脊柱生物力學與脊柱基本結(jié)構(gòu)

常見脊柱損傷和疾病主要內(nèi)容脊柱結(jié)構(gòu)與組成脊柱力學性能結(jié)論1234第一頁，共39頁。脊柱系由多數(shù)椎骨、韌帶及椎間盤等連接構(gòu)成的人體中樞支柱。

成人的脊柱有26個椎骨,其中包括7個頸椎、12個胸椎、5個腰椎1個骶骨和1個尾(圖1),而骶骨系由5節(jié)椎體融合而成,尾椎也由3-4節(jié)椎體構(gòu)成。

除了第1,2頸椎和骶、尾骨外,各椎骨均由椎體和椎弓組成,椎骨間由椎間盤及韌帶連接。

脊柱結(jié)構(gòu)第二頁，共39頁。由正面看,脊柱直立對稱,而由側(cè)面看則有4個生理彎曲,即頸曲、胸曲、腰曲和骶曲。頸曲和腰曲凸面向前,而胸曲和骶曲則凸面朝后。

脊柱的基本力學功能包括：

①在各種體位支持頭顱與軀干,并將其載荷傳遞至骨盆。

②使頭顱與軀干能夠在三維空間內(nèi)進行較大范圍的生理活動。

③保護脊髓以及胸腔、腹腔和盆腔臟器免受損傷。

脊柱結(jié)構(gòu)第三頁，共39頁。椎骨主要由松質(zhì)骨構(gòu)成,外層的皮質(zhì)為很薄的皮質(zhì)骨。

每個典型椎骨可分為椎體和椎弓兩部分。

椎體是椎骨負重的部分，由頸椎向下，椎體體積逐漸加大。

椎弓由椎弓根和椎弓板組成。椎弓根自椎體兩側(cè)的后上端向后突出，構(gòu)成椎管的側(cè)壁，與椎弓板一起形成椎孔，各個椎孔相連成椎管。椎管內(nèi)容有脊髓，馬尾神經(jīng)等。

椎骨第四頁，共39頁。

由纖維環(huán)，髓核，軟骨終板構(gòu)成。

椎間盤亦稱椎間關(guān)節(jié),是位于椎體之間的一層彈性軟組織墊,自第2頸椎至第1骶椎,共有23個,約占脊柱全長的1/4到1/5。依脊柱不同節(jié)段的功能不同,其厚薄差異較大,以腰椎間盤最厚,約占椎體高度的1/3—1/4,胸椎間盤最薄,約占椎體高度的1/5。

椎間盤第五頁，共39頁。

纖維環(huán)位于髓核的四周，由膠原纖維及纖維軟骨組成，是椎間盤最主要的維持負重的組織，與上，下軟骨板和脊柱前，后縱韌帶緊密相連。層內(nèi)纖維平行排列,層間纖維的排列方向則相互交叉,相鄰兩層纖維與椎間盤平面的夾角為±30°。

髓核是一種富有彈性的半液體的膠凍狀物質(zhì)，約占椎間盤切面的50%~60%。可隨外界壓力改變其位置和形狀。

軟骨終板即椎體的上下軟骨面，為透明軟骨，它構(gòu)成椎間盤的上下界，覆蓋纖維環(huán)及髓核，厚度約1mm左右。

椎間盤第六頁，共39頁。椎間盤的彈性與其含水量的改變有密切關(guān)系，當含水量減少時，其彈性減退。椎間盤在受壓的狀態(tài)下，水分可通過軟骨板外滲，含水量減少，體積也減小，壓力解除后（如夜間睡眠時，水分再次進入椎間盤，含水量增加，體積也增加。有人觀察到成人身長在一晝夜相差1%，隨著年齡的增長，髓核逐漸發(fā)生退行性變，呈脫水狀態(tài)，彈性減退，因而易受損傷。

椎間盤第七頁，共39頁。脊柱的韌帶主要由膠原纖維、彈性纖維、網(wǎng)狀纖維和基質(zhì)構(gòu)成。膠原纖維提供韌帶的強度和剛度,而彈性纖維則使韌帶具有在載荷作用下延伸的能力。

