脊柱生物力学
脊柱生物力学
脊柱生物力学标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]脊柱生物力学1.运动节段由于脊柱的结构和功能较为复杂，在研究脊柱的生物力学时，通常观察脊柱的某一部分，该部分由相邻两椎体及其间的软组织构成，能显示整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位，其运动的叠加可构成脊柱的三维运动，称为运动节段，又称脊柱功能单位。
分部：通常将其分为前后两部分：前部分由两个椎体、椎间盘和后纵韧带组成；后部分由相应的椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带组成。
前后部承载：前部的椎间盘和后部的小关节在负重及应力分布方面存在着一种独立的、动态的关系。
在侧方、前方剪应力作用、轴向压缩及屈曲运动时，前部的椎间盘是主要的负重部位。
如伴有较大的位移时，后部的小关节也承受部分载荷，在后方剪应力（背伸运动）和轴向旋转时，小关节则是主要的负重部位。
功能：①运动功能，提供椎体三维空间的运动范围；②承载功能，将载荷从颈部传到骨盆；③保护功能，保护椎管内容纳的脊髓及神经根。
椎体，椎间盘及前纵韧带、后纵韧带提供脊柱的支持功能和吸收对脊柱的冲击能量。
运动范围主要依靠椎间关节复合体完成。
躯干及韧带保证脊柱的稳定性和维持身体姿势。
2.脊柱运动学神经和肌肉的协同作用产生脊柱的运动。
脊柱作为柔软性载负体，其运动形式是多样的。
脊柱的运动范围较大，但组成脊柱的各个节段的运动范围却较小，节段间的运动是三维的，表现为两椎骨的角度改变和位移。
脊柱的活动通常是多个运动节段的联合运动，包括沿横轴、矢状轴和纵轴的旋转和平移。
限制任何部位的活动都可增加其他部位的活动。
（1）运动特性：在脊柱运动中，椎体与椎间盘韧带、关节囊等组织相比，变形量极小，分析运动时可视为刚体，而椎间盘等其他物体被视为塑性物体。
（2）自由度：按照刚体运动学理论，椎骨的三维运动有六个自由度即前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动方向上的角度以及上/下、前/ 后和左/右方向的位移。
其中三个为平动自由度，三个为转动自由度。
脊柱与生物力学
脊柱与生物力学人类从爬行到直立，脊柱及其稳定性起到了主要的作用。
脊柱作为人体的中柱，具有负重、保持人体平衡和运动、保护脊髓及内脏等多种功能。
由于脊柱本身的结构和功能特点，保持脊柱的稳定性具有重要的意义。
脊柱一旦失稳，除了导致脊柱本身及相关结构组织的病变以外，还可通过神经的反射作用使相应的脊髓节段支配的内脏产生功能上的异常。
因而，脊柱的稳定成为倍受关注的问题。
脊柱稳定的生物力学:脊柱的稳定是由外源性和内源性两个系统来维持的。
前者主要是指肌肉系统。
根据肌肉的作用范围，脊柱肌肉可分为两大类。
一类肌肉的起、止点均在脊柱，如多裂肌、棘突间肌、横突间肌等，其作用主要是维持脊柱的生理弧度和在矢状面和冠状面上的稳定；另一类是直接附着于胸廓和骨盆间的肌群，如髂棘肌和腹肌，这些肌肉比较粗壮，对维持脊柱的稳定和抵抗外来载荷起重要作用。
两部分肌肉协同作用，共同保证脊柱的平衡与稳定。
肌肉既是脊柱稳定的因素，也是脊柱活动的原动力。
在静态下靠自身的张力维持脊柱的姿态，受力时则以主动收缩来增强脊柱的稳定。
因而，在生物力学上被称作动态稳定系统。
后者指脊柱及其韧带结构。
脊柱运动单元的本身结构:椎体、椎间盘、关节突、韧带和关节囊等结构的弹性模量较高，承受外力时变形小，在生物力学上被称作静态稳定系统。
脊柱在以上两个系统的共同维系下，保持其稳定和正常的生理曲度，从而发挥其正常功能。
脊柱作为人体的中柱，其稳定的失衡会对其他的器官带来影响，引起相关疾病;同样，其他器官或组织结构的病变也必将对其稳定性带来影响。
在脊柱本身的稳定系统和四肢的骨、关节、韧带和肌肉的健康，胸廓腹压骨盆以及四肢姿势和功能对维系脊柱的稳定也起着不可忽视的作用。
