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脊柱的基本力学构造

 脊柱的基本力学构造

 

      正常人的脊柱由32~34块椎骨构成,包括7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、5块融合在一起的骶椎和3~5块融合在一起的尾椎。这些椎骨通过23个椎间盘、134个关节和周围许多强劲的肌肉、韧带等软组织连接在一起。此外,在脊柱内外还有供应能量的血管、控制或传递信息的神经、经络等网络系统等。以上各部分共同构成了一个严密稳定的动态的力学平衡结构体系——脊柱。

 

      从生物力学角度来看,脊柱由刚度比较大的椎骨和刚度较小的椎间盘以及附着在脊柱上的肌肉、韧带等软组织组成。分别对椎骨和椎间盘的力学特性的研究证明,椎骨大体上属于弹性材料,而椎间盘和韧带等属于粘弹性材料。在模拟人体屈曲状态下,对新鲜腰段脊柱的长期载荷效应研究表明:脊柱具有蠕变、松弛等粘弹性性质。蠕变是指对实验材料施加一个固定不变的载荷时,随着时间的延长,实验材料的变形速度逐渐增加的现象。松弛是指将实验材料固定在一定的变形之下,实验材料内部的应力随着时间的延长而逐渐减小的现象。在生理载荷范围之内,随着时间的延长,脊柱的蠕变变形不断增加,载荷松弛不断衰减。在标准载荷作用下,腰段脊柱的蠕变和松弛均是在最初的10分钟内变化较大。在载荷固定在100牛顿时,最初10分钟内的平均变形速率达到相对平衡点蠕变的40%,载荷下降占最大载荷的40%。但同样在100牛顿的载荷作用下,椎体的棘上韧带的蠕变率很小,与相对平衡点的蠕变值接近,所以腰段脊柱的蠕变和松弛主要是由椎间盘的特性造成的。

 

      脊柱在无负载的自然情况下所受到的力主要包括人体的重力、支持反作用力、韧带张力和肌肉的收缩力。人体的重力通常垂直于水面平,支持反作用力则与重力方向相反、大小相等。如果身体的长轴相对于支持面呈某种角度,则按照力的平行四边形法则,反作用力可被分解为两个分力;一个为水平分力,一个为垂直分力。韧带张力和肌肉的收缩力使脊柱的各个部分或各质点之间产生运动,因此产生相互作用的力。

 

       在不同运动状态下,脊柱各节段的受力情况和力学特性也有所不同。洪水棕等以新鲜颈段脊柱为材料,测定了在前屈、后伸、侧屈位置下受到静载荷和冲击载荷作用时的应力、应变分布与传播情况,发现在同等数值的静载荷或冲击载荷作用下,由于颈椎处于不同的屈伸位,也会引起各颈椎骨的钩椎关节的应力值及其分布规律发生变化。在使颈段脊柱前屈15°位置,并给与3Kg(相当于正常人体头部重量)的载荷时,应力与应变呈线性变化关系。各颈椎前缘和钩椎关节基本上承受压缩应变,其中以第4颈椎前缘和第5颈椎的钩椎关节的应变值最大。但使颈段脊柱处于后伸15°状态时,最大应变位置位于第6颈椎前缘和钩椎关节,而且应变和应力为非线性变化关系。说明在前屈状态下,载荷主要由颈椎骨承受,而后伸状态时,由于肌肉、韧带等粘弹性材料和颈椎后方的关节突、棘突等结构的作用,使颈段脊柱表现出粘弹性特性,显示了生物复合结构的特性。  人体脊柱即使处于相同的屈伸位置,但由于承受载荷的静、动性质差异,其应力值及其分布规律也不相同。承受正常静态重量时,脊柱的应力、应变较小 ,在冲击载荷作用下,可产生较大的应力、应变,外来暴力容易使脊柱的应力急剧加大,造成急性外伤或骨质病变。

 



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