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脊柱生物力學(xué)研究的回顧與展望
本文刊登于《醫(yī)用生物力學(xué)》2021年第36卷第2期,169-176頁

脊柱相關(guān)的臨床疾病依然是當(dāng)今社會(huì)影響人類健康和生活質(zhì)量的主要問題,如腰痛、坐骨神經(jīng)痛、成年或青少年脊柱畸形、脊柱腫瘤以及脊柱創(chuàng)傷等。脊柱是人體的重要力學(xué)支撐與運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),而與這些疾病相關(guān)的生物力學(xué)問題在很大程度并沒有被認(rèn)識(shí)清楚。因此,脊柱生物力學(xué)研究越來越受到關(guān)注。在PubMed檢索“spine”和“biomechanics”兩個(gè)關(guān)鍵詞,結(jié)果顯示,近10年來的相關(guān)文獻(xiàn)基本每年都呈穩(wěn)步增長的趨勢(shì)。而在中國知網(wǎng)檢索“脊柱”和“生物力學(xué)”兩個(gè)關(guān)鍵詞,則顯示近10年來的文獻(xiàn)量有逐年下降的趨勢(shì)?!夺t(yī)學(xué)生物力學(xué)》雜志在本期推出“脊柱生物力學(xué)專欄”,希望對(duì)國內(nèi)脊柱生物力學(xué)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

脊柱相關(guān)基本解剖結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)脊柱整體生物力學(xué)性質(zhì)的重要基礎(chǔ)。椎骨由前方椎體、后方椎弓板及一系列突起構(gòu)成,是韌帶和椎旁肌的附著點(diǎn)。研究各部分結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)描述和生物力學(xué)性質(zhì),對(duì)于認(rèn)識(shí)脊柱整體功能具有重要的意義。

 
1 椎骨的解剖與生物力學(xué)

早在20世紀(jì)90年代,脊柱各部位椎骨的解剖學(xué)定量研究已經(jīng)開始被報(bào)道[1]。在隨后的20多年間,對(duì)于頸椎、胸椎和腰椎的定量解剖學(xué)研究有更充分的闡述[2],對(duì)于人種間椎骨差異的研究自2004年也引起關(guān)注[3-4]。中國學(xué)者在上述領(lǐng)域的研究還應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開展,這對(duì)于內(nèi)固定器械的研發(fā)具有非常重要的參考價(jià)值。

從頸椎至骶骨,椎骨的橫截面積逐漸增加,生物力學(xué)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。早期大量的生物力學(xué)研究證實(shí),除椎體的橫截面積外,骨密度(bone mineral density, BMD)是與椎體力學(xué)強(qiáng)度相關(guān)的重要因素之一[5]。此外,加載速度也是影響椎體力學(xué)強(qiáng)度的因素,例如以2.5 m/s速度加載所獲得的椎體強(qiáng)度是以1mm/s準(zhǔn)靜態(tài)速度加載所獲得的椎體強(qiáng)度的2倍[6]。椎體內(nèi)松質(zhì)骨的空間架構(gòu)對(duì)椎骨的力學(xué)強(qiáng)度也有影響,BMD相同的椎骨因骨小梁結(jié)構(gòu)的差異而表現(xiàn)出不同的力學(xué)強(qiáng)度[7]。需要注意的是,在壓縮椎體的生物力學(xué)測試中,許多試驗(yàn)采用平板壓頭,而實(shí)際情況是椎體上的載荷來自鄰近的椎間盤。因此,關(guān)注這樣的生理邊界條件對(duì)于該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析具有重要意義。

脊柱屈曲時(shí),體質(zhì)量載荷更多作用于椎體,而后伸時(shí)則對(duì)后部椎弓產(chǎn)生更大的壓力。但是隨著年齡增加,特別是60歲以后,椎弓所承受的體質(zhì)量載荷比例逐漸增加。Adams等[8]研究認(rèn)為,這主要是由于椎間盤高度丟失所致。由于體質(zhì)量載荷隨年齡在椎骨前后兩部分分配比例的差異,Adams等[8]提出椎體BMD下降是由于前柱載荷逐漸減少所致。但目前對(duì)于該假說尚未有明確的試驗(yàn)驗(yàn)證,椎骨BMD與椎間盤退變的直接相關(guān)關(guān)系也需要特別關(guān)注。