虽然，这些因素被认为是脊柱稳定的辅助因素，但它却是影响脊柱稳定的充分条件。
但是，在研究脊柱稳定和治疗脊柱失稳时恰恰忽略了这些因素。
尤其是在上述因素成为脊柱失稳的原始病因时，忽略了它其结果是不言而喻的。
脊柱运动的生物力学
脊柱疾病和损伤与脊柱受力的异常有明确关系，而康复治疗和预防也需要对脊柱运动的生物力学有清楚的了解。
本文旨在为临床和治疗技术人员提供相关的基础知识。
1、结构特征：脊柱是人体运动的主轴。
由多个椎体、多重关节(椎间“关节”、椎小关节)、众多肌肉和韧带紧紧围绕、生理弯曲，以满足脊柱的坚固性和可动性(柔韧性)。
其活动有三维方向(前后、左右、旋转)和六个自由度(3个平动、3个转动)。
2、位置特征：颈段支撑头颅，重心处于颈部前2/3和后1/3的交界处;胸段重心偏后(胸廓前后径的后1/4)，与胸廓共同分解胸以上躯体的重量。
腰段居中，甚至前凸，以支撑体重。
3、解剖特征：(1)椎管：椎骨构成一个可褶曲的有效管腔以容纳延髓和脊髓。
(2)椎骨：由椎体、椎弓、上下关节突、棘突、横突构成。
椎体是椭圆形短扁骨，一圈致密的骨皮质包围海棉状的髓质(松质骨)，上下骨皮质中有较厚的软骨板衬垫，边缘由较厚的环形衬板构成。
椎体的骨小梁除按应力线斜行交叉外;还可看到一组从椎体上面向后延伸，至椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突，另一组则从椎体下面向后延伸到椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突。
椎体前缘最薄弱，易于发生压缩性骨折。
横突和棘突作为脊柱肌肉的附着点，是脊柱动态稳定性的基础之一。
(3)椎间盘：内部为髓核，外部为纤维环。
髓核为半液态，由富亲水性的葡萄糖胺酸聚糖的胶状凝胶所组成。
除了下腰椎的髓核位置偏后外，髓核均位于椎间盘的正中。
纤维环为多层致密的结缔组织彼此斜行交织而成，自边缘向心分布，致密的纤维环开始是垂直的，越接近中心越倾斜，到中心接触髓核时，几乎近水平走向，并围绕髓核成椭圆形。
椎间盘受压时，髓核承受75%的压力，其余25%的压力分布到纤维环。
髓核还同时具有稳定脊柱运动的功能，在伸展运动时，上方椎体向后移位，缩减了椎间隙后缘，髓核受挤向前方偏移。
在前屈运动时，正好相反，从而使椎体获得较强的自稳性。
椎间盘总厚度约为脊柱全长的25%。
12-16 脊柱的生物力学---董庸皓
2.融合后邻近节段抗剪力作用明显减弱， 融合骨块上下椎间盘的退变及脊柱后部 韧带复合体的继发性损伤亦是ASD发生 的重要因素。 3.邻近椎间盘已有退变及椎间盘内压增 高。
4.邻近节段关节突负荷增大。颈椎融合 后邻近节段活动度增大，可表现为椎间 关节活动度增大，使关节突上应力集中， 负荷增大，导致关节突关节肥大并发生 骨性关节炎。后方融合较侧后方融合更 能造成邻近节段的应力集中，尤其在关 节突上，而前融合对关节突影响较小。
脊柱的功能单位
脊柱相邻的两个椎骨以及连接她们的椎间 盘及相关韧带组成脊柱运动的基本单位 (functional spinal unit FSU)。脊柱的功 能单位从结构上可以分为前、后两个部 分。前部结构包括椎体、椎间盘和前后 纵韧带，后部结构有关节突关节、黄韧 带、椎弓、棘突、棘上韧带及棘间韧带 所组成。
刚体
理论上是指在任何载荷下都不会发生变 形的物体，实际应用中，如果研究对象 在指定载荷下的变形量与该研究对象其 他部分的变形量相比极为微小而可以忽 略不计时，则该部分即可视为刚体。在 脊柱的生物力学研究中，椎体相对于椎 间盘、韧带和关节囊而言，其变形量极 小，可视为刚体。
自由度和活动幅度
颈椎的生物力学
根据解剖和功能的差异，分为上颈椎 （C0-2）和下颈椎(C2-7)。
上颈椎
上颈椎C0-2,也称枕-寰-枢复合体,包括颈0-1、 颈1-2两个运动节段,上颈椎的旋转活动度很大， 但平移活动很小，上颈椎的平移运动主要发生 在颈1-2，该节段前后平移受到颈1前弓、齿突 及横突韧带的限制，正常位2-3mm。临床上一 般认为成人超过3mm、儿童超过5mm即可认 为是上颈椎不稳，需要考虑横突韧带断裂的可 能。多数学者认为正常的颈1-2节段在轴向旋 转时齿突和寰椎侧块间会发生小于4mm的侧向 移位，大于4mm可视为异常。
