脊柱的生物力學

脊柱的生物力學第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四人體脊柱實質(zhì)上是一個通過：杠桿運動軸操縱的力學復合體結構致動體限制體這個力學復合體不僅柔韌性好、運動范圍廣，而且非常堅固穩(wěn)定。第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四?

作為一個力學結構，脊柱有以下特點：脊柱矢狀面的正常曲度使得脊柱靈活運動、承載軸向負荷的同時維持相應的強度及站立姿勢的穩(wěn)定性。矢狀面曲度的改變會很大程度上影響脊柱的力學行為。第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四?

椎體承載軀干及上肢主要的軸向負荷，椎體所須承載的重量從頭端到尾端逐漸增加，椎體本身也逐漸增大。脊柱后方的肌肉群產(chǎn)生“張力作用”，用來維持直立姿勢及保持人體矢狀面和冠狀面的平衡，這些肌肉群被稱為“張力帶”。任何前柱或后柱的破壞及疾病均可打破脊柱在骨盆及髖關節(jié)上的平衡，導致后方肌肉群的疲勞和疼痛。同樣后方肌肉群的損傷及疾患也可使脊柱失去矢狀面的平衡。第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四?

椎體組成脊柱的前柱，承載80%的軸向負荷（體重）。后方結構（主要是關節(jié)突關節(jié)）組成脊柱后柱，向下肢傳遞20%的軸向負荷．第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四脊柱平衡的概念

正常脊柱在骨盆和股骨頭上保持平衡時，僅需要肌肉最少量的做功以維持直立姿勢。多數(shù)脊柱疾患可影響脊柱矢狀面的平衡，從而增加脊柱肌肉負荷，產(chǎn)生肌肉疲勞和背痛。

第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四懷孕使身體重心前移，腰椎前凸增加以維持脊柱平衡。

人體重心前移可增加脊柱后方肌肉負荷，是導致矢狀面失衡的主要原因。第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四通常在前柱缺損而失去結構上的支撐時發(fā)生脊柱矢狀面的失衡。例如：椎體腫瘤或骨折破壞椎體結構完整性，使得椎體塌陷導致病變節(jié)段上方的脊柱過度后凸。另外下腰椎多個間盤的退變可以改變其前高后低的楔形外觀，哪怕是細微的改變也可以帶來明顯后凸。如果前柱正常，很少因后方張力帶薄弱而出現(xiàn)矢狀面失衡。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四我們從整體、區(qū)域和局部三方面評價脊柱的平衡，它們雖然不同但彼此相關。從整體角度看脊柱包括顱骨、骨盆、髖關節(jié)及髖部肌肉，應特別注意到，骶骨的位置及傾斜度與脊柱整體平衡密切相關。脊柱可以分為以下幾個區(qū)域：頸段、頸胸段、胸段、胸腰段和腰段。另外，相鄰的幾個運動節(jié)段也可組成一個運動區(qū)域。脊柱的局部往往指一個運動節(jié)段。第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四脊柱失平衡多數(shù)脊柱疾患可影響脊柱矢狀面的平衡，從而增加脊柱肌肉負荷，產(chǎn)生肌肉疲勞和背痛。人體重心前移可增加脊柱后方肌肉負荷，是導致矢狀面失衡的主要原因。頭部位于骨盆前方時喪失矢狀面的平衡，為維持直立姿勢脊柱后方的肌肉拉力增加。第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四通常在前柱缺損而失去結構上的支撐時發(fā)生脊柱矢狀面的失衡。例如：椎體腫瘤或骨折破壞椎體結構完整性，使得椎體塌陷導致病變節(jié)段上方的脊柱過度后凸。另外下腰椎多個間盤的退變可以改變其前高后低的楔形外觀，哪怕是細微的改變也可以帶來明顯后凸。第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四所有這些疾病可導致脊柱和軀干前屈，頭部位于髖的前方，這樣脊柱后方肌肉為維持直立姿勢必須做更多的功。其他代償機制如膝關節(jié)屈曲和拖曳步態(tài)，目的都是為了維持直立姿勢的同時減輕脊柱肌肉負荷。總之，脊柱矢狀面的失衡是脊柱疾患的主要后果，這一點非常重要，但經(jīng)常被忽視，所以骨科醫(yī)師在治療脊柱疾病時必須強調(diào)維持脊柱矢狀面的平衡。第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四

脊柱冠狀面的失衡經(jīng)常發(fā)生在脊柱側彎的病人，也可發(fā)生在脊柱創(chuàng)傷、腫瘤及下肢不等長的病人身上。外科醫(yī)師在脊柱手術中應特別重視使頭部和雙肩的中心位于骨盆中線上。骨盆與肩關節(jié)不平行使得脊柱冠狀面平衡，脊柱產(chǎn)生代償性彎曲。

第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四運動節(jié)段

運動節(jié)段是脊柱基本功能單位，是脊柱的最小單元，但是卻體現(xiàn)出整個脊柱所具有的生物力學特點。一個運動節(jié)段包括相鄰兩個椎體、椎間盤、關節(jié)囊包裹的小關節(jié)和相連的韌帶。盡管脊柱的肌肉不包括在運動節(jié)段內(nèi)，但它們對運動節(jié)段功能的發(fā)揮致關重要。運動節(jié)段，后面觀運動節(jié)段，前面觀第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四脊柱的各個運動節(jié)段通過以下機制彼此連接起來:運動節(jié)段作用機制：?

運動軸：椎間盤及小關節(jié)；圍繞它們的軸可作旋轉運動。?

杠桿：椎體和其上的骨性突起；是致動體的附著點。?

致動體：指與運動節(jié)段接觸的前方和后方的肌肉，是脊柱功能單位的運動控制結構。?

限制體：運動節(jié)段的韌帶，用以維持脊柱的穩(wěn)定，將運動節(jié)段的活動限制在正常范圍。第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四簡而言之，運動節(jié)段的運動是這樣產(chǎn)生的：肌肉收縮推動椎體上的杠桿，作以椎間盤及小關節(jié)為軸的旋轉運動，韌帶組織提供穩(wěn)定性，限制運動節(jié)段在生理范圍內(nèi)運動。盡管每一運動節(jié)段只有有限的運動范圍，但所有運動節(jié)段彼此疊加，脊柱就具有很大的屈曲性和廣泛的運動范圍。

第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四脊柱機械性不穩(wěn)定脊柱外科醫(yī)生對何種情況下脊柱是不穩(wěn)定的各持己見。在生理負荷下，正常脊柱有兩個很重要的特征：

限制脊柱結構位移以保證神經(jīng)組織不受損傷或刺激。

2.維持結構完整，防止嚴重畸形的發(fā)展和疲勞性疼痛的出現(xiàn)。因此如果脊柱因結構移位導致已經(jīng)出現(xiàn)的或潛在的神經(jīng)損傷及因無法承擔生理負荷而出現(xiàn)疼痛畸形時，脊柱出現(xiàn)不穩(wěn)定。在嚴重的病例，這兩種情況可同時出現(xiàn)。第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四多種原因可導致脊柱不穩(wěn)定，包括創(chuàng)傷、腫瘤、代謝異常、退變及椎體滑移，椎體、椎間盤和韌帶的損傷是脊柱不穩(wěn)定的常見原因。例如：腫瘤破壞椎體后，它無法承載正常的軸向負荷，導致椎體塌陷形成后凸畸形，此時可伴有或沒有疼痛。這種情況也可發(fā)生在因骨質(zhì)疏松引起骨折時，不同的是這時通常伴有明顯疼