脊柱的生物力学 ppt课件
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35
Creep
36
37
38
定义
蠕变：载荷不变，形变随时间而增加 松弛：形变恒定，载荷随时间而减少
39
40
蠕变与椎间盘的变性程度有关
41
42
43
椎间盘退变
最初阶段
软骨终板骨折 和/或
纤维环破裂
1-3周疼痛消失，X线表现阴性
44
椎间盘退变
发展阶段
急性椎间盘突出 退行性改变
20
椎间盘
构成脊柱高度的20-33% 对抗压缩力 对脊柱活动有决定性影响
21
22
椎间盘的受载情况
与小关节共同承受躯干的压缩载荷 坐位：载荷约为躯干重量的3倍 活动时：动力性载荷+静态载荷=静态载荷
的 2倍
23
24
椎间盘的机械性能
有利于对抗压缩力 对张力和扭力的耐受较差 在横截面上的剪切刚度约为260N/mm2 扭力+压缩力→纤维环破裂，髓核突出
55
椎体
四十岁以后随年龄增加强度下降 骨组织减少25%，强度下降50%
56
57
载荷传导
载荷 上方软骨终板 椎体皮质骨 椎体松质骨 下方软骨终板
58
59
青年
老年（松质骨明显减少）
60
61
与横截面
颈椎 胸椎
与冠状面
腰椎
62
63
64
脊柱的后部结构
对脊柱活动起控制作用 承担脊柱压缩载荷的0-33% 抗剪切力 肌肉的附着点，提供脊柱的外源性稳定
25
26
27
28
身体姿势对腰段脊柱载荷的影响
A 放松站直 B 无靠背放松端坐 C 挺直端坐
A<C<B
29
A体积小于B体积，重量约为20公斤 力臂不同，弯矩不同
30
直立 身体上部亦屈曲
31
屈腰 屈腰挺背 上部前屈
Lw身体重量产生的弯矩
32
33
34
粘弹性特征
椎间盘为粘弹性物质 具有蠕变和滞后现象
脊柱的生物力学
1
2
3
4
5
6
University of Iowa
7
University of Iowa
8
University of Iowa
9
脊柱的生物力学功能
传导载荷 空间活动 保护脊髓
10
脊柱的稳定性
韧带和椎间盘：内源性稳定
肌肉：
外源性支持
11
脊柱的活动
多个活动阶段的联合动作 -------三个节段上的旋转和平移
保持一定的内压 提供内源性稳定
68
69
肋骨框架的生物力学功能
使脊柱免受前方和侧方的直接打击 加强脊柱对位移的抗拉能力和能量吸收能力 增加惯性矩 增强胸段脊柱对旋转力的对抗能力
70
71
肌肉
保持姿位 提供外源性稳定 产生脊柱活动 主动肌 引发和进行活动 颉抗肌 控制和调节活动
72
躯干屈伸
65
脊柱后部失去支持
纤维环所受剪力增加 因蠕变作用而被拉长 脊髓滑脱症的疼痛：椎间盘拉伸变性
神经根受压
66
脊柱的韧带
承担脊柱大部分张力载荷，延伸率低 与椎间盘一起提供脊柱的内源性稳定 粘弹性能：允许生理活动，保持姿位 吸收能量，保护脊髓
67
黄韧带
含弹性纤维多，具有较大的弹性 在伸屈活动中保持较恒定的张力 使椎间盘内有持续的预张力
81
第二阶段代表脊髓的组织特性
展开—褶叠已达极限 脊髓组织直接承受外力 阻力以103为指数迅速增加
82
83
初始阶段代表脊髓的结构特性
手风琴样可褶叠 褶叠—展开机理
使脊髓具有很大的伸缩性
84
脊柱轴性旋转或水平位移时，椎管有效横截面积将随同变化 脊柱的横截面积
受压时增大 拉伸时减小 屈伸→拉伸时：圆形→椭圆形
腹肌，腰肌-----启动 躯干重力使屈曲继续增加 骶棘肌的活动随屈曲增加活动增加，以控制活动 骨盆前倾------由髋部肌肉控制 完全屈曲后，肌肉放松
由韧带保持被动性平衡
73
74
脊柱后面的肌肉
75
脊柱前面的活动肌
76
77
脊髓的生物力学
脊髓同时受到：
骨性椎管的保护 周围软组织的保护 自身力学特性的保护
伴疼痛
45
病理改变
纤维环裂隙发展 透明软骨剥融 髓核内胶原纤维含量增加 透明软骨沿纤维环附着部分离 髓核（或与邻近透明软骨一起）疝出
46
治疗
髓核摘除 髓核化学溶解 融合术
有效率90% 有效率70% 无效
47
椎间盘退变
第三阶段
退变加重 伴或不伴疼痛（休息后加重-稍微活动减轻-过多活动又加重） X线表现：骨赘形成，间隙狭窄，终板硬化，小关节退变