脊柱运动及生物力学
中段颈椎的侧 屈运动范围基本 相同，下段颈椎 侧屈运动范围则 从上到下逐渐减 小屈伸运动和旋 转运动以C4—C5和 C5—C6节段范围最 大，向下逐渐减 小。
在中、下部颈椎，各种运动形式存在着 共轭现象，尤其是侧屈运动伴随旋转运动， 即侧屈时棘突转向凸侧，如作头向左的侧屈 活动时(或脊柱侧弯时)，棘突必然转向右侧。 这种共轭现象对了解颈椎小关节错位或脱位 有重要意义。当外伤暴力导致关节超越正常 活动范围时，将使一侧小关节突过分移向尾 侧，另一侧的关节突过分移向头侧并导致单 侧小关节错位或脱位。整脊颈椎手法复位可 根据此现象。不同节段颈椎侧屈时所伴随的 旋转角度不同，在C2每侧屈3º，伴有2º旋转， 在C7每侧屈7.5º，伴旋转1º；从C2—C7,伴随 侧屈的旋转度从上到下逐渐降低，这可能与 小关节面倾斜度从上而下逐渐增加有关。
(二)椎间盘 椎间盘在相邻椎体间起着缓冲垫的作 用在各种不同载荷下，它产生相应的变形 来吸收冲击，稳定脊柱。椎间盘的解剖结 构决定了椎间盘有利于对抗压缩力。
在椎间盘垂直受压时，主要表现为纤维 环向四周膨出，去除载荷，由于其弹性基质 作用恢复原形，即使在很高的载荷下，去除 载荷后产生永久变形时，也没有出现哪一个 方向的纤维环破裂，这是因为载荷能够均匀 分布到椎体的上下面和周围的纤维环上，这 一点符合帕斯卡定律的特点。由于椎间盘的 弹性模量远远小于椎体。易发生变形，当载 荷增加到一定程度时，首先破坏的是椎体而 不是椎间盘，这说明，临床上椎间盘突出不 只是由于受压，更主要的原因是椎间盘内的 应力分布不均匀。
脊柱侧 屈时， 髓核移 向凸侧；
腰椎有数种共轭运动现象，最明 显的是侧屈和屈伸活动之间的共轭现 象。在侧屈和旋转运动的共轭运动时， 棘突是转向凹侧，这与颈椎棘突移向 是相反的。
脊柱生物力学
脊柱生物力学1.运动节段由于脊柱的结构和功能较为复杂,在研究脊柱的生物力学时,通常观察脊柱的某一部分,该部分由相邻两椎体及其间的软组织构成,能显示整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位,其运动的叠加可构成脊柱的三维运动,称为运动节段,又称脊柱功能单位;分部：通常将其分为前后两部分：前部分由两个椎体、椎间盘和后纵韧带组成；后部分由相应的椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带组成;前后部承载：前部的椎间盘和后部的小关节在负重及应力分布方面存在着一种独立的、动态的关系;在侧方、前方剪应力作用、轴向压缩及屈曲运动时,前部的椎间盘是主要的负重部位;如伴有较大的位移时,后部的小关节也承受部分载荷,在后方剪应力背伸运动和轴向旋转时,小关节则是主要的负重部位;功能：①运动功能,提供椎体三维空间的运动范围；②承载功能,将载荷从颈部传到骨盆；③保护功能,保护椎管内容纳的脊髓及神经根;椎体,椎间盘及前纵韧带、后纵韧带提供脊柱的支持功能和吸收对脊柱的冲击能量;运动范围主要依靠椎间关节复合体完成;躯干及韧带保证脊柱的稳定性和维持身体姿势;2.脊柱运动学神经和肌肉的协同作用产生脊柱的运动;脊柱作为柔软性载负体,其运动形式是多样的;脊柱的运动范围较大,但组成脊柱的各个节段的运动范围却较小,节段间的运动是三维的,表现为两椎骨的角度改变和位移;脊柱的活动通常是多个运动节段的联合运动,包括沿横轴、矢状轴和纵轴的旋转和平移;限制任何部位的活动都可增加其他部位的活动;（1）运动特性：在脊柱运动中,椎体与椎间盘韧带、关节囊等组织相比,变形量极小,分析运动时可视为刚体,而椎间盘等其他物体被视为塑性物体;（2）自由度：按照刚体运动学理论,椎骨的三维运动有六个自由度即前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动方向上的角度以及上/下、前/ 后和左/右方向的位移;其中三个为平动自由度,三个为转动自由度;3.