通過非侵入性檢查預(yù)測骨的力學(xué)強(qiáng)度是臨床醫(yī)生所關(guān)注的問題。隨著計(jì)算機(jī)斷層(computed tomography,CT)掃描和micro-CT掃描等影像技術(shù)的進(jìn)步,椎骨內(nèi)部松質(zhì)骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)和形態(tài)計(jì)量學(xué)在近20年來得到長足進(jìn)步[9]。利用這些影像學(xué)技術(shù)可以對(duì)椎骨BMD進(jìn)行定量研究。雙能X線吸收法(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)作為臨床上常用的BMD測量方法,是用于評(píng)估骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生概率的重要工具。生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí),面積BMD與松質(zhì)骨力學(xué)強(qiáng)度具有一定的相關(guān)性,可以作為判斷骨力學(xué)強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)。然而,不同骨的BMD與其力學(xué)強(qiáng)度的相關(guān)性存在差異。例如,股骨面積BMD占其力學(xué)強(qiáng)度的70%,而椎骨面積BMD僅占其力學(xué)強(qiáng)度的40%[10]。生物力學(xué)CT(biomechanical CT,BCT)分析是臨床測量骨強(qiáng)度、評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松的一個(gè)新指標(biāo),其原理是對(duì)臨床患者現(xiàn)有CT影像進(jìn)行有限元分析,提供骨強(qiáng)度、BMD等指標(biāo),而無需進(jìn)行另外的檢查[11]。

椎骨的生物力學(xué)研究盡管已經(jīng)非常豐富,但是對(duì)于椎骨內(nèi)部松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)特征仍需進(jìn)一步深入了解,特別是年齡變化和骨質(zhì)疏松的關(guān)系。Adams等[8]提出的年齡相關(guān)的椎間盤高度降低導(dǎo)致椎骨BMD降低假說,也需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)支撐。此外,從椎體作為椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)來源的角度探討椎骨與椎間盤的關(guān)系,對(duì)進(jìn)一步了解椎間盤衰老與退變具有重要意義。

 
2 椎間盤的解剖與生物力學(xué)

椎間盤是脊柱生物力學(xué)最為關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。早期的解剖學(xué)研究主要關(guān)注椎間盤的基本結(jié)果,以及脊柱不同節(jié)段椎間盤高度差異等基礎(chǔ)問題。近些年來,學(xué)者開始對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)開展研究。Wade等[12]在綿羊的腰椎椎間盤超微結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn),纖維環(huán)中大量的結(jié)締組織纖維束構(gòu)成三維分葉狀結(jié)構(gòu),插入軟骨終板基質(zhì)中;這種分葉的形態(tài)特點(diǎn)增加了纖維束與基質(zhì)之間的接觸面積,是椎間盤抗剪切力的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。Sapiee等[13]在后續(xù)進(jìn)一步提供了新的證據(jù)。

椎間盤衰老和退化伴隨著其解剖學(xué)形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的改變,這也是學(xué)者們普遍關(guān)注的問題。磁共振成像(magnetic resonance image, MRI)可以觀察椎間盤及其內(nèi)部髓核結(jié)構(gòu),成為研究椎間盤一個(gè)重要手段,也是目前臨床判斷椎間盤退變的主要診斷方法。有學(xué)者利用MRI掃描儀建立磁共振彈性成像(magnetic resonance elastography, MRE)同時(shí)測量髓核和纖維環(huán)剪切模量的方法,可以用于描述椎間盤的復(fù)雜結(jié)構(gòu),為認(rèn)識(shí)椎間盤力學(xué)行為提供了新方法[14-15]。

早期的生物力學(xué)研究獲得了椎間盤在軸向壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等方向的剛度,由于椎間關(guān)節(jié)的存在,椎間盤剛度在不同加載方向上(如前/后方向的剪切)存在顯著差異。盡管頸椎揮鞭傷和腰椎座帶傷等脊柱牽拉傷存在一定的發(fā)病率,但是對(duì)于椎間盤的拉伸剛度依然研究較少。椎間盤的黏彈性特征是另外一個(gè)生物力學(xué)研究重點(diǎn)。Kazarian[16]較早地描述了腰椎椎間盤的基本蠕變特征,并發(fā)現(xiàn)退變的椎間盤較正常椎間盤形變速度快。隨后的許多研究豐富了腰椎椎間盤的黏彈性特征,例如6個(gè)自由度的剛度對(duì)于載荷頻率敏感,當(dāng)載荷頻率從mHz增加至1 Hz時(shí),剛度增加83%。同樣,椎間盤剛度也伴隨加載速度增加而顯著增加[17]

