چکیده
در مطالعه انجام شده راهها و روشهای کاهش درد در ستون فقرات و کمر بوسیله کاهش فشار به عصب و نخاع در جابجایی‌ها و آسیب دیده‌گی های مهره مورد بررسی قرار گرفته است. برای رسیدن به این مقصود البته تحقیقاتی درمورد آسیب دیده‌گیها و بیماریهای ستون فقرات، باری و همان‌های وارد شونده به مهره‌ها، انواع تثبیت کننده‌های ستون فقرات انجام شده و در ادامه اصول جایگذاری کیج‌ها، انواع مختلف آن و مزیت‌های هر یک به تفصیل مورد ارزیابی قرار گرفته است.
در گام بعدی به مفاهیم فتق دیسک (Degenerative) ، فیوژن ستون فقرات و اثرات پیوند های استخوانی (bonegraft) در استحکام استخوان پرداخته شده و تأثیرات آلیاژهای سازنده ایمپلنتها در چگونگی عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
از اهداف دیگر این تحقیق می‌توان به روشهای بهینه سازی کیج‌ها از طریق ایجاد مدل المان محدود برای تعیین رفتار بیومکانیکی ناحیه کمری ستون فقرات اشاره کرد که در این خصوص ابتدا تحلیل بر تنشهای وارد بر کیج LT (کیج مخروطی) در حالتهای مختلف standing ، extention ، lateral bending و flextion صورت گرفت و در نهایت در گامی دیگر، مقایسه‌ای نیز بین تنشهای وارد بر سطوح تکیه‌گاهی روکیج LT و Jaguar انجام پذیرفت که نتایج بدست آمده از حالتهای مختلف Standing ، extention ، lateral bending و flextion بر روی سطح تکیه‌گاهی (inferior) کیج LT حاکی از آن بود که بیشترین تنش Vonmrses به ترتیب مربوط به حالت lateral bending ، externion ، به flextion و کمترین تنش نیز مربوط به حالت standing می‌باشد. بنابراین افرادی که از این نوع کیج استفاده می‌کنند باید از حرکات جانبی بیش از 5 درجه و حرکات extention (خم شدن به پشت) بیش از 3 درجه که تنشی بین از حالت flextion ایجاد می‌کند خودداری کند.
همچنین مقایسه‌ای که بین کیج LT و کیج Jaguar انجام گرفت نشان داد که کیج Jaguar در حالت Standing یعنی بدون همان کمترین تنش را دارا می‌باشد. اما زمانیکه حالت flextion را در ستون فقرات داریم کیج مکعب مستطیل (Jaguar cage) بیشترین نقاط ضعف را بدلیل بالابودن تنش در نقاط خاص مانند گوشه‌ها و نقاط تمرکز تنش از خود نشان می‌دهد. بنابراین پیشنهاد می‌گردد که کیج Jaguar با توجه به قابلیت بالای stress shielding برای افراد سالخورده یا افرادی که به دلایل خاص از اورتزهای kinght tylor و دیگر تثبیت کننده‌ها استفاده می‌کنند و کیج LT نیز برای ورزشکاران و افراد جوانتر که نیاز به تحرک بیشتری مخصوصاً در حالت flextion دارند استفاده گردد.
مقدمه
ستون فقرات محور تنه و اسکلت انسان را تشکیل می‌دهد و با توجه به بیماریهای مختلف این بخش از بدن و گستردگی آن تعیین راهها و روشهای کاهش درد در ستون فقرات و کمر یکی از اهداف محققان، مهندسان و جامعه پزشکی می‌باشد. یکی از اشکالات بسیار شایع در این خصوص مشکلات بوجود آمده در دیسک بین مهره‌ای و بیماریهای فتق دیسک می‌باشد.
فتق دیسک در ستون فقرات عارضه ایست که بصورت گسترده در جوامع مختلف وجود دارد. راههای مختلفی برای درمان آن پیشنهاد و اجرا شده است که این روش‌ها روز به روز کامل‌تر شده و پیشرفت خودشان را در درمان این بیماری نشان می‌دهند. برای درمان ضایعات فتق دیسک وسایل و تجهیزات خاصی ابداع و ساخته شده است که یکی از این وسایل کیج (Cage) می‌باشد. کیج وسیله‌ایست که برای درمان فتق دیسک در ستون فقرات در نواحی مختلف آن بکار می‌رود. به طور کلی کیج‌ها وسایلی هستند که جوش خوردن استخوان را در ستون فقرات بویژه در بیماریهای تخریب و فتق دیسک (Degenerative) تسریع می‌بخشد.