韌帶腰椎的韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、關(guān)節(jié)囊(韌帶)、棘間韌帶、棘上韌帶和橫突間韌帶。這些韌帶結(jié)構(gòu)與椎間盤、小關(guān)節(jié)一起保證腰椎的正常生理活動并提供脊柱的內(nèi)源性穩(wěn)定。第八頁，共39頁。運動脊柱的肌肉有直接和間接兩種，直接者一端或兩端附著于脊柱，間接者起、止點均不附著于脊柱，但其收縮時可引起脊柱關(guān)節(jié)的運動。根據(jù)各肌所在的位置．可分為位于脊柱前面的前群，位于脊柱外側(cè)的外側(cè)群和位于背側(cè)的后群。其中背側(cè)群肌特別發(fā)達而重要。

前群肌數(shù)量少，肌肉較小，均位于頸段脊柱的前面，計有頸長肌、頭長肌、頭前直肌和頭側(cè)直肌。

外側(cè)群在頸部有斜角肌，在腰部有腰大肌、腰小肌和腰方肌。

后群肌強大，屬于項肌、背上肢肌和背肌。依其位置，可分淺、中、深層。肌肉第九頁，共39頁。肌肉第十頁，共39頁。脊柱的功能單位(functionalspinalunit,FSU)稱為運動節(jié)段(motionsegment)

包括相鄰的兩節(jié)脊椎及其間的椎間盤、小關(guān)節(jié)和韌帶。其前部由椎間盤和前、后縱韌帶構(gòu)成,相應的椎弓和韌帶則組成其后部。

活動節(jié)段是能夠顯示與整個脊柱

相似的生物力學特性的最小功能

單位。

脊柱運動節(jié)段第十一頁，共39頁。脊柱各椎骨間的運動幅度雖然有限,但整個脊柱的運動范圍較大。

脊柱的運動有6個自由度,即沿以下三個方向的平移與旋轉(zhuǎn):

①冠狀軸(X軸）:屈曲,伸展和左、右側(cè)向平移;

②縱軸(Y軸):軸向壓縮,軸向牽拉和順、逆時針旋轉(zhuǎn)；

③矢狀軸(Z軸):左、右側(cè)屈及前、后平移。

脊柱的運動范圍第十二頁，共39頁。共軛現(xiàn)象是指同時發(fā)生在同一軸上的平移和旋轉(zhuǎn)運動,或指在一個軸上的旋轉(zhuǎn)或平移運動,同時伴有另一軸的旋轉(zhuǎn)或平移運動的現(xiàn)象。

脊柱的共軛現(xiàn)象主要是頸腰椎的共軛現(xiàn)象,一般認為寰樞椎關(guān)節(jié)有顯著的共軛現(xiàn)象,多數(shù)學者觀察到寰樞關(guān)節(jié)在縱軸上的軸性旋轉(zhuǎn)總伴有縱軸方向上的平移,認為這與該關(guān)節(jié)的雙凸形狀和齒突的方向有關(guān)。

腰椎也有數(shù)種共軛運動形式,最明顯的共軛運動之一是側(cè)屈和屈伸活動之間的共軛。

脊柱的共軛現(xiàn)象第十三頁，共39頁。脊柱的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分為內(nèi)在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和外在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)兩部分。

內(nèi)在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是組成脊椎自身的各個結(jié)構(gòu),支持脊柱穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)包括相鄰椎骨及其連接結(jié)構(gòu)(椎間盤、小關(guān)節(jié)囊及韌帶)。

外在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)主要是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)。

脊柱的穩(wěn)定性及影響因素依其不同節(jié)段的解剖學及生物力學特點而各具特殊性,某一結(jié)構(gòu)的損傷或切除,會導致脊柱承載能力的下降,但不一定造成脊柱的失穩(wěn)。

脊柱的穩(wěn)定性第十四頁，共39頁。最早關(guān)于人類椎骨（椎體、椎弓、關(guān)節(jié)突）生物力學的研究是100多年前Messerer對椎體強度的測量。