纖維環(huán)的基本生物力學(xué)特征與其在椎間盤中的位置、載荷方向、退變程度均密切相關(guān),椎間盤外纖維環(huán)的剛度是內(nèi)纖維環(huán)的2~3[18]。髓核具有流體樣的力學(xué)性質(zhì),這樣的性質(zhì)僅適用于低載荷速率,但是在高載荷速率壓縮下,髓核的力學(xué)性質(zhì)更偏向固體[19]。而對(duì)于退變的椎間盤而言,無論載荷的速度高低,髓核的力學(xué)特性更偏向固體[20]

研究顯示,在軸向載荷作用下,髓核對(duì)終板產(chǎn)生內(nèi)部靜水壓,而對(duì)膨出的纖維環(huán)產(chǎn)生張力。但是隨著年齡的增加和退變的發(fā)生,椎間盤內(nèi)的壓力降低,而通過纖維環(huán)傳導(dǎo)的壓力增加[21]。Mcnally等[22]利用壓力輪廓測定法對(duì)正常和退變的椎間盤進(jìn)行研究,豐富了對(duì)正常椎間盤不同分區(qū)載荷特征的認(rèn)識(shí),也發(fā)現(xiàn)椎間盤退變后中心區(qū)載荷大幅下降的特點(diǎn)。

在20世紀(jì)80年代就有報(bào)道,椎間盤營養(yǎng)來自經(jīng)終板的擴(kuò)散,但是直到2000年以后研究者才從臨床和實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了這一理論[23]。生物力學(xué)研究則進(jìn)一步解釋了營養(yǎng)擴(kuò)散的機(jī)制,其中比較有興趣的是利用計(jì)算機(jī)模型和器官培養(yǎng)模型研究椎間盤內(nèi)壓力周期性的正常晝夜變化[24]。

椎間盤損傷是衰老和退變的一個(gè)重要標(biāo)志。除了椎間盤突出以外,還有終板骨折(見脊柱功能單位部分)、纖維環(huán)分層和纖維環(huán)撕裂。一項(xiàng)人體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)顯示,纖維環(huán)撕裂可以顯著降低椎間盤的扭轉(zhuǎn)剛度[25]。退變纖維環(huán)的高剪切應(yīng)力是導(dǎo)致椎間盤分層的主要原因[26]。

隨著對(duì)椎間盤顯微解剖結(jié)構(gòu)和生理功能的深入了解,針對(duì)椎間盤的研究進(jìn)展迅速。這些見解無疑將有助于目前對(duì)正常椎間盤功能的理解,并可能闡明損傷和退變機(jī)制。未來對(duì)椎間盤營養(yǎng)的研究顯然很重要,特別是在區(qū)分正常和潛在的痛性退變方面。最后,椎間盤的生物力學(xué)變化與臨床癥狀之間的聯(lián)系非常重要,但目前人們對(duì)其知之甚少。

 
3 脊柱韌帶的解剖與生物力學(xué)

脊柱韌帶是連接鄰近椎骨的單軸結(jié)構(gòu)。韌帶允許脊柱在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),避免損傷鄰近的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。脊柱的韌帶富含膠原纖維,同時(shí)也含有一些彈性纖維、蛋白多糖和水分。膠原的排列方向基本與韌帶的軸向一致,但是較寬的韌帶如棘間韌帶具有更多變的膠原結(jié)構(gòu),同時(shí)脊柱韌帶本身具有痛疼感受器[27]。

1969年,Golub等[28]首次描述了椎間孔韌帶。首先,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)外口區(qū)橫跨型韌帶。橫跨型韌帶是指在椎間孔內(nèi)連接椎間孔內(nèi)周圍結(jié)構(gòu)的韌帶,存在于70%~90%人類腰椎椎間孔中;主要分為兩種,分別為連接椎體和橫突之間的體橫韌帶(上體橫韌帶和下體橫韌帶)和除了體橫韌帶之外的橫跨在椎間孔上的橫孔韌帶(上橫孔韌帶、中橫孔韌帶及下橫孔韌帶)[29]。隨后,有學(xué)者對(duì)腰椎椎間孔韌帶進(jìn)行拉伸生物力學(xué)測試[30],研究發(fā)現(xiàn),腰椎椎間孔中存在兩種類型的韌帶,即放射型韌帶和橫跨型韌帶,而且放射型韌帶比橫跨型韌帶分布更為廣泛;放射型韌帶連接神經(jīng)根袖和椎間孔周圍結(jié)構(gòu),與腰痛具有更密切的關(guān)系[31-32]。