کیج‌ها انواع مختلفی دارند که هر روز شاهد پیشرفت در نوع طراحی، جنس و نوع جاگذاری آن هستیم.
مروری بر آناتومی
ستون فقرات محور تنه و اسکلت آدمی را تشکیل می‌دهد. اندامهای فوقانی و تحتانی بترتیب توسط کمربند شانه‌ای و کمربند لگنی بر ستون فقرات تکیه کرده و به آت متصل می‌شوند. ستون فقرات از استخوان مجزایی بنام مهره که در یک ستون روی هم چیده شده‌اند، تشکیل شده است. هر مهره دارای یک بدنه استوانه‌ای است که در تحمل وزن سهیم است و یک قوس استخوانی (Spinous process, lamina) که نخاع را حمایت می‌کند و به صورت پوششی برای آن است. قوس استخوانی توسط دو استوانه کوچک (pedicle) به بدنه متصل شده است. کانال دایره‌ای بین بدنه، قوس و pedicle ها نخاع را احاطه می‌کند و کانال ستون فقرات نام دارد. بین بدنه کیج‌ها را با عمل‌های جراحی در بین مهره‌ها قرار می‌دهند که در این جراحی ضمن نصب کیج عمل فیوژن (fusion) نیز انجام می‌پذیرد. در عمل فیوژن یا همجوشی معمولاً از استخوان خود شخصی برای پیوند استخوان استفاده می‌شود.
با توجه به اینکه امکان بیرون آوردن کیج از بدن بیمار وجود دارد بنابراین باید مراحل در طراحی و ساخت آن با دقت فراوان انجام پذیرد. تاکنون مطالعات چندی به منظور بررسی اثر عوامل مختلف بر میزان تنشهای وارده به کیج‌های ستون فقرات انجام گرفته که برخی از آنها روی بدن انسان در بعضی روی نمونه‌های اجساد و برخی دیگر روی موشهای مصنوعی انجام شده‌اند، با توجه به مشکلاتی که گریبان‌گیر شیوه‌های تجربی است مدلسازی المان محدود نیز به عنوان یکی از روشهای مطالعه مورد توجه قرار گرفته است.
در این بررسی قصد بر آن است که ضمن ارائه تاریخچه‌ای از بوجود آمدن و ابداع کیج‌ها و Spacer های ستون فقرات به بیان چگونگی نیوژن ستون فقران و روشهای جراحی آن پرداخته شود. در این خصوص مقایسه‌ای بین و کیج LT در کیج مخروطی وکیج Jaguar مستطیلی با استفاده از روشهای FEM و نرم‌افزار Ansys انجام گرفته که نتایج آن در فصل آخر بیان شده است.
آناتومی ستون فقرات
ستون مهره (Spine) یکی از پیچیده‌ترین قسمتهای اسکلت بدن می‌باشد. این ستون، اسکلت محوری بدن را تشکیل داده و از طریق آن وزن تنه، سر و گردن و اندامها به مفاصل لگن و اندامهای تحتانی منتقل می‌شوند. ستون مهره از قاعده جمجمه شروع و تا ناحیه لگن ادامه دارد. تعدادمهره‌ها در ستون فقرات 33 عدد می‌باشد ولی بعلت جوش خوردن مهره‌های خاجی و دنبالچه، در یک فرد بالغ ستون فقرات از 26 قطعه تشکیل می‌شود. ستون فقرات از نیم رخ دارای چهار انحنا است که شامل دو انحناء اولیه و دو انحناء ثانویه می‌باشد. انحناهای مختلف ستون فقرات باعث توزیع مناسب نیرو گردیده و از اعمال فشار نامناسب بر ستون مهره و لگن جلوگیری می‌کند. در بعضی از افراد ممکن است به دلایل پاتولوژیک و یا تکامل غیر طبیعی مهره‌ها، قوسهای غیرطبیعی در ستون فقرات ایجاد شود، که در این صورت باید با عمل جراحی و با استفاده از ایمپلانت های مهره‌ای این قوسها را تصحیح نمود.