48
椎间盘退变
第三阶段
治疗：抗炎，支架，温和操练 融合术：1、使用支架有效 2、不多于两个活动节段 3、无坐骨神经症状 4、椎间皮质激素注射可 缓解症状 椎间盘突出者不做
49
50
来自百度文库
51
52
脊柱融合术 后路： 1、Rollander：椎间关节在正常负
荷下仍有一定活动 2、继发性椎板增生→继发性椎管狭窄
脊柱某部分活动受到限制时 可导致其他部分活动增加
12
13
影响脊柱活动的因素
小关节面的方向 肋骨框架 骨盆的倾斜
14
15
脊柱不同平面的活动度
16
侧屈：颈、腰为主，胸部甚少
17
旋转：腰部参与甚少
18
屈曲分为两期 0-60度脊柱，>60度髋
19
脊柱活动度的共轭性
侧屈总是伴有旋转 颈椎，上胸椎：侧屈时棘突转向凸侧 下胸椎、腰椎：侧屈时棘突转向凹侧
78
硬膜外脂肪 脑脊液
减少摩擦，吸收能量
79
保留软脊膜的脊髓，去除周围软组织，悬吊后可 延长10%
如进一步使其变形，将突然出现非弹性阻力
无软脊膜包裹的脊髓， 其特性如半流体性粘聚体
80
脊髓的负荷-位移曲线
两个明显不同的阶段
初始阶段：很小的拉伸力产生较大的位移 <0.01N 第二阶段：较大的拉伸力只产生较小的位移 20-30N
85
脊髓损伤的力学因素
前方或后方的压缩力，特别是在过伸时，脊髓的中央部分受害最大
86
87
88
齿状韧带的轴向分力
与脊髓所受张力相平衡 有助于减少脊髓受拉
89
90
91
齿状韧带
相互平衡以保持脊髓位于椎管中央 防止骨性碰撞或震荡，犹如安全帽内的放射状头带
前路： 1、融合率低 2、创伤大
53
脊柱融合术
后外侧，横突间： 融合率高（90%） 牢固，抗旋转，安全 更适合于椎板已截除者
54
椎间盘退变
最后阶段
40-50年后 增生骨压迫神经→疼痛，功能障碍 单个神经根（外侧隐窝狭窄） 马尾受压(椎管狭窄，出现假性跛行） 减压治疗，有效率85%
Creep
36
37
38
定义
蠕变：载荷不变，形变随时间而增加 松弛：形变恒定，载荷随时间而减少
39
40
蠕变与椎间盘的变性程度有关
41
42
43
椎间盘退变
最初阶段
软骨终板骨折 和/或
纤维环破裂
1-3周疼痛消失，X线表现阴性
44
椎间盘退变
发展阶段
急性椎间盘突出 退行性改变
20
椎间盘
构成脊柱高度的20-33% 对抗压缩力 对脊柱活动有决定性影响
21
22
椎间盘的受载情况
与小关节共同承受躯干的压缩载荷 坐位：载荷约为躯干重量的3倍 活动时：动力性载荷+静态载荷=静态载荷
的 2倍
23
24
椎间盘的机械性能
有利于对抗压缩力 对张力和扭力的耐受较差 在横截面上的剪切刚度约为260N/mm2 扭力+压缩力→纤维环破裂，髓核突出
55
椎体
四十岁以后随年龄增加强度下降 骨组织减少25%，强度下降50%
56
57
载荷传导
载荷 上方软骨终板 椎体皮质骨 椎体松质骨 下方软骨终板
58
59
青年
老年（松质骨明显减少）
60
61
与横截面
颈椎 胸椎
与冠状面
腰椎
62
63
64
脊柱的后部结构
对脊柱活动起控制作用 承担脊柱压缩载荷的0-33% 抗剪切力 肌肉的附着点，提供脊柱的外源性稳定
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身体姿势对腰段脊柱载荷的影响
A 放松站直 B 无靠背放松端坐 C 挺直端坐
A<C<B
29
A体积小于B体积，重量约为20公斤 力臂不同，弯矩不同
30
直立 身体上部亦屈曲
31
屈腰 屈腰挺背 上部前屈
Lw身体重量产生的弯矩
32
33
34
粘弹性特征
椎间盘为粘弹性物质 具有蠕变和滞后现象
脊柱的生物力学
1
2
3
4
5
6
University of Iowa
7
University of Iowa
8
University of Iowa
9
脊柱的生物力学功能
传导载荷 空间活动 保护脊髓
10
脊柱的稳定性
韧带和椎间盘：内源性稳定
肌肉：
外源性支持
11
脊柱的活动
多个活动阶段的联合动作 -------三个节段上的旋转和平移
保持一定的内压 提供内源性稳定
68
69
肋骨框架的生物力学功能