腰椎韌帶的載荷-位移呈非線性特征,是最早被研究的脊柱韌帶。隨后,越來越多的頸椎和胸椎韌帶的生物力學(xué)特性被報(bào)道[33]。在認(rèn)識(shí)脊柱韌帶在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的力學(xué)性質(zhì)后,一些學(xué)者開始研究韌帶的黏彈性特征,載荷速度越快,其載荷-位移曲線約陡峭[33]。脊柱韌帶的應(yīng)力松弛特征也展現(xiàn)出非線性黏彈性特點(diǎn)[34]。

脊柱韌帶的生物力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨時(shí)間以及韌帶所承受的載荷而變化。例如,Neumann等[35]發(fā)現(xiàn),前縱韌帶強(qiáng)度與其鄰近椎骨BMD相關(guān)。研究者在頸椎和腰椎都發(fā)現(xiàn),韌帶強(qiáng)度隨年齡增長而降低[33]。Kotani等[36]還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象,與脊柱固定器械平行的韌帶剛度和強(qiáng)度都有所減少,推測與廢用性萎縮有關(guān)。

脊柱韌帶并非一條彈力帶,其結(jié)構(gòu)和功能更為復(fù)雜。有研究發(fā)現(xiàn),脊柱韌帶內(nèi)具有力學(xué)感受器,故可以推斷韌帶本身并不僅僅是脊柱的一個(gè)彈性穩(wěn)定器,而很可能也扮演著主動(dòng)的角色[37]。因此,脊柱韌帶的適應(yīng)性和本體感受特性都應(yīng)成為未來研究的重點(diǎn)。脊柱韌帶更詳盡的定量解剖學(xué)和生物力學(xué)研究,對(duì)于建立更精確的脊柱有限元模型具有重要意義。

 
4 脊柱功能單位的生物力學(xué)

脊柱功能單位(functional spinal unit,F(xiàn)SU)是脊柱的基本構(gòu)成單位,包括兩個(gè)鄰近的椎體、椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和椎骨間的韌帶。FSU對(duì)壓縮載荷的生物力學(xué)響應(yīng)是最早開展研究的領(lǐng)域[21]。隨后,許多學(xué)者對(duì)頸椎、胸椎和腰椎FSU的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行廣泛研究,包括頸椎和腰椎的主運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)-側(cè)彎耦合運(yùn)動(dòng)分析[38]。

在脊柱運(yùn)動(dòng)分析中,首先定義了脊柱的運(yùn)動(dòng)范圍(range of motion, ROM),即在固定載荷作用下FSU的全部ROM。在FSU側(cè)彎運(yùn)動(dòng)分析中的非線性行為導(dǎo)致對(duì)中性區(qū)(neutral zone,NZ)的定義。NZ代表載荷-位移曲線中的低剛度區(qū),相對(duì)于眾所周知的ROM而言,NZ也稱為關(guān)節(jié)松弛區(qū)。有關(guān)不同載荷對(duì)NZ影響的研究均發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要特征,即相對(duì)于ROM而言,NZ對(duì)損傷的敏感度極高[39-40]

脊柱肌的主動(dòng)收縮是FSU的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力,故FSU縱向載荷對(duì)其生物力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。在縱向壓縮力作用下,F(xiàn)SU的側(cè)彎運(yùn)動(dòng)減少,其原因可能試驗(yàn)中施加的人工載荷增加了關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸面積,同時(shí)壓縮載荷也增加了纖維環(huán)的剛度[41]。在縱向加載的方式中,有一種特殊的方式被稱為定向載荷(follower load)。Patwardham等[42]開展多節(jié)段FSU試驗(yàn)測試,通過在每個(gè)椎體水平的旋轉(zhuǎn)矢狀中心施加壓縮預(yù)載荷,觀察到壓縮預(yù)載荷可以限制FSU的剛度增加。因此,定向載荷方式是在實(shí)驗(yàn)室中模擬生理壓縮載荷的有效方法。然而應(yīng)當(dāng)注意的是,定向載荷并不能復(fù)制所有姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)過程中脊柱肌肉的生理動(dòng)作。

