脊柱的生物力學 課件

脊柱的生物力學CHENLONGFUINTRODUCTION脊柱的生物力學涉及范圍非常廣泛，脊柱結(jié)構(gòu)、運動、損傷、固定等方面的生物力學研究有助于解釋脊柱相關的生理、病理以及對臨床治療方法、臨床器械的設計研究與發(fā)展有著重要的指導意義。脊柱的結(jié)構(gòu)脊柱的結(jié)構(gòu)復雜，由7塊頸椎、12塊胸椎、5塊腰椎及骶骨、尾骨各一塊組成，通過椎間盤和強健的韌帶連接在一起，其主要功能為保護脊髓，并將載荷從頭脊柱傳遞到骨盆。具有活動性能的各椎體間互相形成關節(jié)，能在三個平面上運動。脊椎的穩(wěn)定性由韌帶、椎間盤、肌肉共同協(xié)調(diào)維持。一、椎骨的生物力學

最早關于人類椎骨（椎體、椎弓、關節(jié)突）生物力學的研究是Messerer對椎體強度的測量。（一）椎體的生物力學早期的生物力學研究是對椎體抗壓強度的測試。當時噴氣機飛行員彈射如何選擇合適的加速度才不造成脊柱損傷，促進了生物力學的深入研究。研究表明，椎體的強度隨著年齡的增長而降低，特別是在40歲以后會明顯降低。抗壓強度（一）椎體的生物力學為了更進一步的研究，我們又將椎體細分為皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨核以及終板來分析。1、皮質(zhì)骨殼

椎體的主要負載部位是皮質(zhì)骨殼還是松質(zhì)骨核？2、松質(zhì)骨核在對椎體松質(zhì)骨強度測試中，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9.5%，而相應的皮質(zhì)骨的形變率還不足2%；說明椎體損傷首先發(fā)生皮質(zhì)骨斷裂，而不是松質(zhì)骨的顯微骨折。3、終板無蛻變的椎間盤受壓，在髓核內(nèi)產(chǎn)生壓力，終板的中心部位受壓（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)進行的三種椎弓載荷方式表明，大部分斷裂發(fā)生在椎弓根。椎弓根的強度與性別及椎間盤的蛻變與否關系不大，但會隨著年齡的增長而減退。（二）椎弓椎弓不同加載方式的斷裂載荷二、椎間盤椎間盤為一密閉性彈性墊，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。椎間盤的生物力學特性1、受壓的特性在脊柱的運動節(jié)段壓縮試驗中，首先發(fā)生破壞的是椎體而不是椎間盤。這說明，臨床上的椎間盤脫出不只是由于受壓，更主要的原因是椎間盤內(nèi)應力分布不均勻。椎間盤的生物力學特性2、受拉的特性在不同方向的載荷作用下，椎間盤都受張應力作用。椎間盤的生物力學特性3、受彎的特性彎曲和扭轉(zhuǎn)暴力是椎間盤受損傷的主要原因。通過造影證實，在脊術(shù)的屈伸活動中，髓核并不改變其形狀及位置。椎間盤的生物力學特性4、受扭的特性在脊柱運動節(jié)段軸向受扭轉(zhuǎn)的實驗中發(fā)現(xiàn)，扭矩和轉(zhuǎn)角變形之間的關系曲線呈“S”形。其中3°-12°的扭轉(zhuǎn)部分，扭矩與轉(zhuǎn)角之間存在線性關系。椎間盤的生物力學特性6、松弛和蠕變椎間盤在受載荷時有松弛和蠕變現(xiàn)象。蠕變的特點與椎間盤的蛻變程度有關，沒有蛻變的椎間盤蠕變很慢，經(jīng)過相當長的時間也能達到最大變形。蛻變的椎間盤則相反。這表明蛻變的椎間盤吸收沖擊的能力減退，也不能將沖擊均勻地分布到終板。椎間盤的生物力學特性無蛻變的椎間盤（0度）需要相對長的時間性而達到較小變形椎間盤的生物力學特性滯后載荷越大，滯后越大；隨著年齡的增大其逐漸減小。同一椎間盤在第二次加載后的滯后比第一次加載時下降，這表明反復沖擊載荷對椎間盤有損害。椎間盤的生物力學特性8、疲勞的耐受活體椎間盤的疲勞耐受能力尚不清楚。離體脊柱運動節(jié)段疲勞試驗（施加一個很小的軸向持續(xù)載荷，向前反復屈曲5度，屈曲200次時椎間盤出現(xiàn)破壞跡象，屈曲1000次時完全破壞）。個人認為，加載負荷開始椎間盤纖維就有微細結(jié)構(gòu)的改變。椎間盤的生物力學特性9、椎間盤內(nèi)壓無論離體還是在體的椎間盤內(nèi)壓測試都是很困難的。Nachemson等首先利用髓核的液態(tài)性做為載荷的傳導體，用一個脊柱運動節(jié)段來做離體測試，發(fā)現(xiàn)髓核內(nèi)壓與軸向加載有直接關系。椎間盤的生物力學特性10、自動封閉現(xiàn)象由于椎間盤缺乏直接的血液供應，損傷后通過一種特殊的方式—“自動封閉”來修復。椎間盤的生物力學特性單純纖維環(huán)損傷的標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。脊柱韌帶的生物力學特性脊柱韌帶有固定相鄰椎體，保證脊柱生理運動，保護脊髓等功能。前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶等都具有相同的生物力學特點，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。韌帶的力學強度隨著年齡的增加而降低，同時吸收能量的能力也下降。Finiteelement可將其用于脊柱生物力學研究，揭示損傷機理及評估椎間盤的材料特性；有限元模型有助于臨床評估，對新理論的建立，臨床器械的研制有不可估量的指導作用。Finiteelement

A3-DFiniteElementModeloftheL2-L3DiscoftheHumanLumbarSpine