早期的生物力學是對椎體抗壓強度測試的研究。特別是噴氣機駕駛員跳傘時的彈射問題，如何選擇合適的加速度方能不致于造成脊柱損傷，促進了這一問題的深入研究。

我國學者楊企文等對中國人的椎體在準靜態(tài)條件下的壓載極限作了測定

椎體的負載第十五頁，共39頁。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。

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。

椎體的負載這一變化與椎體松質(zhì)骨抗壓強度的改變基本上是平行的。第十六頁，共39頁。

Lamy等國外學者統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)有47%的骨折發(fā)生在椎弓根,35%發(fā)生在關(guān)節(jié)突間部即峽部。

用光彈法所進行的研究

也發(fā)現(xiàn)以峽部的應力為

最大,因此認為臨床上

所見的椎弓峽部破斷可

能系由應力性損傷所致。

Hutton等觀察到腰椎前屈位時疲勞實驗的破壞部位在椎弓的峽部。

椎弓的負載第十七頁，共39頁。椎弓的后下方伸出下關(guān)節(jié)突,被下一節(jié)腰椎所伸出的上關(guān)節(jié)突所環(huán)抱,再與上關(guān)節(jié)囊一起構(gòu)成小關(guān)節(jié)。

小關(guān)節(jié)承受壓縮載荷的能力不及前部的椎體和椎間盤。

根據(jù)Nachemson所作髓核內(nèi)壓測定結(jié)果,小關(guān)節(jié)承受壓載占18%,king等的研究則表明,小關(guān)節(jié)的承載比例依姿勢不同而異,最大后伸位時高達33%,而最大前屈位時可降至零。特別是Yang等還指出,在椎間盤發(fā)生退行性改變后,小關(guān)節(jié)承載將進一步加大。Dai等發(fā)現(xiàn),隨著小關(guān)節(jié)被切除的增加,腰椎活動節(jié)段的極限壓載也逐漸下降。

椎弓的負載第十八頁，共39頁。1964年Nachemeson等用一種連接傳感器的探針實驗獲得了不同姿勢下腰椎間盤髓核壓力的數(shù)據(jù)。

1999年Wilke等也在活體上用彈性壓力傳感器測得了日常生活中的椎間盤髓核的壓力。獲得的結(jié)果與前者有不小差異。

椎間盤的負載椎間盤結(jié)構(gòu)復雜，髓核內(nèi)壓不能完全反應椎間盤負載。第十九頁，共39頁。

脊柱運動損傷第二十頁，共39頁。

脊柱運動損傷

在一些體育比賽中，例如舉重，摔跤和橄欖球等，當外來的巨大暴力作用于運動員脊柱時將導致脊柱骨折或者脫位，使脊柱失去了對脊髓的保護作用，甚至脊柱骨折脫位后造成脊髓壓迫，導致脊髓功能損傷。我國著名的運動員桑蘭以及扮演"超人"的美國著名男演員克里斯托弗就是由于在運動中不慎頭頸著地，頸椎骨折脫位導致急性脊髓損傷出現(xiàn)四肢癱瘓的。第二十一頁，共39頁。隨著安全帶和安全氣囊在車輛中的廣泛使用，頭部和胸部在交通事故中的損傷概率和損傷程度減小，而頸部的損傷概率卻呈上升趨勢。

各種交通事故引起的損傷中,后碰撞所導致的頸部損傷（揮鞭傷）占較大比例,在沒有威脅到生命的前提下,頸部損傷是破壞性的。

85%以上的揮鞭樣損傷系發(fā)生于低速(7mile/h―20mile/h)追尾交通事故中。機械震蕩分析得出，8mile/h的后部碰撞，能在300ms甚至更短時間，使車體產(chǎn)生2G加速度，頭部產(chǎn)生5G加速度。

