脊柱生物力学Microsoft Word 文档

人体脊柱实质上是一个通过杠杆、运动轴、致动体和限制体操纵的结构。

这个力学复合体不仅柔韧性好、运动范围广，而且非常坚固稳定。

作为一个力学结构，脊柱有以下特点： 椎间盘是位于人体脊柱两锥体之间，由软骨板、纤维环、髓核组成的一个密封体• 脊柱矢状面的正常曲度使得脊柱灵活运动、承载轴向负荷的同时维持相应的强度及站立姿势的稳定性。

矢状面曲度的改会很大程度上影响脊柱的力学行为。

• 椎体承载躯干及上肢主要的轴向负荷，椎体所须承载的重量从头端到尾端逐渐增加，椎体本身也逐渐增大。

• 椎体组成脊柱的前柱，承载 80% 的轴向负荷（体重）。

后方结构（主要是关节突关节）组成脊柱后柱，向下肢传递 20% 的轴向负荷。

脊柱后方的肌肉群产生“张力作用”，用来维持直立姿势及保持人体矢状面和冠状面的平衡，这些肌肉群被称为“张力带”。

任何前柱或后柱的破坏及疾病均可打破脊柱在骨盆及髋关节上的平衡，导致后方肌肉群的疲劳和疼痛。

同样后方肌肉群的损伤及疾患也可使脊柱失去矢状面的平衡。

近几十年来，生物力学研究表明颈椎病的许多临床表现及影像学改变都与其密切相关。

因此，开展对颈椎生物力学的研究已成为脊柱研究领域的热点之一。

本文就生物力学在颈椎病某些方面的研究作一简要综述。

1、颈段脊柱解剖与生物力学：在研究脊柱生物力学时，一般多运用运动节段(motionsegment)或脊柱功能单位(functional spinal unit，FSU)进行描述与分析[1-4]。

脊柱的功能单位包括邻近两个椎体及其间的椎间盘与韧带。

一般分为前部结构和后部结构前者包括椎体、椎间盘、椎弓和相连的韧带，后者包括相应的椎弓、椎间关节、横突棘突和韧带。

颈椎基本的生物力学功能是：载荷的传递；三维空间的生理活动；保护颈脊髓。

颈椎活动节段为颈段脊柱的基本功能单位，是维持颈椎稳定性的基本单位。

杨企文[5]通过椎体静加载实验发现，椎体承受的轴向压缩极限载荷从颈椎到腰椎，其总体变化趋势为逐渐增加，而椎体的相对变形则逐渐减小；动载荷时其变化趋势与静加载相同。

颈椎间盘是整个颈椎承载系统中最为关键的部分，对颈椎的活动和负重起重要作用。

它不仅可吸收振动、减缓冲击，而且能将所承受的载荷向不同方向均匀分布。

椎间盘的主要生物力学功能[6]是：吸收振荡、冲击能量、维持椎间隙的高度、对抗压缩力并使相邻两椎体的相对活动限制在很小范围内。

并与后方的小关节面共同承受头颅的压缩载荷[7]。

日常生活中，椎间盘的负荷很复杂，它具有承受和抵抗挤压，弯曲和扭转的能力。

有人研究如果对脊柱功能单位加以一定量的压缩力，可发现在椎间盘损伤以前终板或椎体即已发生骨折[8]。

椎间盘对扭转外力的抵御功能较弱，Farfan[9]认为扭转系椎间盘损伤的主要原因。

颈椎后部组织具有抗载、引导、抗剪等功能，对脊柱起控制作用。

有研究表明[4]颈椎后部结构有较大的负荷功能。

关节突与椎间盘之间的负荷分配随脊柱位置的不同而改变。

在后伸位时，关节突的负荷最大，前屈伴有旋转时，其负荷也较大。

颈脊柱的韧带多数由胶原纤维及弹性纤维组成，它承担着脊柱的大部分张力载荷。

颈部除黄韧带外，脊柱韧带的延伸率较低，故可与椎间盘一起，提供脊柱的内源性稳定[3]。

颈部韧带按其部位可分为上颈椎韧带和下颈椎韧带。

上颈椎区域的韧带作用特殊，既有灵活的运动性，又有可靠的稳定性。

[10]其中十字韧带是稳定C1-C2的重要因素，可防止C2齿状突在C1环内向后位移[4]。

中下段颈椎区域的前纵韧带跨越中央颈段脊柱，与间盘连接较松驰，后纵韧带位于椎体背侧，与间盘连接较紧密。

黄韧带与每一个椎板相连，处于椎管后侧。

颈椎后侧韧带提供颈椎前屈时的主要稳定力；而前侧韧带则提供颈椎后伸时的主要稳定力[11]。

2、颈椎运动学与生物力学：按照刚体运动学理论[12]，颈段脊柱运动有六个自由度，即冠状面的前屈，后伸和左右侧方平移；纵轴上的轴向压缩，牵拉和顺逆时针旋转以及矢状轴上的左右侧屈及前后平移。