تقسیم‌بندی منطقه‌ای ستون مهره‌ها:
1- مهره‌های گردنی (Cervical Vertebral) به تعداد 7 مهر
2- مهره‌های سینه‌ای (Thoracic Vertebral) به تعداد 12 مهره
3- مهره‌های کمری (Lumbar Vertebral) به تعداد 5 مهره
4- مهره‌های ساکروم یا خاجی (Sacral Vertebral) به تعداد 5 عدد که بهم جوش خورده و در بالغین یک عدد است.
5- مهره دنبالچه (Coccyx) : یک عدد بوده که از جوش خوردن چهار مهره ابتدایی و تکامل نیافته ایجاد می‌شود.
ساختمان مهره‌های ستون فقرات
هر مهره از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود:
1- تنه مهره
2- قوس مهره
- تنه مهره به شکل استوانه‌ای است که دارای شش سطح می‌باشد. سطح فوقانی و تحتانی هر مهره از طریق دیسک بین مهره‌ای با مهره‌های مجاور مفصل می‌شود (مفصل کاذب غضروفی). در ضخامت جسم مهره‌ها بافت اسفنجی وجود دارد. هندسه تنه مهره‌ها در تحمل وزن اهمیت دارد.
- قوس مهره‌ای، از زوائدی تشکیل می‌شود که نقش اصلی آنها محافظت از نخاع و حرکت در ستون مهره می‌باشد.
ویژگیهای قوس مهره ای:
هر قوس مهره در ایام جنینی از دو نیم قوس راست و چپ تشکیل شده که هر نیم قوس شامل 1- لامینا (Lamian) 2- پدیکول می‌باشد.
از بهم رسیدن لامیناهای راست و چپ در عقب، زائده خلفی بنام زائده خاری ایجاد می‌شود.
از محل تلاقی زائده لامینا و زائده پدیکول سه زائده خارج می‌شوند که عبارتند از:
1- زائده عرضی که در جهت عرضی امتداد داشته و این زائده زوج می‌باشد.
2- زائده مفصلی فوقانی دو زائده است که به سمت بالا امتداد دارد.
جهت رویه مفصلی آن به عقب است. در زمان حیات رویه مفصلی با غضروف پوشیده شده است.
3- زائده مفصلی تحتانی: 2 زائده است و رو به پایین امتداد دارد. جهت رویه مفصلی آن به جلو است.
- بریدگی مهره تحتانی در بالای هر پدیکول این بریدگی کم عمق وجود دارد.
سوراخ بین مهره‌ای بریدگی‌های فوِ در هر طرف وقتی که مهره‌ها به واسطه دیسکهای بین مهره‌ای روی هم قرار می‌گیرند تشکیل سوراخ بین مهره‌ای را می‌دهند از این سوراخها طناب نخاعی عبور می‌کند.
انحنای ستون فقرات
ستون مهره‌ها شامل 4 انحناء است:
1- انحنای ناحیه گردنی
این انحناء دارای تحدب قدامی است که تا دومین مهره سینه‌ای ادامه دارد.
2- انحنای ناحیه سینه‌ای
این انحناء دارای تقعر قدامی است.
3- انحنای ناحیه کمری
این انحناء دارای تحدب قدامی است که از دوازدهمین مهره سینه‌ای شروع می‌شود این انحنای ثانوی در اواخر سال اول که بچه از حالت نشستن وارد حالت ایستادن و راه رفتن می‌شود، در مهره‌های کمری پدید می‌آید انحنای کمری در وضعیت قائم تشدید می‌شود و تنه مهره‌ها را به جدار قدامی شکم نزدیک می‌کند.
4- انحنای خاجی
این انحناء دارای تقعر قدامی است و برای جا دادن احشای لگنی می‌باشد.
خصوصیات مهره‌های کمری
1- فاقد رویه مفصلی برای دنده‌ها هستند.
2- فاقد سوراخ عرضی هستند.
3- تنه مهره درشت‌تر از سایر مهره‌ها است. ارتفاع تنه پنجمین مهره کمری (5 L ) در طرف جلو بیشتر از طرف عقب است. تنه چهارمین مهره کمری با بلندترین نقطه ستیغ خاصره همسطح است.
4- سوراخ مهره سه گوش است. از سوراخ مهره‌های سینه‌ای بزرگتر و از سوراخ مهره‌های گردنی کوچکتر است.
5- زائده خاری افقی، چهارگوش و ضخیم است.
6- روائد عرضی باریک و طویل است. زائده فرعی برجستگی است که در قسمت خلفی ریشه آنها دیده می‌شود. زائده‌های عرضی مهره پنجم کمری حجیم است و به آن رباط خاصره‌ای کمری اتصال می‌یابد.