运动范围（1）颈椎的活动度：颈椎是脊柱活动度最大的部分;颈椎活动由两个部分完成：①上颈椎枕-寰-枢复合体的联合运动；②下颈椎颈2~7的联合运动;前者以旋转运动为主,后者以屈伸运动为主;枕-寰-枢复合体是人体中轴骨中最复杂的关节;枕~颈1和颈1~颈2的关节均有伸屈运动,枕~颈1的屈伸范围为°,颈1~颈2关节约10°,二者使枕-寰-枢复合体的屈伸范围达到°;轴性旋转只发生在颈1~颈2关节,其旋转范围可达47°,相当于整个颈椎旋转度的40％~50％;枕-寰-枢复合体之间的平移度很小,枕~颈1间的轴性平移约1mm,颈1~颈2 的侧向平移一般只有在侧屈和轴性旋转时才会发生;下颈椎的屈伸活动主要发生在中段,颈5~颈6活动度最大,侧屈与旋转运动越向下越小;整个颈椎节段的联合运动,屈伸约145°,轴向旋转约180°,侧屈约90°;（2）胸椎的活动度：在矢状面上,上胸段平均每节段为4°,中段为6°,下段为12°;在冠状面上,上胸段的侧屈活动范围为6°,最下节段为9°;胸椎的轴性旋转范围自上而下逐渐减小,上胸段的活动范围为8°,下胸段只有2°左右;（3）腰椎的活动度：从腰1~腰5,屈伸范围逐渐增加,从腰1的12°增加到腰骶关节的20°;腰椎各节段的侧屈范围大致相同,但腰骶关节较小,只有2°~4°,腰5~骶1稍大,可到8°;腰椎的轴性旋转各关节基本相同,约为2°~3°,明显低于颈椎;4.椎体承载椎体主要承受压缩载荷,腰椎骨界面上的载荷比颈、胸椎要大;椎体骨密质较薄,主要由骨松质构成;骨松质的骨小梁是按纵横主应力迹线方向分布,椎体是椎骨受力的主体;椎体骨密质虽然较薄,但可承受椎体压力的45％~75％;椎体的抗压强极限约为5~7MPa;椎体的最大承载量与椎体的上下位置有很大的关系;在腰椎,压缩性载荷主要由腰椎椎体承受,只有18％的载荷由小关节承担;椎体的强度由年龄的增长而减弱,尤其是超过40岁将更加明显;5.椎间盘生物力学（1）结构特点：椎间盘由纤维环、髓核、透明软骨终板和Sharpey纤维组成;纤维环由坚韧的纤维组织环绕而成,各层纤维方向不同,彼此成30°~60°交角,增加了纤维环的抗载荷能力;髓核外观呈半透明的凝胶状,主要由软骨基质和胶原纤维组成,通过Sharpey纤维附着于椎体骺环;透明软骨终板是椎体上下软骨面,构成椎体的上下界,与相邻椎体分开,年轻人的髓核含水量约85％,其余是胶原纤维和蛋白多糖;髓核随年龄增长及椎间盘退变含水量逐渐降至70％;胶原维持椎间盘的形状和张力,蛋白多糖通过与水的相互作用维持组织刚度、抗压力和粘弹性;（2）椎间盘功能：正常椎间盘由胶冻状的髓核和纤维环组成,形成封闭的有一定压力的内环境,其功能有：保持脊柱的高度；连结椎间盘的上下两椎体,并使椎体有一定的活动度；使椎体便面承受相同的压力；对纵向负荷起缓冲作用；维持后方关节间一定的距离和高度,保持椎间孔大小；维持脊柱的生理曲度;6.小关节的生物力学（1）结构特点：脊椎节段的活动类型取决于椎间小关节的取向,而小关节面的取向,而小关节面的取向在不同的节段有一定的变化;下颈椎的小关节面与冠状面平行,与水平面成45°,允许颈椎前屈、后伸、侧弯和左右旋转;胸椎的小关节面与冠状面呈20°,与水平面呈60°,允许侧弯、旋转和一定程度上的屈伸;腰椎小关节面与冠状面呈45°,与水平面垂直,允许前屈、后伸、侧弯,限制过度的旋转运动;（2）承载能力：腰椎小关节能承受不同类型的载荷,其承受压缩载荷的作用因体位和姿势而异;当腰椎处在最大前屈位时,其小关节承受了约90％的张力但并不承受压应力；腰椎后伸至最大限度时小关节承受的压应力占33％;当腰椎承受剪切应力时,由于椎间盘的蠕变和松弛特性,可有效抵抗载荷,故小关节承受剪切应力明显加大,承载比例可达45％,与椎间盘大致相等;7.