脊柱生物力学与相关疾病

脊柱生物力学与脊柱相关疾病中国中医科学院骨伤科研究所脊柱相关疾病是依中医脏腑相关、表里相关、气血经络相关学说为基础，运用现代临床医学、基础医学、生物力学及生物医学工程学等多学科研究方法，从脊柱力学特性及其效应出发研究脊柱与疾病关系的一门科学。脊柱相关疾病是指由于脊柱力学不平衡而致肌张力失衡，骨关节轻度位移，压迫刺激周围的血管神经，引起身体其他系统的相应症状、体征。发生疾病的脏器或组织均与脊柱相互分离且有各自的功能。一、脊柱生物力学特性二、脊柱的运动三、脊柱损伤四、脊柱失稳五、脊柱畸形六、脊柱疼痛七、常见脊柱相关疾病一、脊柱生物力学特性（一）基本概念力的要素力的效应：速度、变形应力-应变应力集中应力适应空间极化效应结构代偿机能代偿力的概念：力是物体间的作用，这种作用使物体的运动状态和形状发生改变，力的效应用牛顿第一.第二定律和胡克定律表述。牛顿第一定律：任何质点，如果不受力的作用，它将保持静止或匀速直线运动。牛顿第二定律：质点受力所产生的加速度与力成正比，与质点的质量成反比，加速度的方向与力的方向相同。胡克定律：弹性杆件受拉（或受压）时，应力与应变成正比，即：σ＝Ｅεσ为应力（单位面积所受的力），ε为应变（单位长度的伸长或缩短），Ｅ为弹性系数或弹性模量。外力及其分类：1、按分布情况分为体积力和表面力；2、按作用时间分为永久载荷和暂时载荷；3、按作用性质分为静载荷和动载荷。外力作用应力应变破坏骨细胞与成骨细胞活性相同成骨细胞活跃骨生长面积加大σ降低破坏骨细胞活跃骨萎缩面积减小σ增大空间极化效应：空间极化效应是一切生命物质的基本属性。骨的空间极化、效应是指骨细胞的活性在应力作用下的方向性。骨所承受的大部分生理载荷是肌肉的牵拉力，体重的载荷不足肌力载荷的0.3%，这两种力不仅是骨发生畸变的载荷，而且也间接控制着骨细胞活性的空间极化、骨的形状、大小和定位。骨骼的形状取决于周围环境的纵向和横向载荷。这些载荷受以下因素影响：1、肌肉牵拉点和方向；2、肌肉起止是以点的方式还是以面的方式；3、各组肌肉的相对能量；4、正常情况下肌肉的定时收缩。应力集中及其后果：骨折、骨质增生、筋膜肥厚、关节畸形、局部软组织张力增高。显微骨折显微修复再骨折再修复对于内固定系统来讲，灾难性的弯曲、松动、断裂的发生是不可避免的。人体避免应力集中的机制：关节活动、肌肉收缩、结构形状。（二）椎骨的力学特性皮质骨壳、松质骨核、软骨终板、椎弓、关节突（三）椎间盘的力学特性受力与变形、松弛蠕变和滞后、内压与自动封闭（三）椎间连接的力学特性限制运动、吸收能量颈3—颈5椎骨的抗压强度终板的断裂机制A、B：无蜕变的椎间盘受压在髓核内产生压力，终板的中心部受压；C、D：蜕变的椎间盘由纤维环传递压力，终板边缘承受载荷。椎弓的断裂载荷A、B、C代表三个实验中不同的加载方式的断裂载荷。椎间盘的各向异性A：表示纤维环在不同方向的刚度；B：比较纤维环在两个方向的强度。弯曲造成的椎间盘突出，前屈和后伸都在凹侧膨出，而在凸侧椎间盘受拉（1）椎间盘的蠕变行为，无蜕变的间盘（0度）需要相对长的时间达到较小变形（2）承受压缩载荷的无蜕变间盘A：在髓核内产生压力作用于终板和纤维环B：纤维环内应力分布（3）承受压缩载荷的蜕变间盘A：载荷通过纤维环传递B：纤维环内应力分布承载后的间盘内压力A：测量示意图B：测量结果间盘损伤后的生物力学行为A：间盘的三种损伤方式B：载荷—桡度曲线二、脊柱的运动脊柱运动的方向性坐标系统、运动节段、平移、旋转、耦合运动运动脊柱的肌肉结构特点、速度杠杆、力量杠杆、运动方式脊柱的运动方式：主动运动、被动运动、负重运动、辅助被动运动。以骶骨角作原点的直角坐标系以一个运动段的上位椎体为中心的直角坐标系，显示椎体在空间的位移运动的螺旋轴颈椎在矢状面上平移和旋转时，颈曲的曲率半径的大致变化，显示了颈1、4、7在完全屈伸过程中的前后移动颈脊柱运动的重要耦合形式当头颈向右侧弯时，棘突偏向左侧颈脊柱运动的重要耦合形式当头颈向右侧弯时，棘突偏向左侧下位颈椎瞬时旋转轴的大致位置E是从中立位到后伸位时IAR的位置，F是从中立位到前屈位时IAR的位置，L表示左侧旋转轴，R表示右侧旋转轴，？