脊柱生物力学及脊柱基本结构

脊柱生物力学上海大学应用数学和力学研究所张涵15820323常见脊柱损伤和疾病主要内容脊柱结构与组成脊柱力学性能结论1234脊柱系由多数椎骨、韧带及椎间盘等连接构成的人体中枢支柱。成人的脊柱有26个椎骨,其中包括7个颈椎、12个胸椎、5个腰椎1个骶骨和1个尾(图1),而骶骨系由5节椎体融合而成,尾椎也由3-4节椎体构成。除了第1,2颈椎和骶、尾骨外,各椎骨均由椎体和椎弓组成,椎骨间由椎间盘及韧带连接。脊柱结构由正面看,脊柱直立对称,而由侧面看则有4个生理弯曲,即颈曲、胸曲、腰曲和骶曲。颈曲和腰曲凸面向前,而胸曲和骶曲则凸面朝后。脊柱的基本力学功能包括：①在各种体位支持头颅与躯干,并将其载荷传递至骨盆。②使头颅与躯干能够在三维空间内进行较大范围的生理活动。③保护脊髓以及胸腔、腹腔和盆腔脏器免受损伤。脊柱结构椎骨主要由松质骨构成,外层的皮质为很薄的皮质骨。每个典型椎骨可分为椎体和椎弓两部分。椎体是椎骨负重的部分，由颈椎向下，椎体体积逐渐加大。椎弓由椎弓根和椎弓板组成。椎弓根自椎体两侧的后上端向后突出，构成椎管的侧壁，与椎弓板一起形成椎孔，各个椎孔相连成椎管。椎管内容有脊髓，马尾神经等。椎骨由纤维环，髓核，软骨终板构成。椎间盘亦称椎间关节,是位于椎体之间的一层弹性软组织垫,自第2颈椎至第1骶椎,共有23个,约占脊柱全长的1/4到1/5。依脊柱不同节段的功能不同,其厚薄差异较大,以腰椎间盘最厚,约占椎体高度的1/3—1/4,胸椎间盘最薄,约占椎体高度的1/5。椎间盘纤维环位于髓核的四周，由胶原纤维及纤维软骨组成，是椎间盘最主要的维持负重的组织，与上，下软骨板和脊柱前，后纵韧带紧密相连。层内纤维平行排列,层间纤维的排列方向则相互交叉,相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为±30°。髓核是一种富有弹性的半液体的胶冻状物质，约占椎间盘切面的50%~60%。可随外界压力改变其位置和形状。软骨终板即椎体的上下软骨面，为透明软骨，它构成椎间盘的上下界，覆盖纤维环及髓核，厚度约1mm左右。椎间盘椎间盘的弹性与其含水量的改变有密切关系，当含水量减少时，其弹性减退。椎间盘在受压的状态下，水分可通过软骨板外渗，含水量减少，体积也减小，压力解除后（如夜间睡眠时，水分再次进入椎间盘，含水量增加，体积也增加。有人观察到成人身长在一昼夜相差1%，随着年龄的增长，髓核逐渐发生退行性变，呈脱水状态，弹性减退，因而易受损伤。椎间盘脊柱的韧带主要由胶原纤维、弹性纤维、网状纤维和基质构成。胶原纤维提供韧带的强度和刚度,而弹性纤维则使韧带具有在载荷作用下延伸的能力。韧带腰椎的韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊(韧带)、棘间韧带、棘上韧带和横突间韧带。这些韧带结构与椎间盘、小关节一起保证腰椎的正常生理活动并提供脊柱的内源性稳定。运动脊柱的肌肉有直接和间接两种，直接者一端或两端附着于脊柱，间接者起、止点均不附着于脊柱，但其收缩时可引起脊柱关节的运动。根据各肌所在的位置．可分为位于脊柱前面的前群，位于脊柱外侧的外侧群和位于背侧的后群。其中背侧群肌特别发达而重要。前群肌数量少，肌肉较小，均位于颈段脊柱的前面，计有颈长肌、头长肌、头前直肌和头侧直肌。外侧群在颈部有斜角肌，在腰部有腰大肌、腰小肌和腰方肌。后群肌强大，属于项肌、背上肢肌和背肌。依其位置，可分浅、中、深层。肌肉肌肉脊柱的功能单位(functionalspinalunit,FSU)称为运动节段(motionsegment)包括相邻的两节脊椎及其间的椎间盘、小关节和韧带。其前部由椎间盘和前、后纵韧带构成,相应的椎弓和韧带则组成其后部。