脊柱生物力學(xué)

關(guān)于脊柱生物力學(xué)第一頁，共四十頁，2022年，8月28日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。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日脊柱的結(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，通過椎間盤和強(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、肌肉共同協(xié)調(diào)維持。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日脊柱的功能單位脊柱的功能單位也稱功能單元，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。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日一、椎骨的生物力學(xué)

最早關(guān)于人類椎骨（椎體、椎弓、關(guān)節(jié)突）生物力學(xué)的研究是Messerer對椎體強(qiáng)度的測量。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日（一）椎體的生物力學(xué)

早期的生物力學(xué)研究是對椎體抗壓強(qiáng)度的測試。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)度隨著年齡的增長而降低，特別是在40歲以后會(huì)明顯降低。第六頁，共四十頁，2022年，8月28日抗壓強(qiáng)度第七頁，共四十頁，2022年，8月28日（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？第八頁，共四十頁，2022年，8月28日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第九頁，共四十頁，2022年，8月28日2、松質(zhì)骨核

在對椎體松質(zhì)骨強(qiáng)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(dá)9.5%，而相應(yīng)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。第十頁，共四十頁，2022年，8月28日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，周圍型，全板斷裂型。

A.中心型在沒有蛻變的椎間盤中最多見。

B.周圍型多見于有蛻變的椎間盤。

C.全板斷裂多發(fā)生于高載荷時(shí)。第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日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第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日3、終板蛻變的椎間盤由纖維環(huán)傳遞壓力，終板邊緣承受載荷第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日（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)度與性別及椎間盤的蛻變與否關(guān)系不大，但會(huì)隨著年齡的增長而減退。第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日（二）椎弓

椎弓不同加載方式的斷裂載荷第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日二、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。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(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。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(yīng)力分布不均勻。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性2、受拉的特性在不同方向的載荷作用下，椎間盤都受張應(yīng)力作用。第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性

對椎間盤的強(qiáng)度測試表明，椎體前后部位的椎間盤強(qiáng)度比兩側(cè)的高。中間的髓核強(qiáng)度最低。椎間盤的纖維環(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。第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性3、受彎的特性彎曲和扭轉(zhuǎn)暴力是椎間盤受損傷的主要原因。通過造影證實(shí)，在脊術(shù)的屈伸活動(dòng)中，髓核并不改變其形狀及位置。第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(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。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性5、受剪的特性椎間盤的水平剪切強(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。第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性6、松弛和蠕變椎間盤在受載荷時(shí)有松弛和蠕變現(xiàn)象。蠕變的特點(diǎn)與椎間盤的蛻變程度有關(guān)，沒有蛻變的椎間盤蠕變很慢，經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間也能達(dá)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。第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性

無蛻變的椎間盤（0度）需要相對長的時(shí)間性而達(dá)到較小變形第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性7、滯后椎間盤和脊椎屬粘彈性體，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、年齡及椎間盤所處位置有關(guān)。第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(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)沖擊載荷對椎間盤有損害。第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)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(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)荷開始椎間盤纖維就有微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)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(dǎo)體，用一個(gè)脊柱運(yùn)動(dòng)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(guān)系。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性Nachemson’sTest示意圖第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(xué)特性10、自動(dòng)封閉現(xiàn)象由于椎間盤缺乏直接的血液供應(yīng)，損傷后通過一種特殊的方式—“自動(dòng)封閉”來修復(fù)。第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日椎間盤的生物力學(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。第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日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。第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日Finiteelement

可將其用于脊柱生物力學(xué)研究，揭示損傷機(jī)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(dǎo)作用。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日Finiteelement

A3-DFiniteElementModeloftheL2-L3DiscoftheHumanLumbarSpine第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日Finiteele