7- زوائد مفصلی: رویه مفصلی زوائد فوقانی ناودانی و عمودی است در کنار خلفی آنها زائده پستانی وجود دارد. رویه مفصلی زائده‌های تحتانی محدب و استوانه‌ای است و باعث فلکسیون (Flexion) و اندکی اکتانسیون (Extension) می‌شود و حرکت چرخشی را شدیداً محدود می‌کند. زائده مفصلی تحتانی مهره پنجم کمری تخت است و با زائده مفصلی فوقانی اولین مهره ساکروم جفت می‌گردد.
دیسک بین مهره‌ای (Intervertebral Disc) :
دیسکهای بین مهره‌ای بیست تا سی درصد کل ارتفاع ستون فقرات را تشکیل می‌دهد. دیسک بین مهره‌ای از سه قسمت مجزا تشکیل شده است:
1- هسته نرم قسمت یا هسته مرکزی
2- حلقه محیطی یا حلقه فیبری
3- صفحات انتهائی غضروفی
هسته نرم یک ناحیه مرکزی است که شامل یک شبکه ژلاتینی و نیم شفاف از رشته‌های فیبری نرم است. هسته محتوی 7% تا 9% آب می‌باشد که در دوران خردسالی بیشترین مقدار را دارد و با سن کاهش می‌یابد. هسته‌های کمری 30% تا 50% کل سطح مقطع دیسک را تشکیل می‌دهند. اندازه هسته و همچنین ظرفیت تورم در نواحی گردنی و کمری بیشتر است.
- حلقه فیبری یک بخش از دیسک بین مهره‌ای است که بتدریج از مرکز به بیرون می‌توان آن را بطور مجزا تشخیص داد. حلقه فیبری مرز خارجی دیسک را تشکیل می‌دهد این ساختار شامل بافت فیبری در باندهای تیغه‌ای متمرکز می‌باشد. فایبرها در یک وضعیت مارپیچ (حلزونی) قرار دارند. پیچش این فایبرها در یک باند هم جهت است اما در هر دو باند مجاور جهت آنها مخالف یکدیگر است.
فایبرها در وضعیت ْ30 نسبت به صفحه دیسک قرار دارند. بنابراین زاویه بین آنها در دو باند مجاور ْ160 می‌باشد.
- فایبرهای حلقه محیطی در نواحی داخلی، به صفحات انتهایی غضروفی متصل می‌شوند درحالیکه در نواحی بیرونی‌تر، آنها مستقیماً به بافت استخوانی بدنه مهره متصل می‌شوند و به آنها فایبرهای Sharpey گفته می‌شود.
این اتصال به مهره قویتر از دیگر اتصالات مرکزی است که یک مشخصه مفید در ارزیابی کلینیکی صدمات ستون فقرات، پایداری کلینیکی و ساختارهای جراحی می‌باشد.
لیگامنتها (Ligaments) :
لیگامنتها باندهای فیبروزی هستند که موجب افزایش قدرت مفاصل مهره‌ای شده و از بین هر مهره در امتداد ستون فقرات عبور کرده و وظیفه آن محدود کردن حرکات اضافی مفصل می‌باشد.
لیگامنتهای ستون فقرات عبارتند از:
1- لیگامنت طولی قدامی (Anterior Longitudinal Ligament)
2- لیگامنت طولی خلفی (Posterior Longitudinal Ligament)
3- لیگامنت کپسولی (Capsular Ligament)
4- لیگامنت عرضی (Transverse Ligament)
5- لیگامنت فلاوم (Flvum Ligament)
6- لیگامنت بین زائده خاری (Interspinous Ligament)
7- لیگامنت روی زائده خاری (Supraspinous Ligament)
لیگامنتهای طولی قدامی و خلفی ودیسک بین آنها المانهای قدامی و بقیه لیگامنتها المانهای خلفی نامیده می‌شود. قوی‌ترین لیگامنتها، لیگامنت طولی قدامی و لیگامنت کپسولی هستند ولی لیگامنت طولی خلفی به علت نزدیکی به نخاع از اهمیت بیشتری برخوردار است واگر به سمت خلف مهره حرکت کند و باعث شود که خون به سیستم عصبی نرسد، بعد از شش ساعت سیستم عصبی از کار می‌افتد.