韧带生物力学（1）前纵韧带和后纵韧带：脊柱前纵韧带抗张力能力最强,其次是棘上韧带、棘间韧带和后纵韧带,前纵韧带的最大破坏载荷是后纵韧带的倍;前纵韧带刚度最大,其次是后纵韧带,棘间韧带最弱;前纵韧带和后纵韧带有较大的刚度,对于在屈伸运动时抵抗椎间盘膨隆和椎体移位有重要意义;棘上韧带变形能力最大,前纵韧带和后纵韧带变形能力最小;（2）黄韧带：呈节段性,有丰富的弹性纤维;黄韧带的抗张应力为30~50N,在脊柱韧带中范围最大;腰椎前屈时;黄韧带收到拉伸,弹力纤维被拉长,处于储能状态;当外力解除后,弹力纤维内储存的能量又会立即释放出来,使其恢复原状;腰椎后伸可使黄韧带松弛,由于预张力的作用,黄韧带不会出现皱着或弯曲凸入椎管;当腰椎间盘退变后,长期的追间距缩小,使黄韧带松弛,小血管迂曲变形,弹力纤维退行性变,黄韧带肥厚,其预张力消失,造成侧隐窝狭窄;（3）棘上韧带和棘间韧带：既起到稳定脊柱活动的作用,又能加强脊柱的外在稳定;棘上韧带位于棘突后部末端,呈狭条状,因其离脊柱伸屈轴心较远,所以,在脊柱做前屈运动时,棘间部分有较大的变形能力;8.脊髓的生物力学（1）结构特点：当脊髓无软棘膜包裹时,其特性如半流体性黏聚体,包裹软棘膜的脊髓为唯一具有特殊力学特性的结构;如除去周围的神经根、齿状韧带等组织、将脊髓悬吊起来,其长度可因自身重力而延长10％,此时若想将其继续延长,可突然出现弹性阻力;（2）位移曲线：脊髓的负荷-位移曲线有连个明显不同的阶段;第一阶段也可称初始阶段,很小的拉伸即可产生很大的位移；第二阶段,相同的牵拉只形成小的位移,造成第一阶段变化的力约,第二阶段脊髓在断裂前可承受20~30N的拉力;脊髓生物力学特性与组织特性有关,第一阶段有较大的伸缩性是脊髓折叠性形成的,可在很小的外力下折叠或展开,第二阶段脊髓展开或折叠已到极限,脊髓组织直接承受外力阻力将以10为指数而迅速增加;（3）脊柱活动与脊髓关系：椎管长度的改变总是伴有脊髓的相应改变,脊髓折叠和展开可满足脊柱从完全伸直到完全屈曲所需的70％~75％的长度变化;生理活动的极限部分由脊髓本身的弹性变形完成;脊髓在长度改变的同时,同样伴有横截面积的变化;9.神经根的生物力学（1）结构特点：与周围神经不同,脊髓神经根只在近脊神经节处才有一层神经外膜,而外周神经则有厚厚的神经外膜;脊神经由神经纤维和胞体组成,而外周神经只有神经纤维组成;（2）应力曲线：脊神经仅能被牵拉15％~23％;直腿抬高实验时脊神经可在在神经根管内滑动2~5mm;假如神经受到压迫,这种正常的神经根活动就会受到限制,在被牵拉的过程中,可产生神经的激惹和炎症,此时神经内的张力升高,在神经内可发生小范围结构上的破坏,从而造成神经根生物力学特性的改变;。
脊柱生物力学
Finite element
Finite element
King H. Yang, Ph.D.
Finite element
脊柱的生物力学应用
脊柱的生物力学应用
脊柱的生物力学应用
脊柱的生物力学应用
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椎间盘的生物力学特性
无蜕变的椎间盘（0 度）需要相对长的时 间性而达到较小变形
椎间盘的生物力学特性
7、滞后 椎间盘和脊椎属粘弹性体，有滞后性能。 此结构在循环加载和卸载时伴有能量损 失。滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘 所处位置有关。
椎间盘的生物力学特性
滞后 载荷越大，滞后越大；随着年龄的增大 其逐渐减小。同一椎间盘在第二次加载 后的滞后比第一次加载时下降，这表明 反复冲击载荷 对椎间盘有损害。
INTRODUCTION
脊柱的生物力学涉及范围非常广泛，脊 柱结构、运动、损伤、固定等方面的生 物力学研究有助于解释脊柱相关的生理、 病理以及对临床治疗方法、临床器械的 设计研究与发展有着重要的指导意义。
脊柱的结构
脊柱的结构复杂，由7块颈椎、12块胸椎、 5块腰椎及骶骨、尾骨各一块组成，通过 椎间盘和强健的韧带连接在一起，其主 要功能为保护脊髓，并将载荷从头脊柱 传递到骨盆。具有活动性能的各椎体间 互相形成关节，能在三个平面上运动。 脊椎的稳定性由韧带、椎间盘、肌肉共 同协调维持。
脊柱科普之脊柱生物力学