終板骨折和椎間盤突出是臨床常見的脊柱疾病,也是FSU研究中的兩種常見損傷模型。FSU在軸向壓縮載荷下,最初的骨折通常發(fā)生于終板,這是由于直接與終板接觸的髓核的高壓力所致[43]。由于上終板比下終板薄,故上終板通常最先發(fā)生骨折。在實(shí)驗(yàn)室制作椎間盤突出模型是一項(xiàng)重要工作,不同研究探索了不同方法,包括快速的偏心載荷、長時(shí)間的周期載荷或高速的一次性沖擊[43]。這些研究和有限元分析都證實(shí),椎間盤突出是由于纖維環(huán)在生理極限運(yùn)動(dòng)時(shí)受到一個(gè)大的壓縮載荷所致。

 在一系列FSU的模型研究中,椎間盤急性損傷的一些重要特征被發(fā)現(xiàn)。所有椎間盤的損傷均會(huì)對(duì)脊柱產(chǎn)生一些生物力學(xué)效應(yīng),包括改變FSU各個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)或載荷分布[44]。首先,這些生物力學(xué)效應(yīng)發(fā)生改變的程度與椎間盤損傷的程度成正比,例如部分髓核切除比髓核完全切除對(duì)FSU運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響要小[44]。其次,小創(chuàng)傷也會(huì)產(chǎn)生顯著的生物學(xué)效應(yīng)。一系列以不同種屬動(dòng)物為模型的研究均表明,即使針刺這樣的小創(chuàng)傷,也會(huì)導(dǎo)致椎間盤退行性改變[45]。最后,椎間盤病變愈合的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明,纖維環(huán)自然修復(fù)后并不能恢復(fù)FSU的生物力學(xué)響應(yīng),故最大限度地避免纖維環(huán)的醫(yī)源性損傷非常重要。

關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)損傷對(duì)FSU生物力學(xué)行為的影響開展最早。Alumi等[46]研究發(fā)現(xiàn),只有腰椎的關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)全部切除才會(huì)發(fā)生ROM增加,該結(jié)果也獲得計(jì)算機(jī)模型的支持。在頸椎的研究則發(fā)現(xiàn),內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)切除25%就會(huì)大幅度增加該節(jié)段ROM[47]。這些基礎(chǔ)的生物力學(xué)研究為臨床脊柱外科的手術(shù)策略提供實(shí)際的指導(dǎo)。

由于椎間盤退變會(huì)顯著改變FSU軸向壓縮的應(yīng)力分布,故一些團(tuán)隊(duì)報(bào)道了FSU剛度與椎間盤退變的關(guān)系[21]。Nachemson等[48]在體外研究中也發(fā)現(xiàn),椎間盤退變可以增加腰椎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但是臨床證據(jù)充分顯示,老年人和腰痛患者ROM較無癥狀者要小,這個(gè)結(jié)論似乎與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互矛盾。因此,許多學(xué)者圍繞腰椎FSU的ROM與椎間盤退變關(guān)系展開研究。結(jié)果顯示,退變嚴(yán)重的椎間盤會(huì)輕度減少腰椎FSU屈伸和側(cè)彎的運(yùn)動(dòng),同時(shí)也輕度增加軸向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)[49]。因此,在臨床上觀察到的腰痛患者ROM減少可能與疼痛有關(guān),而年齡增長所帶來ROM減少可能與肌力改變相關(guān),而與脊柱本身的靈活性關(guān)系不大。