表示侧弯的IAR没有公认意见颈椎的旋转运动是椎间盘的高度、直径和材料的函数脊柱不同节段的旋转角度三、脊柱损伤损伤机制高能损伤、低能损伤、静力损伤损伤部位前柱损伤、后柱损伤、脊髓损伤颈椎损伤、胸椎损伤、腰椎损伤、骨盆损伤损伤治疗保守、手术、微创绞刑骨折的病理机制后侧附件断裂，前侧纤维环分离存在于X轴上的强大弯矩造成的拉伸型损伤双侧关节突脱位的损伤机制四、脊柱失稳失稳的原因损伤、疾病、外科手术失稳的表现结构、功能、特殊姿态失稳的处理治标、治本、标本兼治正常脊柱生理曲度重力垂线应通过正常生理曲度各段交界处五、脊柱畸形先天性畸形发育性畸形姿势性畸形六、脊柱疼痛病因学的生物力学因素诊断学的生物力学因素治疗学的生物力学因素七、常见脊柱相关疾病临床表现一般症状体征特殊症状体征常用诊断方法病史采集的价值鉴别诊断与动态观察作好应急处理交感干颈段脊椎损伤的临床表现颈段脊椎损伤在临床以头面部五官症状和颅脑神经症状为主要表现。颈部神经血管颈上神经节及其分支颈中、下神经节及其分支一、眩晕一般认为，眩晕多由于颈椎错位，局部软组织水肿，炎性渗出，肌肉痉挛，刺激压迫椎动脉及其周围的交感神经纤维或颈上神经节，反射性引起椎—基底动脉系缺血，临床常由于头颈部位置改变而发生，故又称“位置性眩晕”，轻者呈一过性发作，过后无任何不适，重则天旋地转，卧床不起，稍改变头颈部位置则症状加剧。眩晕发作时伴有嗯心、呕吐，出冷汗，心悸心慌，四肢冰冷等植物神经功能紊乱症状。多节颈椎的错位均可诱发眩晕。二、头痛疼痛的部位可局限于眶周、颞部、枕部、顶部或一侧头部，疼痛的程度可从轻微隐痛、不适到刺痛或跳痛。常伴有眩晕、眼胀、心悸、鼻塞、出冷汗等植物神经功能紊乱症状，有人称之为“颈性偏头痛”。我们体会，头痛的部位与颈椎椎体错位的方向有关。环椎错位多引起同侧头面部疼痛，枢椎错位多引起同侧枕颞部的疼痛。三、眼部症状以眼胀、视力疲劳症状较多见。患者在阅读或看电视时，因眼胀、眼涩、流泪、昏花而不能持久，多伴有同侧头痛，很多中年患者配镜后，上述症状不能缓解，严重者表现为视力明显下降甚至失明。有的则表现屈光不正，眼睑下垂等。四、鼻部症状常见症状有鼻塞、流清涕、鼻孔内异样感觉，以单侧为多，与环境、气候变化有关。发病与环枢椎错位有密切关系，多为错位方向的同侧。可能是由于颈交感神经受刺激后，鼻粘膜的血管处于敏感状态，对正常的物理、化学刺激因素反应强烈，血管的舒缩功能失调，而使鼻粘膜肿胀、充血及出现卡他性渗出。有的病人出现嗅觉异常，甚至形成过敏性鼻炎。五、咽喉部症状主要表现为失音、声音嘶哑、咽部异物感(即中医的梅核气)，吞咽困难，甚至引起慢性咽炎而出现咽部不适，分泌物增多，刺激性咳嗽，咽部疼痛、充血。其原因主要为颈交感神经刺激后，通过颈上节的分支——咽支而引发的症状。六、耳部症状耳部症状主要表现为耳鸣、耳聋。耳鸣可发生在单侧或双侧，声如蝉鸣，甚如机器轰鸣，病情严重者，连日常有声调较高的讲话声、金属碰撞声而难以忍受。头颈部位置改变时症状可减轻或加剧。有些病人表现为耳胀、听力减退，伴同侧枕部牵拉痛。重者可出现耳聋。七、颅神经症状以第9、12对颅神经损伤症状多见。表现为呛咳、喑哑、伸舌障碍、语言不清、软腭麻痹等。八、循环系统症状颈部交感神经受刺激可出现血压异常(高血压、低血压)，雷诺氏症，以及类冠心病症状，如胸闷、胸痛、气短、心悸等，甚至出现心律失常。九、其他症状颈、肩、臂痛，肌肉萎缩，功能障碍，失眠，嗜睡，记忆力减退，二便失调，共济失调，肢体震颤、麻痹，三叉神经痛，血管神经性水肿，精神分裂症，癫痫，哮喘，以及消化、内分泌、泌尿生殖等系统的疾病。胸脊椎损伤的临床表现胸椎两侧为足太阳膀胱经的循行部位，很多内脏的俞穴位于这个部位，临床表现主要以内脏的功能失调为主。一、胸脊神经激惹症状表现为损伤的神经节段支配区的放射性或局限性疼痛、麻木、肌肉痉挛或肌肉萎缩。