颈部活动由二个部分完成：枕—环—枢复合体的联合运动及下颈椎的联合运动。

前者以旋转运动为主，后者以屈伸运动为主。

研究表明，C1-2旋转活动约占整个颈椎轴向旋转的50%，余下50%由中下颈椎C3-7联合运动完成。

颈椎的屈伸以C5-6运动幅度最大，但侧屈与旋转活动愈往下愈小。

Frankei[13]的研究认为整个颈椎节段的联合运动，屈伸约145度，轴向旋转约180度，侧屈约90度。

颈椎运动的复杂性还表现在颈段脊柱各种运动之间的共轭（耕合）。

其特征是指同时发生在同一轴上的平移和旋转活动。

椎体在功能节段的活动是相连的，关节突的引导活动将形成共轭特征。

如屈伸与横水平面的位移共轭，侧屈与旋转共轭，旋转与轴向垂直位移共轭。

通常将与外载荷方向相同的脊柱运动称为主运动，把其他方向的运动称为耦合运动。

不同颈椎平面侧屈时所伴随的轴性旋转角度不同，如：C2每侧屈3度，伴有2度旋转，C7每侧7.5度，伴有1度旋转。

从C2-7伴随侧屈的轴性角度依次减少。

颈椎运动学在生物力学特征上主要涉及静力学、动力学及其稳定性等方面。

目前颈椎静力学的研究重点在于分析平衡状态下椎体、椎间盘乃至韧带的生物力学性能以及各种不同姿势下对颈椎运动的影响。

颈椎承受的各种载荷均较其它椎体小，特别是压缩载荷。

Frankei[6]研究发现，在松驰站立或座位时，颈椎负荷较轻；在旋转和侧弯时，负荷将增加；在极度屈曲时，负荷明显升高，其中以下颈椎的运动节段更为明显。

Harms和Ringdahl[14]测得在完全前屈、轻度前屈、中立、轻度后伸、极度后伸位，枕环关节和C7-T1运动节段运动轴周围的弯曲力矩，结果发现负荷在极度前屈位时最大，中立位和后伸位较低。

从前屈到后伸，小关节总负荷将增加33%。

动力学的研究主要在于分析运动过程中作用于颈椎上的载荷及其颈段的动力学特性。

由于条件限制特别是活体研究的因难，此项工作开展甚少，日本学者[15]认为在颈椎动力学分析方面，研究肌力的作用对脊柱模型的发展具有重要意义。

颈椎的稳定性是指颈椎承载时，颈椎保持平衡形态的能力。

一般颈椎的稳定性系指颈段脊柱在生理载荷下无异常改变和无FSU的过度或异常活动。

通常颈椎承受的载荷有压缩、牵拉、扭转、剪切等形式。

在生理载荷下，FSU不会出现异常应变，因此保证了脊柱的稳定性。

White[16,17]采用下颈椎的FSU进行生物力学实验结果发现，切断所有后柱韧带可导致屈曲不稳定；切除所有前纵韧带，可引起后伸不稳。

而小关节切除后，颈椎水平位移明显增加。

从颈部的肌肉动力学分析可以发现，[18]C4-5的肌肉较弱，且处于颈曲弧顶，稳定性最差。

因此，在外伤或软组织慢性损伤，肌肉痉挛所致的平衡失调时，易发生以C4-5为中心的椎体平移或旋转。

3、颈椎组织结构与应力应变：Wolff法则早在1870年就提出：“骨在生长期间保持与作用它之上的机械力相适应”。

近代生物力学指出：“骨骼是一种反馈控制系统，正常情况时，骨处于最优应力值的作用下，呈现平衡状态，即成骨速度与破骨速度相等；而当应力应变大于最优值而小于适应性上限时，成骨作用处于优势，骨质增生，加大了承受面积，从而使应力应变降低，又恢复到最优值。

