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 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＝Ｅε σ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