FSU的生物力學(xué)特征是描述和理解脊柱及其創(chuàng)傷和病變的重要基礎(chǔ)。雖然大量研究已經(jīng)描述了不同脊柱節(jié)段的生物力學(xué)響應(yīng),但是隨著一些新技術(shù)的發(fā)展,如頸椎間盤置換術(shù),對(duì)于頸椎和胸椎不同節(jié)段間FSU的剪切行為需要給與特別的關(guān)注與研究[50]。NZ作為FSU的一個(gè)重要非線性參數(shù),對(duì)于損傷非常敏感,但是如何實(shí)現(xiàn)在體測量依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。有限元模型是目前脊柱生物力學(xué)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要手段,更精細(xì)而準(zhǔn)確的全脊柱三維剛度信息對(duì)于建立有效模型非常重要。同時(shí),BMD和椎間盤退變對(duì)FSU的生物力學(xué)性質(zhì)影響頗深。通過體外試驗(yàn)評(píng)價(jià)和分析這些因素對(duì)脊柱生物力學(xué)功能的影響,也需要更詳盡的信息。而有限元模型如果能夠有效整合這些參數(shù),也會(huì)提供更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

 
5 脊柱的生物力學(xué)

        脊柱詳盡的三維解剖和生理彎曲知識(shí),對(duì)于認(rèn)識(shí)其整體的生物力學(xué)性質(zhì)非常重要。骨盆作為脊柱的基礎(chǔ),其本身的解剖參數(shù)對(duì)于描述整體脊柱的位置,脊柱與骨盆和髖關(guān)節(jié)的關(guān)系是非常重要的。為此,Lafage等[51]提出了“矢狀平衡”的概念,涉及骨盆、骨盆傾斜角和骶骨斜率等參數(shù),可以充分量化骨盆位置及與髖關(guān)節(jié)和骶骨的關(guān)系[52]。在這些參數(shù)中,骨盆的參數(shù)為常量,骶骨斜率和骨盆傾斜度與位置相關(guān)。頸椎的參數(shù)包括上頸椎(C0~2)曲率、下頸椎(C2~7)曲率、C7斜率、脊顱角和頸椎垂直偏差。胸椎和腰椎水平分別為后凸角和前凸角[53-55]。齒突-髖軸角是分析全脊柱平衡的有效參數(shù)[56]。分析這些參數(shù)之間的關(guān)系,既可以對(duì)不同的脊柱形態(tài)進(jìn)行分類,也可以了解在衰老過程中脊柱、骨盆和下肢三者之間的相互代償機(jī)制。Patwardhan等[57]研究頸椎(C2~7)在矢狀平衡條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)響應(yīng),證實(shí)頸椎矢狀平衡失調(diào)在多節(jié)段融合后加速鄰近節(jié)段退變的機(jī)制中扮演重要角色。