活动节段是能够显示与整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位。脊柱运动节段脊柱各椎骨间的运动幅度虽然有限,但整个脊柱的运动范围较大。脊柱的运动有6个自由度,即沿以下三个方向的平移与旋转:①冠状轴(X轴）:屈曲,伸展和左、右侧向平移;②纵轴(Y轴):轴向压缩,轴向牵拉和顺、逆时针旋转；③矢状轴(Z轴):左、右侧屈及前、后平移。脊柱的运动范围共轭现象是指同时发生在同一轴上的平移和旋转运动,或指在一个轴上的旋转或平移运动,同时伴有另一轴的旋转或平移运动的现象。脊柱的共轭现象主要是颈腰椎的共轭现象,一般认为寰枢椎关节有显著的共轭现象,多数学者观察到寰枢关节在纵轴上的轴性旋转总伴有纵轴方向上的平移,认为这与该关节的双凸形状和齿突的方向有关。腰椎也有数种共轭运动形式,最明显的共轭运动之一是侧屈和屈伸活动之间的共轭。脊柱的共轭现象脊柱的稳定结构分为内在稳定结构和外在稳定结构两部分。内在稳定结构是组成脊椎自身的各个结构,支持脊柱稳定的结构包括相邻椎骨及其连接结构(椎间盘、小关节囊及韧带)。外在稳定结构主要是神经肌肉系统。脊柱的稳定性及影响因素依其不同节段的解剖学及生物力学特点而各具特殊性,某一结构的损伤或切除,会导致脊柱承载能力的下降,但不一定造成脊柱的失稳。脊柱的稳定性最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节突）生物力学的研究是100多年前Messerer对椎体强度的测量。早期的生物力学是对椎体抗压强度测试的研究。特别是喷气机驾驶员跳伞时的弹射问题，如何选择合适的加速度方能不致于造成脊柱损伤，促进了这一问题的深入研究。我国学者杨企文等对中国人的椎体在准静态条件下的压载极限作了测定椎体的负载研究表明，椎体的强度随着年龄的增长而降低，特别是在40岁以后会明显降低。为了更进一步的研究，我们又将椎体细分为皮质骨壳、松质骨核以及终板来分析。椎体的负载这一变化与椎体松质骨抗压强度的改变基本上是平行的。Lamy等国外学者统计发现有47%的骨折发生在椎弓根,35%发生在关节突间部即峡部。用光弹法所进行的研究也发现以峡部的应力为最大,因此认为临床上所见的椎弓峡部破断可能系由应力性损伤所致。Hutton等观察到腰椎前屈位时疲劳实验的破坏部位在椎弓的峡部。椎弓的负载椎弓的后下方伸出下关节突,被下一节腰椎所伸出的上关节突所环抱,再与上关节囊一起构成小关节。小关节承受压缩载荷的能力不及前部的椎体和椎间盘。根据Nachemson所作髓核内压测定结果,小关节承受压载占18%,king等的研究则表明,小关节的承载比例依姿势不同而异,最大后伸位时高达33%,而最大前屈位时可降至零。特别是Yang等还指出,在椎间盘发生退行性改变后,小关节承载将进一步加大。Dai等发现,随着小关节被切除的增加,腰椎活动节段的极限压载也逐渐下降。椎弓的负载1964年Nachemeson等用一种连接传感器的探针实验获得了不同姿势下腰椎间盘髓核压力的数据。1999年Wilke等也在活体上用弹性压力传感器测得了日常生活中的椎间盘髓核的压力。获得的结果与前者有不小差异。椎间盘的负载椎间盘结构复杂，髓核内压不能完全反应椎间盘负载。脊柱运动损伤脊柱运动损伤在一些体育比赛中，例如举重，摔跤和橄榄球等，当外来的巨大暴力作用于运动员脊柱时将导致脊柱骨折或者脱位，使脊柱失去了对脊髓的保护作用，甚至脊柱骨折脱位后造成脊髓压迫，导致脊髓功能损伤。我国著名的运动员桑兰以及扮演超人的美国著名男演员克里斯托弗就是由于在运动中不慎头颈着地，颈椎骨折脱位导致急性脊髓损伤出现四肢瘫痪的。随着安全带和安全气囊在车辆中的广泛使用，头部和胸部在交通事故中的损伤概率和损伤程度减小，而颈部的损伤概率却呈上升趋势。