前屈时拉长;即使在中和位，由于其弹性本质，它 一直处于抗拉衡定状态。由于它离椎间盘运动中心有一定距离，对椎间盘施加预应力，即使从纵向韧带，产生椎间盘压力，如此可协助脊椎的内在支持。 不同韧带的应变量因脊椎活动类型的不同而异，在前屈曲时，对侧的横韧带有最大的应变， 然后是关节囊韧带和黄韧带承受 应变。在旋转时，关节囊韧带则承 受最大的应变。 四、生物力学实例分 析 1、腰椎静态力学 A、在松弛直立位时，按椎间盘压力来计算，70kg体重的人的第三要椎间盘负荷为70kg，在测量水平以上的负荷几乎是该节段以上体重的1倍，约为总体重的60%，约为40kg。躯干前屈将增加负荷。脊椎的前倾使椎间盘在脊椎曲线的凹侧膨出，在凸侧回缩。当脊椎前屈，椎间盘将向前膨出，后侧则回缩，椎间盘上的挤压应力和拉张应力均增加，再加上旋转运动和伴有的扭曲负荷将更增加椎间盘的应力。 B、拎举和携带物体在平地上行走一段路程可在脊柱上施加 很高的负荷，是脊椎损伤的常见原因。这种活动可有几个因素影响脊椎的负荷:1物体的位置与脊柱运动中心的关系 2物体的 大小、形状、重量、密度 3 脊椎前屈或旋转地位置。贴身 携物而不是离心携物可减少 腰椎上的屈曲力矩，因为物体 重力点与脊柱运动中心之间 的距离，即杠杆臂可以变得最 短。物体重量产生的力的杠杆 臂越短，屈曲力矩的幅度也越 小，腰椎上的负荷也越小。若 物体的重量、形状、和密度相等，仅大小不等，则大物体重量产生的杠杆臂的力也越大，腰椎上的屈曲力矩也大。 如左图，这两位置显示的椎间盘的运动中心至腹部前方的20cm。物体重量为20kg，密度均匀。左方块物体的宽度为20，右边的为40.在左例，作用于最低腰椎间盘的前屈力矩为60Nm，而在右例，前屈力矩为80Nm C、若持重时腰向前弯曲，物体重量产生的力，加上上身重量产生的力在椎间盘上产生一个屈曲力矩，使脊椎上的负荷增加，使弯曲力矩要比在站立持物时所产生的力矩要大的多。 如右图:这两位置显示物体重量均为20kg。在A例物重所产生的力杠杆臂为30，其前屈力矩为60Nm，上身产生的屈曲力矩为9Nm，杠杆臂长度为2cm，上身重量所产生的力为450N。如此A例的总的前屈力矩为69Nm。在B例，物体所产生力的杠杆臂为40cm，产生前屈力矩为80Nm(200N*0.4m)，此外上身体重产生的450N的力更为重要，因为它作用于25cm的杠杆臂，产生一个较大的前屈力矩112.5Nm，这样B的总前屈力矩将为192.5Nm(112.5+80)。 D、一般 认为在拎举 时，膝关节最 好弯曲些，背 部保持平直 状态，如此脊 椎上的负荷 得以减少。这 意见只有在 正确使用技 术时才会有效，即屈膝和直背拎物。如果物体不是太大，可以靠近躯干，靠近脊椎运动中心，比借屈身和伸膝要好。(图A和B)如果将物体放在膝的前方，即远离运动中心，即使用上面建议的方法也不会减少负荷，不论膝关节是否屈曲，屈曲力矩只会增加，不会减少。(图C) 在上面三个图中，物体均为20kg。A例的总的前屈力矩为192.5(算过)B例是先屈膝，然后伸直，使物体能贴近躯干，减少前屈力矩。物体重力的杠杆臂和上身重力的杠杆臂分别缩短为35cm和18cm，则总的屈曲力矩为151Nm(200*0.35+450*0.18) C例中物体在膝前拎举，物体重力杠杆臂增至50cm，上身重力杠杆臂增至25cm，总的前屈力矩为212.5(200*0.5+450*0.25)。 E、举重运动员很容易产 生高负荷而不发生骨折，是 因为其他一些因素，如腹内 压，可在体内减少脊椎上的 负荷，在运动员身上，直棘 肌收缩产生的腹内压力可减 少脊椎负荷的40%。由于举 重方式不同肌肉与韧带的活动程度也随之而异，例如自地面静态提取一个物体离开地面一段距离，在采用背提取方法(膝伸直，躯干屈曲大于60?)的状态下，很少需用背肌活动但采用腿提取方法(膝屈曲，躯干伸直)的状态下需用很大的背肌活动。但这并不意味着使用背提取方法会在腰椎上减少负荷。 右图所示在A图，前屈力矩由韧带来抗衡，在B图，韧带松弛，抗衡力主要来自肌肉活动，另一方面，膝的过分屈曲，使之承受重的负荷，对下肢肌肉要求更高。 2、腰椎动态力学 几乎身体所有的活动均会增加腰椎的负荷。有些动作如漫步或一般摆动，负荷增加不大，但在操练时，会显著增加，正常行走时，足尖离地时，负荷最大，肌活动主要是躯干伸肌，前屈越大肌力越大挤压负荷也会增加。 在俯卧时，背部可翘起呈弓形，这对直棘肌最活跃，这种极度位的负荷将对脊椎产生很大的应力，为避免这种过伸初期位置应保持椎体较平行的对线，然后再进行直棘肌的强力操练。 上图A中俯卧位时背部弓起，大大刺激直棘肌，在腰椎间盘上产生很高应力。B在腹部放一枕头减少背的弓形，能使椎间盘较好的控制应力，由于椎间盘对合很好，适合长时间进行等长操练 摘要 1. 椎体-椎间盘-椎体单位构成一个运动节段，是脊椎的功能单位。 2. 椎间盘作为运动性制约因素，也是流体静力性功能结构，贮存能量和分散负荷。 3. 当压缩负荷施加在椎间盘上，主要是在椎间盘的内部即髓核而拉张应力主要是外环内即纤维环。 4. 关节突的主要功能是引导运动节段的活动。关节突的定向决定脊椎在任何水平位上可能发生的活动类型。 5. 两椎体之间的活动很小，在体内不能独立运动，所以脊椎的功能性运动总是几个运动节段的联合行动。 6. 躯干活动也包括骨盆活动，开始50-60?的前屈发生在腰椎，之后的前屈主要是骨盆的前倾。 7. 运动时躯干肌肉也起重要作用，提供脊椎的外稳定力，韧带和椎间盘提供内稳定力直立状态的位置需要肌肉的活动。 8. 腰椎间盘负荷在体内较高，在松弛直立时，挤压负荷约为体重的两倍。 9. 身体的位置将影响腰椎的负荷。任何偏离松弛直立位时，如前屈或扭转将在腰椎上产生较高应力。 10. 脊椎前屈时，椎间盘突向脊椎曲线的凹侧，前屈或扭转在椎间盘上产生的应力要比轴向挤压产生的负荷大。