脊柱運動（碰撞）損傷第二十二頁，共39頁。

脊柱運動（碰撞）損傷HANSdevice

頭頸保護裝置車輛碰撞試驗第二十三頁，共39頁。

脊柱運動（碰撞）損傷第二十四頁，共39頁。常見脊柱疾病頸椎病勁椎病是指勁椎間盤退行性改變及其繼發(fā)性椎間節(jié)退行性變，所致鄰近組織（脊髓，神經(jīng)根，椎脈和交感神經(jīng)）受累而引起的相應的癥狀和體征。頭痛，頭暈，失眠，惡心，肩膀酸痛視力下降，背部酸痛等癥狀第二十五頁，共39頁。常見脊柱疾病椎間盤突出癥由于椎間盤各組成部分（髓核、纖維環(huán)、軟骨板）發(fā)生不同程度的退行性病變后或在外界因素的作用下，椎間盤的纖維環(huán)破裂，髓核組織從破裂之處突出（或脫出）于后（側(cè)）方或椎管內(nèi)，從而導致相鄰的組織，如脊神經(jīng)根和脊髓等受到刺激或壓迫，產(chǎn)生頸、肩、腰腿痛，麻木等一系列臨床癥狀。第二十六頁，共39頁。常見脊柱疾病椎間盤突出癥髓核的脫出是在椎間盤退行性變的基礎(chǔ)上，多種誘因使椎間盤壓力增高，致使呈游離狀態(tài)的髓核穿過退變薄化的纖維環(huán)進入椎管前方或穿過椎板侵入椎體邊緣而產(chǎn)生癥狀。

退行性病變：隨時間流失，年齡增長，人體各部位出現(xiàn)不同的衰退。第二十七頁，共39頁。常見脊柱疾病強直性脊柱炎強制性脊柱炎（AS）是以中軸關(guān)節(jié)包括骶髂關(guān)節(jié)，肋椎關(guān)節(jié)及周圍組織的慢性炎癥為主，原因不明的全身性疾病。骨性融合及附近韌帶鈣化形成脊柱強直，發(fā)病率一般為0.1%~0.3%，多為男性，發(fā)病高峰在15~35歲。病理表現(xiàn)主要是肌腱，韌帶，骨附著部的滑膜非特異性炎癥。第二十八頁，共39頁。在生物醫(yī)學方面，國外學者Brekelmans等和Rybick等在1972年第一次將有限元方法應用于骨科生物力學的研究。

Belytschko等在1974年首次將有限元用于脊柱生物力學的分析。

有限元法研究脊柱生物力學第二十九頁，共39頁。

目前建立有限元模型主要通過幾何建模、三維坐標儀建模和圖像建模。

圖像建模是目前臨床生物

力學研究常用的建模方法，

一般是通過CT、MRI獲取標

本的圖像資料，并將其生

成有限元建模所需的文件

流，將文件流輸入到相配

套的軟件得到有限元模型。

有限元法研究脊柱生物力學第三十頁，共39頁。

有限元法研究脊柱生物力學第三十一頁，共39頁。

有限元法研究脊柱生物力學第三十二頁，共39頁。

有限元法研究脊柱生物力學建模3步建立對象的幾何模型，通過軟件轉(zhuǎn)換為有限元模型。賦予模型材料的性質(zhì)。

確定有限元仿真分析的邊界條件。第三十三頁，共39頁。

有限元法研究脊柱生物力學有限元可以研究頸椎撞擊損傷機制,可以模擬類似交通事故或運動等撞擊場景,動態(tài)和靜態(tài)分析不同方向、不同速度的力撞擊頸椎的作用,分析椎體和椎間盤的應力,韌帶和關(guān)節(jié)囊的張力,分析可能造成的損傷。由于碰撞試驗的不可活體實驗性，利用有限元分析就顯得尤為重要。第三十四頁，共39頁。脊柱退行性病變有限元分析

脊髓損傷的有限元分析

非外傷性頸椎疾病的有限元分析

人工植入物和內(nèi)固定器械的優(yōu)化設(shè)計及性能評價

一是可以指導內(nèi)固定器械的設(shè)計,對新型內(nèi)固定器械進行生物力學評價.二是有限元方法可以對內(nèi)固定器械的生物力學進行分析,很多學者應用有限元的方法,分析不同的內(nèi)固定在體內(nèi)的穩(wěn)定性、活動度、應力等,讓我們對內(nèi)固定器械的生物力學有了更加詳細的了解,如可以評價不同人工椎間盤的生物力學情況,分析鋼板螺釘角度對內(nèi)固定穩(wěn)定性的