بیومکانیک مهره Biomechanics of Vertebral
ستون فقرات دارای یک ساختار مکانیکی است. مهره‌ها به صورت یک حالت کنترل شده و متعادل در یک سیستم پیچیده از مفاصل، لیگامنتها و زائده به یکدیگر متصل می‌باشند. این ساختار بلند، استوانه‌ای شکل، لیگامنتی و استخوانی بوسیله قفسه سینه بطور قابل ملاحظه‌ای محکم شده است. گرچه ستون فقرات دارای پایداری ذاتی لیگامنتی می‌باشد اما بخش عمده پایداری مکانیکی آن بدلیل ساختارهای دینامیکی خیلی وسیع عصبی - عضلانی و یک سیستم کنترلی است. ساختار ستون فقرات بگونه‌ای طراحی شده است که از نخاع که در مرکزش قرار دارد به خوبی حمایت می‌کند.
ستون فقرات دارای حداقل سه عملکرد بیومکانیکی زیر می‌باشد:
1- انتقال وزن و ممانهای خمشی سر و تنه به لگن
2- اجازه حرکت فیزیولوژیکی بین این سه بخش بدن
3- حمایت از نخاع ظریف و حساس در برابر نیروهای مخرب پتانسیلی یا حرکات تولید شده در اثر ضربه، که این مهمترین عملکرد می‌باشد. طول ستون مهره بطور متوسط در مردان 70 سانتیمتر و در زنان 60 سانتیمتر می‌باشد. در حال ایستاده بعلت انحناهای ستون فقرات حدود 2 سانتیمتر از طول آن کم می‌شود. در افراد مسن از طول ستون فقرات به علل کم شدن ارتفاع دیسکهای بین مهره‌ای و تشدید انحناهای ستون فقرات، ارتفاع ستون مهره به میزان بیشتری کمتر می‌شود. حداکثر وزنی که یک ستون مهره می‌تواند بدون خرد شدن تحمل کند، 355 کیلوگرم و حداکثر کششی که می‌تواند تحمل کند بدون آنکه مهره‌ها از هم جدا شوند 152 کیلوگرم می‌باشد.
ضعیف‌ترین قسمت یک ستون مهره ناحیه گردن است که کمترین وزن بدن را تحمل می‌کند. صدمات، بیشتر بر روی ستون مهره در نقاطی اتفاِ می‌افتد که:
1- یک قسمت نسبتاً ثابت ناحیه ستون مهره‌ای به یک قسمت نسبتاً متحرک می‌پیوندد مانند نحیه سینه‌ای - کمری.
2- جایی که نیرو به طریقه اهرمی اثر می‌گذارد، مانند زائده Dens و دیسک بین مهره‌ای
3- جائیکه نیرو بطور مستقیم اثر کند، مانند دنبالچه.
مکانیزم انتقال بار در مهره‌های ستون فقرات
گرچه رویه‌های مفصلی مقداری از بار فشاری را انتقال می‌دهند، اما تنه مهره سهم عمده‌ای را در انتقال بار بعهده دارد. این بار از طریق صفحات انتهائی تحتانی از دو طریق منتقل می‌شود:
1- پوسته کورتیکال
2- هسته اسفنجی
سهم نسبی این دو بخش در انتقال بار متفاوت بوده و در نتایج تحقیقات محققان بطور متفاوت ارائه گردیده‌اند. نتایج یکی از مطالعات بیانگر اینست که سهم انتقال بار پوسته کورتیکال بیشتر از استخوان اسفنجی می‌باشد و در تحقیقات دیگر عنوان گردیده که دیواره جارجی یک مهره با توجه به ضخامت اندک آن تنها سهم کمی در انتقال بار دارد.
نیروهای وارد بر ایمپلنتهای ستون فقرات
به طور کلی ایمپلنتهای مورد مصرف در درمان نارسائی‌ها و جراحات ستون فقرات، در دوره درمان بارگذاریهای زیر را متحمل می‌شوند:
الف) بارهای استاتیکی (Static Loads) : ناشی از وزن ساختار ستون فقرات و اندام فوقانی و Trunk .
ب) بارهای کاری (Working Loads) : در اثر حرکت فرد و بار برداری احتمالی در وضعیتهای مختلف.
ج) بارهای ارتعاشی (Vibratory Loads) : با فرکانس و دامنه کم در اثر عمل تنفس.