        脊柱整體的生物力學(xué)功能是提供結(jié)構(gòu)的支撐、運(yùn)動(dòng)軀干和保護(hù)神經(jīng)。脊柱本身承受載荷,也在載荷的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)并維持平橫,但是至今為止,對(duì)于脊柱的功能尚沒能形成一個(gè)統(tǒng)一的原則,唯一確認(rèn)的是脊柱是在滿足身體平衡的條件下來維持自身的穩(wěn)定。1992年,Panjabi[58-59]提出脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)假說,旨在將骨韌帶構(gòu)成的脊柱被動(dòng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與神經(jīng)肌肉構(gòu)成的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)系在一起。這個(gè)假說的前提是脊柱需要在任何時(shí)候都維持力學(xué)穩(wěn)定以避免導(dǎo)致疼痛的損傷,而復(fù)雜的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在維持力學(xué)穩(wěn)定中扮演重要角色。雖然這個(gè)概念仍然只是一個(gè)假說,但應(yīng)當(dāng)成為以后研究的一個(gè)重要方向。
        對(duì)于體內(nèi)脊柱載荷的研究主要集中在軸向壓縮方向。由于剪切對(duì)椎間盤內(nèi)的壓力影響很小,故不能借助椎間盤內(nèi)壓力來估算其所承受的剪切力。脊柱的剪切載荷和肌力主要來源于數(shù)學(xué)模型的估算[60-61]。因此,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)數(shù)據(jù)可以為這些模型的驗(yàn)證提供重要支撐。
        Rohlmann等[62-63]發(fā)明了基于遙測技術(shù)的脊柱固定器械,并應(yīng)用于測量體內(nèi)脊柱的載荷。通過在帶有應(yīng)變片的不同植入器械,可以記錄患者體內(nèi)脊柱固定器械在一定ROM內(nèi)所承受的力和力矩。這種技術(shù)可用于前路和后路的脊柱固定器械。更為令人印象深刻的是,該研究團(tuán)隊(duì)在互聯(lián)網(wǎng)上共享了這些數(shù)據(jù)(www.orthoload.com),使有興趣的讀者可以了解任何患者在任何運(yùn)動(dòng)下的器械受力數(shù)據(jù)。
        脊柱穩(wěn)定性一直是脊柱生物力學(xué)所關(guān)注的核心問題,雖然不同學(xué)者給出不同定義,但是仍然缺乏適用于臨床應(yīng)用的統(tǒng)一觀點(diǎn)。力學(xué)穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在受到擾動(dòng)后恢復(fù)其原始狀態(tài)的能力。一個(gè)力學(xué)不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)會(huì)在壓縮載荷下出現(xiàn)局部膨出,這與脊柱的臨床問題非常吻合。早期的研究強(qiáng)調(diào),如果沒有脊柱肌肉組織的主動(dòng)收縮運(yùn)動(dòng),脊柱在力學(xué)上是不穩(wěn)定的。現(xiàn)有研究表明,在低的壓縮載荷下,人體脊柱是不穩(wěn)定的。例如,腰椎小于80 N [64-65],頸椎小于12 N[66]。脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)假說強(qiáng)調(diào)了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的關(guān)鍵作用[58]。隨后,力學(xué)穩(wěn)定性的概念被納入描述脊柱系統(tǒng)基本功能的數(shù)學(xué)模型中[60,67]。此外,這一概念還被用于定義和評(píng)估腰痛患者的康復(fù)訓(xùn)練[68]。雖然力學(xué)穩(wěn)定性與脊柱臨床問題相關(guān)的所有細(xì)節(jié)尚未得到充分認(rèn)識(shí),但這仍然是一個(gè)活躍且富有成果的研究領(lǐng)域[69]。
        目前許多研究建立了脊柱數(shù)學(xué)模型的方法,包括簡單的方程模型、肌電圖輔助模型、肌骨動(dòng)力學(xué)模型和不同復(fù)雜程度的有限元模型[60,70-71]。伴隨計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng),這些模型更豐富了對(duì)脊柱生物力學(xué)特性的了解。然而,任何模型都存在一個(gè)有效性驗(yàn)證的問題,需要將預(yù)測模型與具有代表性的體內(nèi)或體外測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較。
        關(guān)于整體脊柱的研究,未來仍然有許多可以深入發(fā)掘的研究內(nèi)容,例如:如何更準(zhǔn)確地估算脊柱載荷,包括所有脊柱節(jié)段的剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷;如何更準(zhǔn)確地描述脊柱節(jié)段交界區(qū),如枕頸、頸胸、胸腰和腰骶區(qū)獨(dú)特的生物力學(xué)特征;如何將這些特征與臨床問題聯(lián)系起來;經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型能否對(duì)臨床各種治療結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。
 
結(jié)
        脊柱的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功能特殊,科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步為研究脊柱生物力學(xué)提供了更多更豐富的方法和手段;同時(shí),臨床治療手段的改善與突破,特別是脊柱微創(chuàng)外科的大力發(fā)展,促使脊柱相關(guān)的微創(chuàng)解剖和生物力學(xué)研究都需要與時(shí)俱進(jìn)。本期專欄發(fā)表了中國學(xué)者在脊柱生物力學(xué)領(lǐng)域的研究成果,研究方法涉及體外標(biāo)本實(shí)驗(yàn)、有限元仿真分析和動(dòng)物實(shí)驗(yàn),基本代表國內(nèi)的脊柱生物力學(xué)研究水平。也期待在未來的日子里,國內(nèi)脊柱生物力學(xué)研究能取得更大的進(jìn)步。

作者:歐陽鈞,錢蕾,孫培棟(南方醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)


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《醫(yī)用生物力學(xué)》雜志創(chuàng)刊于1986年,由上海交通大學(xué)主辦,中華人民共和國教育部主管,是國內(nèi)唯一一本公開發(fā)行,積極反映醫(yī)學(xué)生物力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究成果,推動(dòng)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流,促進(jìn)醫(yī)、理、工各學(xué)科相互了解和合作為目的學(xué)術(shù)性刊物。報(bào)道內(nèi)容主要包括醫(yī)學(xué)生物力學(xué)領(lǐng)域中有關(guān)固體力學(xué)、流體力學(xué)、流變學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等方面的研究論文。雜志目前是中國科技和北京大學(xué)圖書館雙核心期刊。

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