脊柱生物力學(xué)

脊柱生物力學(xué)脊柱生物力學(xué)脊柱生物力學(xué)V:1.0精細(xì)整理，僅供參考脊柱生物力學(xué)日期：20xx年X月脊柱生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)節(jié)段由于脊柱的結(jié)構(gòu)和功能較為復(fù)雜，在研究脊柱的生物力學(xué)時(shí)，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(gòu)成，能顯示整個(gè)脊柱相似的生物力學(xué)特性的最小功能單位，其運(yùn)動(dòng)的疊加可構(gòu)成脊柱的三維運(yùn)動(dòng)，稱為運(yùn)動(dòng)節(jié)段，又稱脊柱功能單位。分部：通常將其分為前后兩部分：前部分由兩個(gè)椎體、椎間盤和后縱韌帶組成；后部分由相應(yīng)的椎弓、椎間關(guān)節(jié)、橫突、棘突和韌帶組成。前后部承載：前部的椎間盤和后部的小關(guān)節(jié)在負(fù)重及應(yīng)力分布方面存在著一種獨(dú)立的、動(dòng)態(tài)的關(guān)系。在側(cè)方、前方剪應(yīng)力作用、軸向壓縮及屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，前部的椎間盤是主要的負(fù)重部位。如伴有較大的位移時(shí)，后部的小關(guān)節(jié)也承受部分載荷，在后方剪應(yīng)力（背伸運(yùn)動(dòng)）和軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，小關(guān)節(jié)則是主要的負(fù)重部位。功能：①運(yùn)動(dòng)功能，提供椎體三維空間的運(yùn)動(dòng)范圍；②承載功能，將載荷從頸部傳到骨盆；③保護(hù)功能，保護(hù)椎管內(nèi)容納的脊髓及神經(jīng)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(duì)脊柱的沖擊能量。運(yùn)動(dòng)范圍主要依靠椎間關(guān)節(jié)復(fù)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(shì)。脊柱運(yùn)動(dòng)學(xué)神經(jīng)和肌肉的協(xié)同作用產(chǎn)生脊柱的運(yùn)動(dòng)。脊柱作為柔軟性載負(fù)體，其運(yùn)動(dòng)形式是多樣的。脊柱的運(yùn)動(dòng)范圍較大，但組成脊柱的各個(gè)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)范圍卻較小，節(jié)段間的運(yùn)動(dòng)是三維的，表現(xiàn)為兩椎骨的角度改變和位移。脊柱的活動(dòng)通常是多個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，包括沿橫軸、矢狀軸和縱軸的旋轉(zhuǎn)和平移。限制任何部位的活動(dòng)都可增加其他部位的活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)特性：在脊柱運(yùn)動(dòng)中，椎體與椎間盤韌帶、關(guān)節(jié)囊等組織相比，變形量極小，分析運(yùn)動(dòng)時(shí)可視為剛體，而椎間盤等其他物體被視為塑性物體。自由度：按照剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，椎骨的三維運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度即前屈/后伸、左/右側(cè)彎和左/右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向上的角度以及上/下、前/后和左/右方向的位移。其中三個(gè)為平動(dòng)自由度，三個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。運(yùn)動(dòng)范圍頸椎的活動(dòng)度：頸椎是脊柱活動(dòng)度最大的部分。頸椎活動(dòng)由兩個(gè)部分完成：①上頸椎（枕-寰-樞復(fù)合體）的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)；②下頸椎（頸2~7）的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。前者以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主，后者以屈伸運(yùn)動(dòng)為主。枕-寰-樞復(fù)合體是人體中軸骨中最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。枕~頸1和頸1~頸2的關(guān)節(jié)均有伸屈運(yùn)動(dòng)，枕~頸1的屈伸范圍為13.4°，頸1~頸2關(guān)節(jié)約10°，二者使枕-寰-樞復(fù)合體的屈伸范圍達(dá)到23.4°。軸性旋轉(zhuǎn)只發(fā)生在頸1~頸2關(guān)節(jié)，其旋轉(zhuǎn)范圍可達(dá)47°，相當(dāng)于整個(gè)頸椎旋轉(zhuǎn)度的40％~50％。枕-寰-樞復(fù)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(cè)向平移一般只有在側(cè)屈和軸性旋轉(zhuǎn)時(shí)才會(huì)發(fā)生。下頸椎的屈伸活動(dòng)主要發(fā)生在中段，頸5~頸6活動(dòng)度最大，側(cè)屈與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越向下越小。整個(gè)頸椎節(jié)段的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，屈伸約145°，軸向旋轉(zhuǎn)約180°，側(cè)屈約90°。胸椎的活動(dòng)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(cè)屈活動(dòng)范圍為6°，最下節(jié)段為9°。胸椎的軸性旋轉(zhuǎn)范圍自上而下逐漸減小，上胸段的活動(dòng)范圍為8°，下胸段只有2°左右。腰椎的活動(dòng)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(guān)節(jié)的20°。腰椎各節(jié)段的側(cè)屈范圍大致相同，但腰骶關(guān)節(jié)較小，只有2°~4°，腰5~骶1稍大，可到8°。腰椎的軸性旋轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)基本相同，約為2°~3°，明顯低于頸椎。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(zhì)較薄，主要由骨松質(zhì)構(gòu)成。