脊柱科普之脊柱⽣物⼒学脊柱是⼈体的中轴⽀柱，具有复杂的结构和众多功能，主要3个。
1. 在各种体检时⽀持头颅和躯⼲，并将其载重负荷传递到⾻盆。
2. 使头颅和躯⼲能够在三维空间内完成较⼤范围的⽣理活动。
3. 保护脊髓及胸、腹腔和盆腔脏器不受损伤。
脊柱⽣物⼒学模式，韧带是保持脊柱内外平衡的重要结构：1. 前纵韧节，椎体前半部及相应椎间盘纤维环为前柱。
2. 椎间盘，纤维环后纵韧带，椎体后部和椎管集于中柱。
3. 后柱为脊柱附件包括椎板，黄韧带，棘间韧带，棘上韧带和棘突。
脊柱的稳定：脊柱的作⽤是保持⼈体呈直⽴状态，将头及躯⼲的载荷传递到⾻盆，提供在三维空间的⽣理活动和保护⾻髓，因此必须要维持脊柱的内外平衡和动静⼒平衡。
内平衡：脊柱的内平衡要依靠椎间盘和韧带，椎间盘髓核内的压⼒使相邻的2个椎体分开，⽽在其外的纤维环和周围的韧带在对抗髓核分类压应⼒的情况下，使相邻的两椎体靠拢，这2种作⽤⽅向相反的⼒使脊柱得到较⼤的稳定性，脊柱上的韧带由伸缩性较⼩的胶原纤维组成，⽽连接椎⼸上的黄韧带很特殊，也由包含较多的弹性纤维构成，因此它在脊柱伸屈过程中总是能保持其张⼒从椎管内维持脊柱平衡。
外平衡：脊柱的外平衡要依靠肌⾁，如腰椎间盘变性后椎间隙变窄，周围韧节相对增长⽽导致脊柱失控，产⽣脊柱向前式向后滑脱时（即内平衡失调），可通过腰背肌、腹肌、腹横肌的锻炼（即增强外平衡）以增加脊柱的稳定性，⼀般来讲，内平衡没有外平衡重要，在内平衡失去后，脊柱失稳的变化很缓慢，⽽当外平衡破坏后，脊柱难以保持正常功能。
脊柱的动静⼒平衡理论认为，⾻骼和韧带维持关节稳定和平衡的作⽤为静⼒平衡，⽽肌⾁维持关节稳定和平衡的作⽤为动⼒平衡。
脊柱⽣物⼒学改变与临床脊柱有6个⾃由度的运动，即沿XYZ轴的平移及旋转，在颈胸腰椎⾻盆的⾻关节，椎周软组织，慢性劳损或椎间盘退⾏性改变，⾻增⽣时在⼀定的诱因条件下使脊柱的⽣物⼒学发⽣改变，⾻关节不能复位到正常的解剖位置上，间接或直接对神经根椎动静脉，脊髓或交感神经产⽣刺激式压迫，就会出现脊柱相关疾病。
脊柱生物力学
脊柱生物力学1.运动节段由于脊柱得结构与功能较为复杂，在研究脊柱得生物力学时，通常观察脊柱得某一部分，该部分由相邻两椎体及其间得软组织构成，能显示整个脊柱相似得生物力学特性得最小功能单位，其运动得叠加可构成脊柱得三维运动，称为运动节段，又称脊柱功能单位。
●分部：通常将其分为前后两部分：前部分由两个椎体、椎间盘与后纵韧带组成；后部分由相应得椎弓、椎间关节、横突、棘突与韧带组成。
●前后部承载：前部得椎间盘与后部得小关节在负重及应力分布方面存在着一种独立得、动态得关系。
在侧方、前方剪应力作用、轴向压缩及屈曲运动时，前部得椎间盘就是主要得负重部位。
如伴有较大得位移时，后部得小关节也承受部分载荷，在后方剪应力（背伸运动）与轴向旋转时，小关节则就是主要得负重部位。
●功能：①运动功能，提供椎体三维空间得运动范围；②承载功能，将载荷从颈部传到骨盆；③保护功能，保护椎管内容纳得脊髓及神经根。
椎体，椎间盘及前纵韧带、后纵韧带提供脊柱得支持功能与吸收对脊柱得冲击能量。
运动范围主要依靠椎间关节复合体完成。
躯干及韧带保证脊柱得稳定性与维持身体姿势。
2.脊柱运动学神经与肌肉得协同作用产生脊柱得运动。
脊柱作为柔软性载负体，其运动形式就是多样得。
脊柱得运动范围较大，但组成脊柱得各个节段得运动范围却较小，节段间得运动就是三维得，表现为两椎骨得角度改变与位移。
脊柱得活动通常就是多个运动节段得联合运动，包括沿横轴、矢状轴与纵轴得旋转与平移。
限制任何部位得活动都可增加其她部位得活动。
（1）运动特性：在脊柱运动中，椎体与椎间盘韧带、关节囊等组织相比，变形量极小，分析运动时可视为刚体，而椎间盘等其她物体被视为塑性物体。
（2）自由度：按照刚体运动学理论，椎骨得三维运动有六个自由度即前屈/后伸、左/右侧弯与左/右旋转运动方向上得角度以及上/下、前/后与左/右方向得位移。
其中三个为平动自由度，三个为转动自由度。
3.运动范围（1）颈椎得活动度：颈椎就是脊柱活动度最大得部分。
脊柱生物力学
