脊柱运动及生物力学共60页
脊柱生物力学
• 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。
临床医学骨伤生物学-脊柱的生物力学
脊
柱
的
保证了机体头、躯干和骨盆间充分的生理活动
作
用
保护脊髓免遭外力损伤
颈曲
胸曲
生 理 弯 腰曲 曲
骶曲
一、与生物力学有关的解剖特点
颈椎：7
胸椎：12
椎 骨
腰椎：5
骶椎：5
尾椎：3-4
增加脊柱的适应性
增强吸收冲击 的能力
维持椎间关节的 强度及稳定性
维持椎间关节
加强了直立姿势的稳定性
矢
强度及稳定性
状
7.滞后Lagging
➢ 椎间盘和脊柱的运动节段均属于粘弹性体，有滞后性能。
➢ 当一个人跳起或落下时，冲击能量通过脚，由椎间盘 和椎体以滞后的方式吸收。是一种保护机制。
➢ 载荷越大，滞后越大；年轻人滞后大，中年以后滞后小
➢ 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2次加载后的滞后比第1次加载时下
4.受扭Torsion特性
扭矩与转角变形之间的关系曲线呈“Ｓ”型 初始部分为0～3°变形，只要很小的扭矩即可产生。 中间部分为3～12°的扭转，这部分扭矩和转角之间存在着线性关系。 最后部分，扭转20°左右发生断裂。
较大的椎间盘能够承受较大的扭矩，圆形的椎间盘比椭圆形的承受强度高。
5.受剪Shearing Strength特性
➢ 直立姿势可在间盘上产生压应力。 ➢ 压力的增高可挤出髓核中的部分水分，使每节间盘的高度减少几毫米。 ➢ 平卧位休息后，间盘的压力解除，髓核中的水分恢复，椎间高度在整个
脊柱中可增加 1.5-2cm 。
椎间盘作用类似于减震垫
1.椎间盘受压的特性
承 纤维环向四周膨出 受 压 力 在发生永久性变形载荷下，
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%。
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。
脊柱的生物力学
脊柱的生物力学脊柱是人体的中轴，由脊椎骨、椎间盘、椎间关节和椎旁各关节、韧带及肌肉紧密连结而成。
椎管是各脊椎的椎孔连贯而成，内容脊髓。
成人整个脊柱从正面观为一条直线，从侧面观分为四个弯曲，颈部向前凸，胸部向后凸，腰部向前凸，骶部向后凸。
这些弯曲是适应人体直立行走的姿势，在生长发育的过程中逐步形成。
脊柱的功能为：支持体重、传递重力；保护脊髓和神经根；参与形成胸腔、腹腔及骨盆腔；至此和附着四肢与躯干联系的肌肉和筋膜。
脊柱由前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的运动能力。
在脊柱运动时，椎间盘的髓核成为杠杆作用的支点。
由于生理弯曲存在，胸椎椎间盘髓核在中央，而颈及腰椎髓核偏后。
其髓核前方的纤维环比后侧强而厚，前纵韧带亦较后纵韧带强而有力，当仰头、伸腰时，椎间盘后方受挤压，髓核向前移动。
反之，低头、弯腰时，髓核向后推挤。
如用力过度后纵韧带和后方纤维环易发生损伤破裂而使髓核发生突出，尤其在椎间盘已有退变的基础上更容易发生椎间盘突出。
由于脊髓各段的后关节面排列方向不同，其旋转轴心亦有各异。
后关节面脊椎近似水平面，胸椎呈冠状面，而腰椎呈矢状面。
同时由于各段椎间盘中髓核位置不同，在脊柱运动时颈部和腰部旋转的轴心位于椎管后部与椎板联合处，胸部的旋转轴心在椎间盘中心。
脊柱使人体保持直立位，同时承受挤压、牵拉、弯曲、剪切和旋转应力，主要有3个基本的生物学功能，即将头和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脊髓。
脊柱活动和脊柱的稳定性：脊柱活动通常是多个活动节段的联合动作。
由于椎间盘和后关节的存在，使脊柱能沿横轴、矢状面和纵轴活动。
正常脊柱能够前屈后伸、左右侧弯和轴向旋转。
因小关节面的排列方向不同，不同节段的活动方向和幅度也不一样。
颈椎关节面的方向接近水平，故能做较大幅度的屈伸、侧屈和旋转活动；胸椎的小关节面呈冠状位，又有胸廓的存在，使其活动受到一定的限制；腰椎的小关节面呈矢状面，与横截面呈90°，与冠状面呈45°，其伸屈活动幅度从上至下逐渐增大，而旋转、侧屈活动幅度则受限明显。
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。
脊柱的生物力学与退行性骨关节病PPT课件
• 椎体承载躯干及上肢主要的轴向负荷，椎体所 须承载的重量从头端到尾端逐渐增加，椎体本身 也逐渐增大。
脊柱后方的肌肉群产生“张力作用”， 用来维持直立姿势及保持人体矢状面和冠 状面的平衡，这些肌肉群被称为“张力 带”。 任何前柱或后柱的破坏及疾病 均可打破脊柱在骨盆及髋关节上的平衡， 导致后方肌肉群的疲劳和疼痛。同样后方 肌肉群的损伤及疾患也可使脊柱失去矢状 面的平衡。
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椎间盘解剖
• 椎间盘的两种主要成分是纤维环和髓核。纤维环由几层 同心圆的纤维层（类似三个环）构成，称为板层纤维， 其中含有丰富的胶原及弹力素、蛋白多糖和水。胶原是 构成体内结缔组织的主要蛋白，弹力素保持组织的弹性。 蛋白多糖存在于结缔组织的细胞外基质，并与水结合在 一起。
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脊柱由每一个运动节 段相互叠加而成，它 负载躯干的重量。 脊柱可以发生内部变 形以对抗躯干对其的 压力，这种变形主要 是对于椎间盘产生的， 但并不仅限于椎间盘 。
脊柱由运动节段叠加组成
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椎间盘
椎间盘作用类似于减震垫
椎间盘是一弹力纤维结构组织，它 有两个重要功能：
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人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负荷， 是导致矢状面失衡的 主要原因。
怀孕使身体重心前移， 腰椎前凸增加以维持脊 柱平衡 。
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通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发生脊柱 矢状面的失衡。 例如：
椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性，使得椎 体塌陷导致病变节段上方的脊柱过度后凸。
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对于个体而言，退行性改变并不都 出现临床症状。很多人即使有退行性 改变也能够正常工作和生活，当退行 性改变导致关节出现临床症状，一般 是疼痛时，就被称为骨性关节炎，意 味着由于关节的退行性改变，骨与软 骨出现了炎症反应。
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。