使脊柱免受前方和侧方的直接打击 加强脊柱对位移的抗拉能力和能量吸收能力 增加惯性矩 增强胸段脊柱对旋转力的对抗能力
70
71
肌肉
保持姿位 提供外源性稳定 产生脊柱活动 主动肌 引发和进行活动 颉抗肌 控制和调节活动
72
躯干屈伸
65
脊柱后部失去支持
纤维环所受剪力增加 因蠕变作用而被拉长 脊髓滑脱症的疼痛：椎间盘拉伸变性
神经根受压
66
脊柱的韧带
承担脊柱大部分张力载荷，延伸率低 与椎间盘一起提供脊柱的内源性稳定 粘弹性能：允许生理活动，保持姿位 吸收能量，保护脊髓
67
黄韧带
含弹性纤维多，具有较大的弹性 在伸屈活动中保持较恒定的张力 使椎间盘内有持续的预张力
81
第二阶段代表脊髓的组织特性
展开—褶叠已达极限 脊髓组织直接承受外力 阻力以103为指数迅速增加
82
83
初始阶段代表脊髓的结构特性
手风琴样可褶叠 褶叠—展开机理
使脊髓具有很大的伸缩性
84
脊柱轴性旋转或水平位移时，椎管有效横截面积将随同变化 脊柱的横截面积
受压时增大 拉伸时减小 屈伸→拉伸时：圆形→椭圆形
腹肌，腰肌-----启动 躯干重力使屈曲继续增加 骶棘肌的活动随屈曲增加活动增加，以控制活动 骨盆前倾------由髋部肌肉控制 完全屈曲后，肌肉放松
由韧带保持被动性平衡
73
74
脊柱后面的肌肉
75
脊柱前面的活动肌
76
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脊髓的生物力学
脊髓同时受到：
骨性椎管的保护 周围软组织的保护 自身力学特性的保护
伴疼痛
45
病理改变
纤维环裂隙发展 透明软骨剥融 髓核内胶原纤维含量增加 透明软骨沿纤维环附着部分离 髓核（或与邻近透明软骨一起）疝出
46
治疗
髓核摘除 髓核化学溶解 融合术
有效率90% 有效率70% 无效
47
椎间盘退变
第三阶段
退变加重 伴或不伴疼痛（休息后加重-稍微活动减轻-过多活动又加重） X线表现：骨赘形成，间隙狭窄，终板硬化，小关节退变
48
椎间盘退变
第三阶段
治疗：抗炎，支架，温和操练 融合术：1、使用支架有效 2、不多于两个活动节段 3、无坐骨神经症状 4、椎间皮质激素注射可 缓解症状 椎间盘突出者不做
49
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来自百度文库
51
52
脊柱融合术 后路： 1、Rollander：椎间关节在正常负
荷下仍有一定活动 2、继发性椎板增生→继发性椎管狭窄
脊柱某部分活动受到限制时 可导致其他部分活动增加
12
13
影响脊柱活动的因素
小关节面的方向 肋骨框架 骨盆的倾斜
14
15
脊柱不同平面的活动度
16
侧屈：颈、腰为主，胸部甚少
17
旋转：腰部参与甚少
18
屈曲分为两期 0-60度脊柱，>60度髋
19
脊柱活动度的共轭性
侧屈总是伴有旋转 颈椎，上胸椎：侧屈时棘突转向凸侧 下胸椎、腰椎：侧屈时棘突转向凹侧
78
硬膜外脂肪 脑脊液
减少摩擦，吸收能量
79
保留软脊膜的脊髓，去除周围软组织，悬吊后可 延长10%
如进一步使其变形，将突然出现非弹性阻力
无软脊膜包裹的脊髓， 其特性如半流体性粘聚体
80
脊髓的负荷-位移曲线
两个明显不同的阶段
初始阶段：很小的拉伸力产生较大的位移 <0.01N 第二阶段：较大的拉伸力只产生较小的位移 20-30N
85
脊髓损伤的力学因素
前方或后方的压缩力，特别是在过伸时，脊髓的中央部分受害最大
86
87
88
齿状韧带的轴向分力
与脊髓所受张力相平衡 有助于减少脊髓受拉
89
90
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齿状韧带
相互平衡以保持脊髓位于椎管中央 防止骨性碰撞或震荡，犹如安全帽内的放射状头带
前路： 1、融合率低 2、创伤大
53
脊柱融合术
后外侧，横突间： 融合率高（90%） 牢固，抗旋转，安全 更适合于椎板已截除者
54
椎间盘退变
最后阶段
40-50年后 增生骨压迫神经→疼痛，功能障碍 单个神经根（外侧隐窝狭窄） 马尾受压(椎管狭窄，出现假性跛行） 减压治疗，有效率85%