在上颈部，关节突关节 面几乎呈水平位，允许 作旋转运动；
在下颈部，关节突关 节面呈斜型，近似额 状位，因此具有一定 的侧屈和少许的屈伸 运动
第二十六页，编辑于星期二：二十一点 五十五 分。
胸椎的关节突呈冠状 位，棘突呈叠瓦状， 两侧与肋骨相连，这 些因素限制了胸椎只 能作轻微的侧屈运动。
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腰椎关节突关节面近于 矢状位，旋转运动受限 制，主要允许作屈伸运 动。
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（三）肌肉
头颈部的屈肌：胸锁乳突肌，前中后斜角肌、头 前直肌，头长肌，颈长肌及舌骨上下肌群。
头颈部伸肌:背最长肌、颈最长肌、头最长肌、头夹肌、
支点为关节突，使 作用于脊柱的轴向 压力被椎间盘直接 而被动的缓冲一部 分
同时被椎旁肌肉间 接而主动的缓冲了 另一部分。
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椎间连接原件
在骶骨和颅底之间有24块被许多纤维韧带连 结在一起可以活动的椎骨。
韧带复合体使椎骨间形成强大的连接，并将 强大的机械阻力传递至脊柱。只有强大的创 伤才能导致这些椎间韧带的断裂。
髓核的亲水性
髓核位于终板平面的中央，该区域被软 骨覆盖，横向上有很多微孔，微孔将髓 核与终板面下的骨松质相连。
躯体直立承受压力时，髓核基质中的水 分通过微孔溢出至椎体。夜间休息时， 髓核的亲水性发挥作用，将水分吸回髓 核。髓核的高度清晨高于晚上。
随年龄增长，亲水性下降。
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但是比椎间盘厚度的绝对值更重要的是椎间盘与相应椎体 的高度的比值，比值越大，相应椎体阶段的活动度越呆。
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• 坐位时腰椎间盘的压力是躯体的3倍还要多 • 跳跃等动作作用于椎间盘的实际载荷可超过
静止位的两倍以上 • 脊柱屈、伸和侧屈可在椎间盘的某些部分产
生伸展应力 • 躯干的轴向扭转在椎间盘上还可产生剪切载
荷，所以椎间盘上的压力是伸展、压缩和剪 切的复合应力
• (C)严重退变的椎间盘。髓核脱水，丧失了凝胶样的组织特 点。由于组织脱水，整个组织的特点均一， 因此难以区分 髓核与纤维环的界限。
三、脊柱的韧带
脊柱的韧带有不同的功能。
• 首先，要保证准确的生理活动及固定椎体间的 姿势和状态。
• 其次，限制过度的活动以保护脊髓。 • 最后，在快速高载荷的创伤环境中保护脊髓。
(2)纤维环：是椎间盘的周边 部分，并形成椎间盘的外 部边界，纤维环是由同心 圆排列的层纤维组织带组 成的，在同一纤维条带内 纤维的走行方向一致，但 任何两相邻条带的纤维走 向都相反，它们与椎间盘 平面呈30°角，因而相邻 条带的纤维呈120°角。
• (3)软骨终板：由透明软骨组成，将椎体 与其两侧的椎间盘分开，构成椎间关节 的终板。
• 在高速动力测试中，终板的断裂有三种形式：中心型、 周围型及全板断裂型。中心型在没有退变的椎间盘中 最多见，周围型多见于有退变的椎间盘。全板断裂多 发生于高载荷时。
终板的断裂机制
无退变的椎间 盘受压，在髓 核内产生压力 ，终板的中心 部位受压。
退变的椎间盘由 纤维环传递压力 ，终板边缘承受 载
2. 压缩特性
脊柱的生物力学与损伤预防
第一节 脊柱Βιβλιοθήκη 生物力学特点一、脊柱的力学特性和生物学功能
①作为躯干的支架，向骨盆传导头部及躯干部的 重力； ②允许躯体有足够的三维空间内的生理运动，如 伸、屈、轴向旋转； ③最后也是最重要的，保护柔软娇嫩易受伤的脊 髓，使之免受可能的暴力及创伤性运动的危害。
二、椎间盘的生物力学
的滞后小；下腰部椎间盘比胸腰段及上腰部椎间盘 的滞后大
• 同一椎间盘在第二次加载后的滞后比第一次加载时 下降，这表明，反复的冲击载荷对椎间盘有损害
