颈椎生物力学

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1、颈椎生物力学运动学研究脊柱在无载荷状态下的运动状况；而生物力学则是研究脊柱与载荷之间相互作用的机械反应。生物力学因素在脊柱疾患的发病机制巾具有十分重要的意义，颈椎上接颅底，下与相对的胸椎相连，椎间盘相对较厚，推板不相重叠，是脊柱活动范围最大的部分，其结构上的特殊性决定了生物力学功能上的特殊性。颈椎的基本生物力学功能是：①载荷的传递；②三维空间的生理活动；③保护颈脊髓。颈椎椎体、关节突关节、椎间盘及其韧带是内在的稳定因素，颈周围的各组肌肉是外在的稳定因素，但也都是完成颈椎生物力学的因素。近年来，随着对颈椎疾病和损伤发生机制研究的不断深

2、入，医学影像诊断技术、颈椎内固定材料及技术的不断进步，各种外科治疗手段发展迅速。在临床实际工作中’准确判断颈椎的稳定性、选择合适的治疗手段及内固定材料，已经成为临床医师诊治颈椎伤病成功与否的关键因素之一。这就要求脊柱外科医师郡必须了充分理解和掌握颈椎的生物力学原理，包括正常生理条件下和载荷状态下的运动学、载荷状态下的生物力学，病变、损伤以及减压、融合和内固定手术对颈椎生物力学稳定性的影响。第一节基本概念掌握与颈椎损伤有关的生物力学基本概念，有助于聊解颈椎损伤的机制，对患者做出准确评估和治疗，有效地预防这类损伤的发生；提醒临床医生发现

3、可疑的损伤；有利于从影像学检查结果，更好地进行鉴别诊断。与颈椎损伤有关的生物力学概念有：1载荷的大小载荷的大小是造成颈椎即刻稳定性丧失和疲劳性失败的重要因素。即刻稳定性丧失是由一次载荷周期造成的；疲劳性失败是由多次载荷周期引起结构破裂不断积聚而产生。在合理的日i间内引起的疲劳损伤的最低载荷就称为疲劳极限。疲劳曲线可记录疲劳过程，载荷积累可导致疲劳性失败。超过疲劳极限的载荷越多，引起失败的载荷周期越小。Ⅱ2载荷率载荷率的改变是影响损伤类型和其严重程度的主要因素，黏弹性又决定了载荷率的大小。所谓黏弹性是指物体对载荷率或变形敏感的时间依赖

4、性，主要表现为蠕变和松弛。蠕变系指在一段时间内在载荷持续作用下所导致的持续变形，也就是变形的程度因时间而变化。松弛则为材料受载荷后变形到达一定程度时应力或载荷随时间而减低。骨、韧带、肌腱和骨骼肌具有黏弹性。黏弹性行为的应力一应变曲线依赖于载荷率。载荷率越大，应力应变曲线越陡。反映载荷率增加的应力ˉ应变lIll线在骨、韧带k肌腱和骨骼肌是各不相同的。在颈椎，剁l向的压缩载荷率增加单节段椎体骨折的可能性，而作用于颈椎分散载荷导致多节段椎骨与韧带损伤。交通事故中对头前方吸能材料的撞击增加了脊柱受载荷的时间，有效地减低了载荷率，使瞬间撞击力

5、减小，但并不减小转移到颈部的总能量。在一些情况下，头、颈部的偏转可使载荷分散至肩部或胸部。但吸能材料有控制颅骨受撞击的特性，防止颅骨偏离载荷力线。如头或脊柱功能单位的姿势被固定，虽然使其结构破坏的能量增高，但与非区定标本相比，其损伤程度也增加。3，位移在载荷不变情况下，移位越多，引起的颈椎损伤越重。限制躯干运动对预防损伤有重要意义，在汽车座位上头垫和安今带的使用明显减少了严重颈椎损伤的发生率。运动平面与其轴线垂线的交点就是物体的瞬间旋转轴线，不同的瞬间旋转轴线引起不同的损伤类型。McLain等研究发现，以l椎体前方为旋转轴，后方软组

6、织破坏早于纤维环的破坏，而不造成骨折。相反，C10lYel1等用椎体中部中央为旋转轴，在属曲运动时标本的稳定性破坏，椎间盘损害，但没有椎体楔形骨折。4载荷的方向载荷方向在损伤机制中起重要作用，在单平面分析或多平面分析中发现，大部分颈椎损伤是由同一平面上的暴力引起，但在同一平面上的载荷与运动不能充分解释颈椎损伤发生的多样性。脊柱运动方式分为两种：旋转运动（角度运动）和平移运动（线性运动）。两种运动都可用三维坐标系来表示，具有6个自由度（图3一1）。在临床上，通常以沿x轴的旋转运动代表脊柱的伸屈运动；沿y轴的旋转运动代表轴性旋转；沿z轴

7、旋转代表侧屈运动，而在临床上看到11CJ平移运动通常是椎间关节的前后脱位、侧方剪切移位和垂直脱位及压缩变形。5载荷点研究发现，作用于颅项后方的垂直暴力引起过伸性骨折，作用于颅顶前方可引起屈曲性损伤。载荷点在前后方向上较小范围内（lcm）的变化可产生的骨折有很大的差别。当载荷作用于标ffi（；C））＇（fig1t，.b＇H姑标济的损伤程度最低；当作用于标本几何中心前方lcm时，造成后方结构严重损伤和属山性不稳；如当载荷作用于标本几何中心后方lcm日刂，造成前方结构的严重损伤和伸展性不稳◇由于头、颈部的偏转，非轴向载荷中的部分可分散作用

8、于肩部，而不是头、颈部。6功能单位脊柱由相似的基本运动单位构成，此单位可独立进行研究，有时称为脊柱功能单位（functionalspinalunlt，FSU）。FSU由相邻两节椎骨和连接此椎骨的椎间盘和韧带构成。两节椎骨由后方的关节突