相反的情况引起骨质萎缩，使应力应变上升“。

这些理论指出了骨组织代谢与所承受的应力应变值有密切关系。

杨阳明[19]通过光弹性试验研究证实了颈椎最常见增生的C4、5、6其有效应力最，椎体的上下缘增生常见也与其有效应力较大有关。

其结果也同时证实了Nathan[20]的骨赘生长是脊柱对抗压力的代偿机制。

余家阔[21]通过电镜观察认为受应力应变越大、作用时间越长的颈椎，其颈椎骨的形态学改变越明显。

石关桐等[22]采用微压强传感器测量新鲜尸体标本在三维运动状态下变化，其结果认为C4-5，C5-6两节段始终处于最大压力值状态。

另外，由中立位至后伸、左侧屈、左旋时，该方向侧关节突关节压力变化显著，而相对应侧的压力变化较小。

在应力应变控制骨生长的机制中，目前还有压变电位学说[23]；流动电位学说[24]及骨电信号控制学说[25]等，另外也有人[26]发现前列腺也具有剌激骨生长的信号。

4、颈椎急慢性损伤与生物力学：为了对脊柱运动和遭受暴力时发生的异常运动及损伤作出近乎实际的解释，人们多以生物力学的观点来确定脊柱损伤的稳定与否。

Denis[27,28]在前人研究的基础上提出了著名的三柱结构学说，其把韧带结构视为脊柱稳定的重要结构。

即前纵韧带、椎体前2/3及相应椎间盘、纤维环为前柱，椎体后1/3及相应的椎间盘、后纵韧带、椎管为独立的中柱，脊柱附件为后柱。

其理论强调椎节的任何解剖部位受损伤均将波及脊柱的稳定性。

90年代以来，法国Dubousset[29]又对此提出了三个重要概念，即脊柱平衡概念；骨盆体概念与脊柱三柱概念。

则当颈椎受屈曲外力作用时，前柱受压、后柱受牵拉，过伸外力则反之。

决定颈椎损伤的五大因素是[30]颈椎的材料特性、结构刚性、载荷形式、加速速率与载荷大小。

颈椎的急性损伤[30]一般分为压缩暴力型、屈曲暴力型、屈曲旋转暴力型及加速-减速损伤。

这些创伤均可导致颈椎不稳。

颈椎的慢性损伤主要表现在颈椎长期受到异常应力作用所致的一系列改变。

其中颈椎运动节段的活动、发育性椎管狭窄、病理变化和血循环损害是颈椎病发生的四个重要因素[31]。

而作为颈椎病发生发展的前因后果，又无不涉及到力学的改变。

如慢性损伤可通过应力应变作用加速颈椎体、颈椎间盘、小关节及其韧带的退变过程而提前发病。

颈椎病与颈段脊柱正常生物力学平衡的破坏有十分密切关系，一些研究表明：颈椎内外平衡（内源性和外源性稳定）失调是比骨赘更为重要的发病原因，即使颈椎骨质增生亦是为适应应力的改变而发生的[32]。

5、颈椎牵引疗法与生物力学：牵引是治疗颈椎病的公认简便方法之一。

为此许多学者都进行了大量研究。

林斌等[33]通过建立完整的颈段脊柱三维空间有限元模型，对牵引下的钩突关节应力分布及横突位移情况进行了分析，发现牵引可使正常情况下钩突关节所受压应力转变为拉应力，同时可拉大横突间距，且随角度的加大而逐渐加大。

国外一些研究报告表明[34]，牵引力11Kg时，可使颈椎前凸变直，13.5Kg时能使颈椎后部分离；用20Kg重量牵引颈椎时，发现椎间隙可增宽3-4mm。

钩突关节增宽约2-3 mm。

在牵引角度方面，Alicem[35]的研究报告表明，采用仰卧位运动间隙性牵引（牵引力13.5Kg，持续8秒，间隙6秒）,在中立位与前屈30度时，椎间隙均有明显增加，其中C6-7后缘分别增加37%和20%；后伸15度时，椎间隙后缘均有明显减少，其中C6-7减少50%。

作者还进一步发现，后伸15度牵引可使小关节面出现分离。

陈禾丽[36]研究表明，牵引角度小时，最大应力位置靠近颈椎上段，随着牵引角度增大，最大应力位置逐渐下移。