• 流行病学研究显示汽车驾驶员的腰椎间盘突出发病 率高，可能就是由于腰椎间盘反复随轴向震动的原 因造成的。
7、疲劳耐受
• 确定纤维环辐射状的周边发生撕裂前，能够承 受多少次循环载荷，疲劳试验是重要的依据。
变的椎间盘蠕变很慢，经过相当长的时间也没 有达到最大变形，显示出黏弹性性质。退变的 椎间盘则相反。
• 这表明退变的椎间盘吸收冲击的能力减退，也 不能将冲击均匀地分布到软骨终板。
6、滞后特性
• 滞后特性也就是吸收冲击能量的特性 • 滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘所处位置有关 • 载荷越大，滞后越大；年轻人的滞后大，中年以后
4、剪切特性
• 试验研究了腰椎间盘的直接剪切情况， 发现水平面上的剪切刚度大约是 269N／mm。这是一个很高的数值， 具有临床意义，它表明要造成一个正 常的椎间盘单位异常的水平移位需要 很大的力量。
5、松弛和蠕变特性
• 椎间盘在承担载荷时有松弛和蠕变现象。 • 较大的载荷产生较大的变形及较快的蠕变率。 • 蠕变的特点与椎间盘的退变程度有关，没有退
椎间盘在受压的时候，主要表现为纤维向四 周膨出，即使在很高的载荷下，去除载荷后产 生永久变形时，也没有出现哪一个特殊方向的 纤维破裂。
在脊柱的运动节段承受压缩试验中，首先发 生破坏的是椎体而不是椎间盘。
临床上的椎间盘突出不只是由于受压，更主 要的原因是椎间盘内应力分布不均匀。
3. 弯曲特性
• 许多实验结果提示，引起椎间盘损伤的不是 压应力载荷，而是弯曲及扭转载荷。
• 有人在实验中发现，脊柱矢状、额状或其他 垂直平面内弯曲6°～8°时并不发生椎间盘 的破坏，，施加15°的弯曲载荷，可观察到 三角形骨块从上位椎体的后下部撕脱下来， 结果与椎间盘的膨出有关，前屈时向前膨出， 后伸时向后膨出。在脊柱侧弯时，椎间盘向 凹侧面膨出。
弯曲造成的椎间盘突出， 前屈和后伸都在凹侧膨出，而在凸侧椎间盘受拉
• 人椎间盘由内部凝胶状的髓核组织(NP)和外部坚韧的纤维 组织(AF)
• (A)正常年轻人椎间盘。凝胶状髓核组织含水量大约为90 ％—88％。由于髓核、纤维环和软骨终板内蛋白聚糖的含 量不同，很容易区分出由于年龄增加所导致的纤维环的增厚。
• (B)正常中年人椎间盘。髓核内水分消失，正常的组织退行 性改变的过程。纤维环的后部承受了较多的应力。
1．功能解剖
• 椎间盘构成脊柱总高度的20％一33％，椎间 盘由三个相互区别的部分构成：髓核、纤维 环和软骨终板。
(1)髓核：位于椎间盘中央，水分含量从70 ％～90％不等，出生时最高，随着年龄增长 逐渐降低，在横切面上椎间盘髓核是椎间盘 总面积的30％～50％。在下腰部，髓核常常 更靠后面而不是居中，腰部髓核比较大，因 此，常易膨出或突出。
这些不仅需要韧带限制椎体位移在安全范围内， 而且需要吸收突然施加在脊柱上的大量能量。
• 脊柱共有7条韧带，从前向后分别是前纵韧带、 后纵韧带、横突间韧带、关节囊韧带、黄韧带、 棘间韧带和棘上韧带。
• Brown等对椎间盘进行了单一的疲劳试验，采 用的是一个较小的恒定轴向载荷附加一个5° 的重复前屈运动。
• 结果发现：屈曲200次时椎间盘出现破坏迹象， 屈曲1000次时完全破坏。这表明在这样的离 体试验条件下，疲劳寿命是较低的。
8、椎间盘内压
• 测量了一个人在不同的身体姿势下，休息 时及从事某种工作时腰椎间盘所承受的体 内载荷，结果观察到椎间盘承受的载荷相 当大，虽然腰椎间盘以上部分的身体包含 了整个身体重量的60％，但在坐位和站立 位伴20°前倾时，L3椎间盘上的载荷却是 躯体重量的200％，如果再加上20kg的重 量，这一载荷将变成300％。
终板
• 终板在脊柱的正常生理活动中承受着很大的压力。在 脊柱运动节段(完整的椎间盘及其上下椎体)的疲劳试 验中，有1／3的标本发生终板断裂伴髓核突入骨松质 骨质中，这种断裂在不同年龄间存在较大差异。
• 40岁前运动单元可承受8000N压力载荷，40～60岁 承受力降至该值的55％，60岁以上约45％。