د) بارهای اتفاقی (Accidental Loads)B اعمال نیروهای اتفاقی و شوکی
اعمال بارهای تکراری و بعبارتی سیکلی و تنشهای سیکلی می‌تواند در این ایمپلنتها به ایجاد عیوب ریز ساختار منجر شود. این عیوب با ادامه سیکلهای بارگذاری جمع شده و می‌تواند در حد ترک و یا دیگر عیوب گسترش یابند که نهایتاً به گسیختگی و یا شکست خستگی ایمپلنت موردنظر می‌انجامد.
از طرفی در ستون فقرات اینسترومنته شده، با گذشت زمان مهره معیوب التیام یافته (و یا در صورت اعمال گرافت استخوانی همجوشی رخ داده) و استخوان رو به بهبودی رفته و میزان بار حمل شده از سوی ستون فقرات افزایش می‌یابد و به همین نسبت بار کمتری به ایمپلنت وارد می‌شود. در حقیقت با گذشت زمان مسابقه‌ای میان خستگی ایمپلنت و همجوشی استخوان (Bone Fusion) وجود دارد.
امروزه پس از طراحی و ساخت یک ثابت کننده ستون مهره‌ای از نوع داخلی (Internal) ، توان بیومکانیکی وسیله در برقراری پایداری ستون مهره آسیب دیده مطالعه می‌گردد. ارزیابی توان بیومکانیکی یک وسیله در شرایط واقعی فیزیولوژیکی (In - Vivo) تحت شرایط بارگذاری بسیار نزدیک به شرایط واقعی بدن و حرکات بدن مستلزم مطالعات طولانی و صرف هزینه‌های فراوان می‌باشد. بدین لحاظ امروزه محققین بمنظور ارزیابی توان بیومکانیکی وسائل تثبیت کننده از روشهای شبیه سازی استفاده می‌کنند.
تعیین الگوهای شکست در اثر اعمال بار
بطور کلی سه نوع الگوی شکست برای صفحات انتهایی بوسیله Perry ارائه شده است.
1- مرکزی (Central)
2- محیطی (Peripheral)
3- کل صفحه انتهائی (Entire End Plate)
مقاومت فشاری مهره‌ها
تعیین مقاومت فشاری مهره‌ها از اوایل پیدایش علم بیومکانیکی موضوع تحقیقات دانشمندان این رشته بوده است. موضوع پرتاب خلبان (Piolt - Ejection) یکی از مواردی است که لازمه آن تعیین مقاومت فشاری مهره می‌باشد. به طور کلی مسئله پرتاب خلبان از هواپیمایی با سرعت بالا به کمک یک راکت متصل به صندلی موضوعی است که برای مینیمم کردن میزان صدمه به ستون فقرات در زمان پرتاب لازم است که از یک شتاب پرتاب ایمن استفاده شود و این احتیاج به یک دانش دقیق از مقاومت آستانه مهره‌ها دارد.
به طور کلی مقاومت مهره‌ها با افزایش سن بویژه بعد از سن 40 سالگی کاهش می‌یابد.
Bell و همکارانش نشان دادند که یک ارتباط معین بین مقاومت (تنش شکست) و میزان بافت استخوانی مهره‌ها وجود دارد.
نقطه نظر مهم دیگری که بوسیله بل و همکارانش گزارش شد این بود که یک فرسایش اندک در بافت استخوانی موجب کاهش قابل ملاحظه‌ای در مقاومت مهره می‌گردد.
نیروهای وارد بر دیسک بین مهره‌ای (inter retebrol Disc)
دیسک بزرگترین ساختار بدن انسان است که بدون رگهای خونی (Avascular) می‌باشد و به عنوان یک سیستم قابل انعطاف باعث ایجاد فاصله بین مهره‌های مجاور می‌گردد و نیروهای ماهیچه‌ای و گرانشی که بارهای فشاری از آنها حاصل می‌شوند را منتقل می‌کند.
دیسک بین مهره‌ای که اعمال زیادی را انجام می‌دهد در معرض انواع نیروها و ممانها قرار می‌گیرد. هنگامی که یک شخص در وضعیت آناتومیکی ایستاده است نیروهای وارد به یک دیسک بیشتر از وزن تنه بالای دیسک است.
Nachemsone و همکارانش نشان دادند که نیروی وارد به یک دیسک کمری در یک موقعیت نشسته سه برابر بیشتر از وزن تنه بالای آن می‌باشد بعلاوه با هر فعالیتی که بارهای دینامیکی هم درگیر می‌شوند (مانند پریدن و ضربه) بارهای واقعی بر روی دیسک خیلی بیشتر و شاید تا دو برابر موقعیتهای استاتیک برسد. این بارها به طور کلی فشاری می‌باشند و تنشهای فشاری در دیسک ایجاد می‌کنند.