例如胸7至胸10脊神经受激惹，引起季肋部疼痛或束带感,胸8和胸12脊神经受激惹，产生下腹部及腹股沟区的疼痛并向会阴部放散。二、植物神经功能紊乱症状上段胸脊椎(胸1至胸5)损伤的症状主要表现为头、颈、胸腔脏器和上肢的感觉异常及功能紊乱。与颈脊椎交感神经受激惹的症状相似，如头、颈、胸背、上肢的血管运动机能失调、汗液分泌紊乱。上述部位的皮肤表现为苍白、潮红、冰凉、灼热、多汗或无汗等。心血管和呼吸系统的功能紊乱亦和上胸椎损伤有关，表现为心悸、心律失常、假性心绞痛、胸闷、胸部堵塞和压迫感、呼吸不畅、喘咳或痉挛性呛咳以及哮喘等。中下段胸脊椎(胸5至胸12)损伤的症状主要表现为腹腔实质性器官和结肠脾曲以前的消化道功能紊乱症状。以食欲不振、脘腹胀满、胃痛、腹痛、腹泻、便秘等消化道功能紊乱症状多见。长期的内脏运动和分泌功能紊乱，最终可导致器官的实质性病变。如胃十二指肠溃疡、慢性胃炎、胃下垂、慢性结肠炎、胆囊炎等。腰脊椎和骶髂关节损伤的临床表现腰脊椎和骶髂关节损伤主要表现为腰腿痛及盆腔脏器的功能紊乱盆神经丛一、腰痛和腰腿痛腰脊椎损伤临床表现为程度不同的腰痛或腰腿痛。轻者表现为局限性腰痛，常不影响日常生活和活动，仅在劳累时症状明显加重。重者卧床不起。常见的疾病有“腰椎后关节紊乱症”、“腰臀部软组织损伤”、“腰椎间盘突出症”、“第三腰椎横突综合征”、“梨状肌综合征”等等。一般临床先有感觉异常如麻木、疼痛等改变，进而出现运动功能的损害，如肌肉萎缩，膝、踝关节活动受限等。二、盆腔脏器功能紊乱症上段腰脊椎和骶髂关节损伤可刺激、挤压交感神经或其神经丛，引起尿频、尿急、排尿不畅、遗尿、阳痿、下腹疼痛、里急后重感、腹泻、便秘、痛经、月经失调等症状。临床上常诊为“精神性尿频”、“前列腺炎”、“阳痿”、“痉挛性结肠炎”及某些妇科疾患。治疗脊柱相关疾病的治疗亦应遵循中医整体观念，辨证施治的学术观点，在“治病求本”，“扶正祛邪”，“调整阴阳’，“因人、因地、因时制宜”的原则指导下，应用手法、药物、导引练功、理疗、手术等治疗方法，明确诊断，有的放矢。近十年来，一些新的治疗方法和技术相继问世，不但提高了疗效，而且扩大了治疗范围。但还缺乏高质量的按循证医学要求作出的疗效报告。手法治疗手法治疗是脊柱相关疾病的主要治疗手段。手法有舒筋活络，理筋整复，活血祛瘀的作用。应用手法要注意定位准确，操作灵巧，力度适宜，辨证施法。手法作为外力的特点面积力、体积力；静载荷、动载荷；集中力、均布力；间断力、连续力；瞬时力、长期力；单一力、交变力。一、手法的作用机制1.纠正解剖位置的失常2.改变有关系统的内能3.调整信息4.纠正解剖位置与转变系统内能的结合5.纠正解剖位置与调整信息结合二、手法的应用原则1.时间合理:根据疾病的轻重缓急，选择恰当的时机进行手法治疗，是取得良好疗效的关键。比如有些急性的关节紊乱，滑膜嵌顿等，早期进行手法治疗可起手到病除的作用。但对一些肌腱、韧带断裂的出血性损伤，就不宜过早地进行手法治疗，外用药物和固定一段时间，待局部出血停止，再进行手法治疗，则有利于组织修复及功能恢复。2.定位准确对病变的解剖部位、移位方向要定位准确。3.稳妥灵巧手法要轻巧灵活，力度适中，根据局部解剖特点，利用力学原理，深沉、稳健、有力。4.辨证施法根据不同的疾病、患者的体质，选择不同种类的手法。三、手法的禁忌证对于以下情况，慎用或禁用手法。1．年老体弱，高度骨质疏松，妇女妊娠期慎用。2．有严重心、肝、肾、肺脏等器质性疾病者慎用。3．急性期传染病患者，恶性肿瘤，骨关节化脓性炎症者禁用。4．局部有感染性病灶或皮肤病患者慎用。四、常用手法1.双拇指触诊法2.单指触诊法3.脊椎的触诊检查法4.分筋手法5.理筋手法6.镇定手法7.脊柱旋转复位法8.胸椎掌抵按复位法9.胸椎膝顶复位法10.腰椎斜扳复位法11.腰椎后伸扳法12.单髋过屈复位法13.单髋过伸复位法药物治疗脊柱相关性疾病的药物治疗应遵循整体观念，辨证施治的学术思想，在八纲