脊柱的生物力学CHENLONGFU INTRODUCTION 脊柱的生物力学涉及范围非常广泛，脊柱结构、运动、损伤、固定等方面的生物力学研究有助于解释脊柱相关的生理、病理以及对临床治疗方法、临床器械的设计研究与发展有着重要的指导意义。脊柱的结构脊柱的结构复杂，由7块颈椎、12 块胸椎、5块腰椎及骶骨、尾骨各一块组成，通过椎间盘和强健的韧带连接在一起，其主要功能为保护脊髓，并将载荷从头脊柱传递到骨盆。具有活动性能的各椎体间互相形成关节，能在三个平面上运动。脊椎的稳定性由韧带、椎间盘、肌肉共同协调维持。脊柱的功能单位脊柱的功能单位也称功能单元，即一个运动节段，包括两个椎体及两椎体之间的软组织。一、椎骨的生物力学最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节突）生物力学的研究是Messerer 对椎体强度的测量。（一）椎体的生物力学早期的生物力学研究是对椎体抗压强度的测试。当时喷气机飞行员弹射如何选择合适的加速度才不造成脊柱损伤，促进了生物力学的深入研究。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。抗压强度（一）椎体的生物力学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。1 、皮质骨壳椎体的主要负载部位是皮质骨壳还是松质骨核？1、皮质骨壳Rockff 等的实验表明，完整椎体的强度随着年龄的增加而减低。从20-40 岁，椎体强度的降低明显，40 岁以后强度改变不大。<40Y  >40Y 2、松质骨核在对椎体松质骨强度测试中，载荷-形变曲线显示椎体的松质骨核可以承受很大的压缩载荷，断裂前其形变率高达9.5% ，而相应的皮质骨的形变率还不足2% ；说明椎体损伤首先发生皮质骨断裂，而不是松质骨的显微骨折。3、终板终板在脊柱的正常生理活动中承受着很大的压力。终析的断裂有三种形式：中心型，周围型，全板断裂型。A. 中心型在没有蜕变的椎间盘中最多见。B. 周围型多见于有蜕变的椎间盘。C. 全板断裂多发生于高载荷时。3、终板无蜕变的椎间盘受压，在髓核内产生压力，终板的中心部位受压3、终板蜕变的椎间盘由纤维环传递压力，终板边缘承受载荷（二）椎弓Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975) 进行的三种椎弓载荷方式表明，大部分断裂发生在椎弓根。椎弓根的强度与性别及椎间盘的蜕变与否关系不大，但会随着年龄的增长而减退。（二）椎弓椎弓不同加载方式的断裂载荷二、椎间盘椎间盘为一密闭性弹性垫，由相邻椎体上下面的软骨板，纤维环和髓核组成。纤维环的纤维走行方向与椎体平面呈30 度角。椎间盘在椎体间起缓冲垫的作用，能吸收、缓冲载荷，并使载荷均匀分布。椎间盘的生物力学特性1、受压的特性在脊柱的运动节段压缩试验中，首先发生破坏的是椎体而不是椎间盘。这说明，临床上的椎间盘脱出不只是由于受压，更主要的原因是椎间盘内应力分布不均匀。椎间盘的生物力学特性2、受拉的特性在不同方向的载荷作用下，椎间盘都受张应力作用。椎间盘的生物力学特性对椎间盘的强度测试表明，椎体前后部位的椎间盘强度比两侧的高。中间的髓核强度最低。椎间盘的纤维环在不同的方向上也表现出不同的强度，沿纤维走行方向的强度是水平方向强度的3倍。这一点对于分析脊柱损伤的机制，确定合理的治疗方法是很有意义的。椎间盘的生物力学特性3、受弯的特性弯曲和扭转暴力是椎间盘受损伤的主要原因。通过造影证实，在脊术的屈伸活动中，髓核并不改变其形状及位置。椎间盘的生物力学特性4、受扭的特性在脊柱运动节段轴向受扭转的实验中发现，扭矩和转角变形之间的关系曲线呈“S”形。其中3°-12° 的扭转部分，扭矩与转角之间存在线性关系。椎间盘的生物力学特性5、受剪的特性椎间盘的水平剪切强度大约为260N 每平方毫米。纤维环的破裂我由于弯曲、扭转和拉伸的综合作用造成的。单纯的剪切暴力很少造成纤维环破裂。椎间盘的生物力学特性6、松弛和蠕变椎间盘在受载荷时有松弛和蠕变现象。蠕变的特点与椎间盘的蜕变程度有关，没有蜕变的椎间盘蠕变很慢，经过相当长的时间也能达到最大变形。蜕变的椎间盘则相反。这表明蜕变的椎间盘吸收冲击的能力减退，也不能将冲击均匀地分布到终板。椎间盘的生物力学特性无蜕变的椎间盘（0度）需要相对长的时间性而达到较小变形椎间盘的生物力学特性7、滞后椎间盘和脊椎属粘弹性体，有滞后性能。此结构在循环加载和卸载时伴有能量损失。滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘所处位置有关。椎间盘的生物力学特性滞后载荷越大，滞后越大；随着年龄的增大其逐渐减小。同一椎间盘在第二次加载后的滞后比第一次加载时下降，这表明反复冲击载荷对椎间盘有损害。椎间盘的生物力学特性8、疲劳的耐受活体椎间盘的疲劳耐受能力尚不清楚。离体脊柱运动节段疲劳试验（施加一个很小的轴向持续载荷，向前反复屈曲5度，屈曲200 次时椎间盘出现破坏迹象，屈曲1000 次时完全破坏）。个人认为，加载负荷开始椎间盘纤维就有微细结构的改变。椎间盘的生物力学特性9、椎间盘内压无论离体还是在体的椎间盘内压测试都是很困难的。Nachemson 等首先利用髓核的液态性做为载荷的传导体，用一个脊柱运动节段来做离体测试，发现髓核内压与轴向加载有直接关系。椎间盘的生物力学特性Nachemson’s Test 示意图椎间盘的生物力学特性10 、自动封闭现象由于椎间盘缺乏直接的血液供应，损伤后通过一种特殊的方式—“自动封闭”来修复。椎间盘的生物力学特性单纯纤维环损伤的标本第一次加载的载荷-变形曲线与完整者不同，但加载2-3 次后，其曲线接近正常。脊柱韧带的生物力学特性脊柱韧带有固定相邻椎体，保证脊柱生理运动，保护脊髓等功能。前纵韧带、后纵韧带和黄韧带等都具有相同的生物力学特点，它们的载荷-变形曲线均为非线性，随着载荷的增加而斜率改变。韧带的力学强度随着年龄的增加而降低，同时吸收能量的能力也下降。Finite element  可将其用于脊柱生物力学研究，揭示损伤机理及评估椎间盘的材料特性；有限元模型有助于临床评估，对新理论的建立，临床器械的研制有不可估量的指导作用。Finite element A 3-D Finite Element Model of the L2-L3 Disc of the Human Lumbar Spine Finite element King H. Yang, Ph.D.  Finite element 脊柱的生物力学应用脊柱的生物力学应用脊柱的生物力学应用脊柱的生物力学应用THANK YOU CHENLONGFU * * *