دیک همچنین در معرض انواع بارها وتنشهای دیگر نیز قرار می‌گیرد. تنشهای کششی در بخشهای معینی از دیسک در طی حرکات فلکسشن و اکستنشن و خمش جانبی (Lateral Bending) به وجود می‌آیند.
چرخش محوری تنه نسبت به لگن باعث به وجود آمدن بارهای پیچشی و در نتیجه تنشهای برشی در دیسک می‌گردد. چرخش و خمش در دیسک باعث ایجاد تنشهای کششی و فشاری و برشی خواهد شد.
تست مقاومت فشاری دیسک بین مهره‌ای
تست فشار عمومی‌ترین تست مکانیکی برای مطالعه دیسک می‌باشد چرا که دیسک جز اصلی انتقال فشار ستون فقرات است. آزمایش‌های زیادی برای تعیین خواص فشاری دیسک انجام شده است. یک نمونه آزمایش با یک ساختار شامل یک دیسک کمری با لیگامنتهای طولی قدامی و خلفی سالم یک ضخامت نازک استخوان در هر طرف آن می‌باشد. نمونه در یک دستگاه تست فشار قرار داده می‌شود. این دستگاه قادر است که بار فشاری کنترل شده‌ای را اعمال نماید. بار اعمال شده به نمونه و تغییر شکل بوجود آمده در آن به طور پیوسته ثبت می‌شود.
منحنی بار - جابجایی از نوع سیگموئید است که در ابتدا دارای تقعری به طرف محور بار دارد و سپس درفاز نهایی درست قبل از شکست بوسیله یک خط مستقیم و یک تحدب به طور محور بار دنبال می‌شود. چنین نموداری بر این دلالت دارد که دیسک در بارگذاریهای پایین مقاومت خیلی کمی را مهیا می‌کند اما وقتی بارگذاری افزایش می‌یابد دیسک سفت‌تر می‌شود. بنابراین دیسک در بارگذاریهای پایین انعطاف‌پذیری و در بارگذاریهای بالا پایداری را از خود بروز می‌دهد.
خصوصیات کششی دیسک بین مهره‌ای
به دلیل چرخش حول محورهای آنی، برخی از قسمتهای دیسک همیشه در معرض تنشهای کششی - محوری در طی این فعالیتها قرار می‌گیرند. چرخش محوری ستون فقرات همچنین تنش کششی تولید می‌کند که زاویه 45 درجه نسبت به محور ستون فقرات ایجاد می‌شود. بارگذاری فشاری نیز تنشهای کششی تولید می‌کند.
نتایج آزمایش‌های سختی و همچنین مقاومت به طور واضح نشان می‌دهد که دیسک یک ساختار کاملاً غیر همسانگرد (Anisotropic) است. این ساختار به خصوص، برای مقاومت در برابر انواع معین از بارگذاری‌ها، با حداکثر کارآیی، بهینه شده است.
در مطالعاتی که بر روی خواص کششی دیسک بعنوان یک ساختار، بوسیله مارکف انجام شد، آنها دریافتند که دیسک در کشش نسبت به فشار ضعیف‌تر است.
بارهای خمشی وارد بر دیسک بین مهره‌ای
بارهای خمشی و پیچشی به دلیل اینکه بیشترین تخریب دیسک را باعث می‌شوند، توجه بیشتری را به خود معطوف کرده‌اند. خمش 6 الی 8 درجه در صفحات ساجیتال، فرونتال و دیگر صفحات عمودی، منجحر به شکست دیسک کمری نمی‌شود.
دیگر یافته مهم مربوط به تورم دیسک در طی حرکات فیزیولوژیک طبیعی یم باشد. دیسک در طی فلکسشن بطورقدامی و در طی اکستنشن بطور خلفی متورم می‌گردد.
همچنین زمانیکه دیسک پاره می‌شود ماده ژله‌ای آبکی آن از مرکز دیسک به بیرون نشت می‌کند این نشتی اثر ضربه را کاهش داده و بعضی اوقات عصب را تحت فشار قرار می‌دهد و باعث درد در پا می‌شود.