骨松質(zhì)的骨小梁是按縱橫主應(yīng)力跡線方向分布，椎體是椎骨受力的主體。椎體骨密質(zhì)雖然較薄，但可承受椎體壓力的45％~75％。椎體的抗壓強(qiáng)極限約為5~7MPa。椎體的最大承載量與椎體的上下位置有很大的關(guān)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(guān)節(jié)承擔(dān)。椎體的強(qiáng)度由年齡的增長(zhǎng)而減弱，尤其是超過(guò)40歲將更加明顯。椎間盤生物力學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(jiān)韌的纖維組織環(huán)繞而成，各層纖維方向不同，彼此成30°~60°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(zhì)和膠原纖維組成，通過(guò)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(gòu)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(zhǎng)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(guò)與水的相互作用維持組織剛度、抗壓力和粘彈性。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(nèi)環(huán)境，其功能有：保持脊柱的高度；連結(jié)椎間盤的上下兩椎體，并使椎體有一定的活動(dòng)度；使椎體便面承受相同的壓力；對(duì)縱向負(fù)荷起緩沖作用；維持后方關(guān)節(jié)間一定的距離和高度，保持椎間孔大??；維持脊柱的生理曲度。小關(guān)節(jié)的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：脊椎節(jié)段的活動(dòng)類型取決于椎間小關(guān)節(jié)的取向，而小關(guān)節(jié)面的取向，而小關(guān)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(guān)節(jié)面與冠狀面平行，與水平面成45°，允許頸椎前屈、后伸、側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)。胸椎的小關(guān)節(jié)面與冠狀面呈20°，與水平面呈60°，允許側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)和一定程度上的屈伸。腰椎小關(guān)節(jié)面與冠狀面呈45°，與水平面垂直，允許前屈、后伸、側(cè)彎，限制過(guò)度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。承載能力：腰椎小關(guān)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(shì)而異。當(dāng)腰椎處在最大前屈位時(shí)，其小關(guān)節(jié)承受了約90％的張力但并不承受壓應(yīng)力；腰椎后伸至最大限度時(shí)小關(guān)節(jié)承受的壓應(yīng)力占33％。當(dāng)腰椎承受剪切應(yīng)力時(shí)，由于椎間盤的蠕變和松弛特性，可有效抵抗載荷，故小關(guān)節(jié)承受剪切應(yīng)力明顯加大，承載比例可達(dá)45％，與椎間盤大致相等。韌帶生物力學(xué)前縱韌帶和后縱韌帶：脊柱前縱韌帶抗張力能力最強(qiáng)，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(duì)于在屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)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。黃韌帶：呈節(jié)段性，有豐富的彈性纖維。黃韌帶的抗張應(yīng)力為30~50N，在脊柱韌帶中范圍最大。腰椎前屈時(shí)。黃韌帶收到拉伸，彈力纖維被拉長(zhǎng)，處于儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)外力解除后，彈力纖維內(nèi)儲(chǔ)存的能量又會(huì)立即釋放出來(lái)，使其恢復(fù)原狀。腰椎后伸可使黃韌帶松弛，由于預(yù)張力的作用，黃韌帶不會(huì)出現(xiàn)皺著或彎曲凸入椎管。當(dāng)腰椎間盤退變后，長(zhǎng)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(yù)張力消失，造成側(cè)隱窩狹窄。棘上韌帶和棘間韌帶：既起到穩(wěn)定脊柱活動(dòng)的作用，又能加強(qiáng)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(yuǎn)，所以，在脊柱做前屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，棘間部分有較大的變形能力。脊髓的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：當(dāng)脊髓無(wú)軟棘膜包裹時(shí)，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(xué)特性的結(jié)構(gòu)。如除去周圍的神經(jīng)根、齒狀韌帶等組織、將脊髓懸吊起來(lái)，其長(zhǎng)度可因自身重力而延長(zhǎng)10％，此時(shí)若想將其繼續(xù)延長(zhǎng)，可突然出現(xiàn)彈性阻力。位移曲線：脊髓的負(fù)荷-位移曲線有連個(gè)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(chǎn)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20~30N的拉力。脊髓生物力學(xué)特性與組織特性有關(guān)，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。脊柱活動(dòng)與脊髓關(guān)系：椎管長(zhǎng)度的改變總是伴有脊髓的相應(yīng)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70％~75％的長(zhǎng)度變化。生理活動(dòng)的極限部分由脊髓本身的彈性變形完成。脊髓在長(zhǎng)度改變的同時(shí)，同樣伴有橫截面積的變化。神經(jīng)根的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與周圍神經(jīng)不同，脊髓神經(jīng)根只在近脊神經(jīng)節(jié)處才有一層神經(jīng)外膜，而外周神經(jīng)