各种交通事故引起的损伤中,后碰撞所导致的颈部损伤（挥鞭伤）占较大比例,在没有威胁到生命的前提下,颈部损伤是破坏性的。85%以上的挥鞭样损伤系发生于低速(7mile/h―20mile/h)追尾交通事故中。机械震荡分析得出，8mile/h的后部碰撞，能在300ms甚至更短时间，使车体产生2G加速度，头部产生5G加速度。脊柱运动（碰撞）损伤脊柱运动（碰撞）损伤•HANSdevice头颈保护装置•车辆碰撞试验脊柱运动（碰撞）损伤常见脊柱疾病颈椎病劲椎病是指劲椎间盘退行性改变及其继发性椎间节退行性变，所致邻近组织（脊髓，神经根，椎脉和交感神经）受累而引起的相应的症状和体征。头痛，头晕，失眠，恶心，肩膀酸痛视力下降，背部酸痛等症状常见脊柱疾病椎间盘突出症由于椎间盘各组成部分（髓核、纤维环、软骨板）发生不同程度的退行性病变后或在外界因素的作用下，椎间盘的纤维环破裂，髓核组织从破裂之处突出（或脱出）于后（侧）方或椎管内，从而导致相邻的组织，如脊神经根和脊髓等受到刺激或压迫，产生颈、肩、腰腿痛，麻木等一系列临床症状。常见脊柱疾病椎间盘突出症髓核的脱出是在椎间盘退行性变的基础上，多种诱因使椎间盘压力增高，致使呈游离状态的髓核穿过退变薄化的纤维环进入椎管前方或穿过椎板侵入椎体边缘而产生症状。退行性病变：随时间流失，年龄增长，人体各部位出现不同的衰退。常见脊柱疾病强直性脊柱炎强制性脊柱炎（AS）是以中轴关节包括骶髂关节，肋椎关节及周围组织的慢性炎症为主，原因不明的全身性疾病。骨性融合及附近韧带钙化形成脊柱强直，发病率一般为0.1%~0.3%，多为男性，发病高峰在15~35岁。病理表现主要是肌腱，韧带，骨附着部的滑膜非特异性炎症。在生物医学方面，国外学者Brekelmans等和Rybick等在1972年第一次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究。Belytschko等在1974年首次将有限元用于脊柱生物力学的分析。有限元法研究脊柱生物力学目前建立有限元模型主要通过几何建模、三维坐标仪建模和图像建模。图像建模是目前临床生物力学研究常用的建模方法，一般是通过CT、MRI获取标本的图像资料，并将其生成有限元建模所需的文件流，将文件流输入到相配套的软件得到有限元模型。有限元法研究脊柱生物力学有限元法研究脊柱生物力学有限元法研究脊柱生物力学有限元法研究脊柱生物力学建模3步1.建立对象的几何模型，通过软件转换为有限元模型。2.赋予模型材料的性质。3.确定有限元仿真分析的边界条件。有限元法研究脊柱生物力学有限元可以研究颈椎撞击损伤机制,可以模拟类似交通事故或运动等撞击场景,动态和静态分析不同方向、不同速度的力撞击颈椎的作用,分析椎体和椎间盘的应力,韧带和关节囊的张力,分析可能造成的损伤。由于碰撞试验的不可活体实验性，利用有限元分析就显得尤为重要。脊柱退行性病变有限元分析脊髓损伤的有限元分析非外伤性颈椎疾病的有限元分析人工植入物和内固定器械的优化设计及性能评价一是可以指导内固定器械的设计,对新型内固定器械进行生物力学评价.二是有限元方法可以对内固定器械的生物力学进行分析,很多学者应用有限元的方法,分析不同的内固定在体内的稳定性、活动度、应力等,让我们对内固定器械的生物力学有了更加详细的了解,如可以评价不同人工椎间盘的生物力学情况,分析钢板螺钉角度对内固定稳定性的影响等。指导，评价手术及内固定有限元法研究脊柱生物力学有限元法研究脊柱生物力学有限元法研究脊柱生物力学有限元法研究脊柱生物力学保护脊柱颈腰椎病趋于年轻化在日常生活中，尤其是腰椎疾病患者和中老年人要注意运动和姿势改变时动作要轻缓，幅度不可过大，尽量保持腰椎的曲度不变，以避免产生较高的负载。不要长期伏案不要长期久坐不要跷二郎腿不要睡太软的床坚持运动，锻炼腰椎周围的肌肉。