آزمایشات پیچشی دیسک بین مهره‌ای
در آزمایش پیچش ساختار مهره - دیسک - مهره تحت بارگذاری پیچشی حول یک محور ثابت گذرانده از قسمت خلفی دیسک قرار می‌گیرد. گشتاور اعمال می‌شود و زاویه تغییر شکل بطور پیوسته اندازه‌گیری می‌گردد تا زمانیکه شکست روی می‌دهد.
Farfan و همکارانش دریافتند که متوسط گشتارو شکست برای دیسکهای طبیعی 60% بیشتر از دیسکهای غیرطبیعی می‌باشد و متوسط زاویه شکست برای دیسکهای طبیعی 16 درجه و برای دیسکهای غیرطبیعی 5/14 درجه می‌باشد.
مشاهدات سفتی برشی دیسک بین مهره‌ای
گرچه دیسک در معرض تنشهای برشی در طی بارگذاری پیچشی قرار می‌گیرد اما این توزیع تنش یکنواخت نبوده و در امتداد محیطی زیاد و در مرکز کم می‌باشد.
مشاهده شد که سختی برشی در صفحه افقی در جهت (قدامی، خلفی و جانبی) حدود N/mm 260 می‌باشد. این مقدار بالاست و از نظر کلینیکی با اهمیت می‌باشد و نشان می‌دهد که یک نیروی نسبتاً زیاد برای جابجایی افقی یک دیسک طبیعی لازم می‌شود و این بدان معناست که نسبتاً بندرت شکست آنولوس به دلیل بارهای برشی خالص اتفاِ می‌افتد. مشاهدات کلینیکی گسیختگی‌های آنولوس دلالت بر این دارد که دیسک به دلیل ترکیباتی از بارهای خمشی، پیچشی و کششی شکست می‌یابد.
خصوصیات بیومکانیکی لیگامنتهای ستون فقرات
لیگامنتها نقش مکانیکی غیرفعال (Passive) در پایداری مفاصل و هدایت حرکت مفصل دارند. رفتار مکانیکی لیگامنتها شبیه سایر بافتهای نرم، ویسکوالاستیک غیرخطی است. ولی دارای خصوصیات دیگری می‌باشد که به مفصل اجازه انعطاف پذیری می‌دهد. درحالیکه پایداری آنرا نیز حفظ می‌نماید. لیگامنتهای ستون فقرات با مقدار اندکی پیش کشش، جسم مهره‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند. میزان این پیش کش برحسب سن متغیر است.
چازا و همکارانش رفتان تنش - کرنش لیگامنتهای ستون فقرات را به تفصیل گزارش کرده‌اند. منحنی‌های بار - تغییر شکل عموماً دارای یک شکل S مانند هستند.
حین سیکلهای بارگذاری - باربرداری، لیگامنتها از خود خواص الاستیک به همراه مقداری اتلاف انرژی در اثر Hysteresis بروز می‌دهند. این مسأله برای Ligamentum Flavum نسبتاً آشکارا است. لیگامنتهای طولی قدامی و خلفی و لیگامنت فلاوم محکم‌ترین لیگامنتهای تست شده بودند.
بیماریها و ناهنجاری‌های ستون فقرات
بیشترین صدمات و عوارض ستون فقرات را می‌توان در:
1- انواع شکستهای مهره‌ای ستون فقرات
2- لغزش قدامی جسم مهره‌ای (Spondylolisthesis)
3- تغییر شکلهای ستون فقرات مانند اسکولیوسیس (Scoliosis) و کیفوسیس (Kiphosis)
4- عوارض دژنراتیو ستون فقرات
دسته‌بندی نمود.
شکستهای مهره‌ای ستون فقرات
آناتومی پیچیده ستون فقرات و خواص بیومکانیکی آن اجازه تحمل نیروها و بارهای بزرگی را به آن می‌دهد. وقتیکه این نیروها و بارها از حد معینی تجاوز کنند، خواه این نیروها از نوع محوری، فلکسشن، اکستنشن، چرخشی و برشی باشند باعث بروز جراحات و شکستگی در ستون فقرات می‌گردند.
شکست‌ها بر دو نوعند:
شکستهای ظریف
شکستهای اساسی
شکستهای ظریف
در این شکست‌ها اجزای مهره شکسته و جدا می‌شوند اما باعث ایجاد ناپایداری در ستون فقرات نمی‌گردند و شامل:
- شکستهای زوائد آرتیکولار و زوائد عرضی
- شکستهای زوائد خاری - شوکی