脊柱生物力学及脊柱基本结构
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%。
脊柱解剖与生物力学基础 ppt课件
髓核位于间盘的内部，纤 维环的内层纤维逐渐地与 髓核混合。 髓核较之纤维环更呈胶冻 状，水分及蛋白多糖的含 量也更高。年轻人的髓核 中水分含量可达 85% 。而 老年人则可能低于 25% 。
髓核的主要作用是对抗轴 向载荷中的压应力。
间盘的血液供应
椎间盘内没有明显的血管 结构。它的血液供应主要 依靠椎体终板通过弥散的 方式供给。 终板的中心部位有血管网， 营养物质可弥散进入髓核 及纤维环。 因损伤或疾病引起的终板 破坏会减少营养物质的弥 散，导致间盘的退变
位置特征---脊柱的弯曲
在矢状面上，脊柱具有四个弯曲， 包括两个后凸和两个前凸。
后凸：具有一个胸椎后凸和一 个骶 椎后凸。 前凸：脊柱具有一个颈椎前凸和一 个腰椎前凸。 正常颈椎前凸为20度至40度。 正常胸椎后凸为 20度至 40度。 正常腰椎前凸为 30度至 50度。 骶椎后凸： S1-S5 融合成后凸曲线， 而骶骨倾斜的角度变化较大。
脊椎的内部由松质骨组成，形似蜂窝状。即所谓骨小梁 （细骨条索）而形成的网织骨。骨小梁间的微小腔隙内含 有骨髓。
解剖特征---一般形态
椎孔 vertebral foramen 上关节突superior articular process 椎弓板lamina of vertebral arch 棘突spinous process 椎体vertebral body 椎弓根pedicle of vertebral arch 横突 transverse process
在胸段脊柱，肋骨与椎体 及横突构成关节。 T2-T9 椎体的后方各有上 ﹑ 下 两个关节面，与肋骨形成 肋椎关节 。 T1 及 T10-T12 仅有一个肋 关节面。 在胸椎的所有节段上，均 有一个关节面，横突在此 与肋骨构成肋横前方为楔形的椎 间盘，后方为 L5-S1 关节突关 节，由 S1 的两个大的向上突 起的上关节突与 L5 的下关节 突构成。
脊柱生物力学及脊柱基本结构PPT课件
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脊柱结构
由正面看,脊柱直立对称,而 由侧面看则有4个生理弯曲, 即颈曲、胸曲、腰曲和骶曲。 颈曲和腰曲凸面向前,而胸曲 和骶曲则凸面朝后。
脊柱的基本力学功能包括： ①在各种体位支持头颅与躯 干, 并将其载荷传递至骨盆。 ②使头颅与躯干能够在三维 空间内进行较大范围的生理 活动。 ③保护脊髓以及胸腔、腹腔 和盆腔脏器免受损伤。
头痛头晕失眠恶心肩膀酸痛视力下降背部酸痛等症状26常见脊柱疾病椎间盘突出症由于椎间盘各组成部分髓核纤维环软骨板发生不同程度的退行性病变后或在外界因素的作用下椎间盘的纤维环破裂髓核组织从破裂之处突出或脱出于后侧方或椎管内从而导致相邻的组织如脊神经根和脊髓等受到刺激或压迫产生颈肩腰腿痛麻木等一系列临床症状
腰椎也有数种共轭运动形式, 最明显的共轭运动之一是 侧屈和屈伸活动之间的共轭。
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脊柱的稳定性
脊柱的稳定结构分为内在稳定结构和外在稳定结构两部分。 内在稳定结构是组成脊椎自身的各个结构,支持脊柱稳定的 结构包括相邻椎骨及其连接结构(椎间盘、小关节囊及韧带)。 外在稳定结构主要是神经肌肉系统。 脊柱的稳定性及影响因素依其不同节段的解剖学及生物力学 特点而各具特殊性, 某一结构的损伤或切除, 会导致脊柱承 载能力的下降, 但不一定造成脊柱的失稳。
软骨终板即椎体的上下软骨面，为透明软骨，它构成 椎间盘的上下界，覆盖纤维环及髓核，厚度约1mm左 右。
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椎间盘
椎间盘的弹性与其含水量的改变有密切关系，当含水量 减少时，其弹性减退。椎间盘在受压的状态下，水分可 通过软骨板外渗，含水量减少，体积也减小，压力解除 后（如夜间睡眠时，水分再次进入椎间盘，含水量增加， 体积也增加。有人观察到成人身长在一昼夜相差1%，随 着年龄的增长，髓核逐渐发生退行性变，呈脱水状态， 弹性减退，因而易受损伤。
脊柱生物力学和脊柱基本结构课件
主要内容
1
脊柱结构与组成
2 脊柱力学性能
3 常见脊柱损伤和疾病
4 结论
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
脊脊柱柱系结由多构数椎骨、韧带及
椎间盘等连接构成的人体中 枢支柱。
成人的脊柱有26个椎骨,其中 包括7个颈椎、12个胸椎、5 个腰椎1个骶骨和1个尾(图1), 而骶骨系由5节椎体融合而成, 尾椎也由3-4节椎体构成。
脊柱的基本力学功能包括： ①在各种体位支持头颅与躯 干, 并将其载荷传递至骨盆。 ②使头颅与躯干能够在三维 空间内进行较大范围的生理 活动。 ③保护脊髓以及胸腔、腹腔 和盆腔脏器免受损伤。
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椎骨
椎骨主要由松质骨构成, 外层的皮质为 很薄的皮质骨。 每个典型椎骨可分为椎体和椎弓两部分。
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椎间盘
纤维环位于髓核的四周，由胶原纤维及纤维软骨组 成，是椎间盘最主要的维持负重的组织，与上，下 软骨板和脊柱前，后纵韧带紧密相连。层内纤维平 行排列,层间纤维的排列方向则相互交叉,相邻两层 纤维与椎间盘平面的夹角为±30°。
髓核是一种富有弹性的半液体的胶冻状物质，约占 椎间盘切面的50%~60%。可随外界压力改变其位置 和形状。
软骨终板即椎体的上下软骨面，为透明软骨，它构 成椎间盘的上下界，覆盖纤维环及髓核，厚度约
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椎间盘
椎间盘的弹性与其含水量的改变有密切关系，当含水 量减少时，其弹性减退。椎间盘在受压的状态下，水 分可通过软骨板外渗，含水量减少，体积也减小，压 力解除后（如夜间睡眠时，水分再次进入椎间盘，含 水量增加，体积也增加。有人观察到成人身长在一昼 夜相差1%，随着年龄的增长，髓核逐渐发生退行性变， 呈脱水状态，弹性减退，因而易受损伤。
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
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
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。
脊柱运动的解剖和生物力学基础
脊柱运动的解剖和生物力学基础脊柱是人体骨骼系统中的重要组成部分，它由多个椎骨组成，每个椎骨之间通过椎间盘连接。
人体脊柱分为颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎五个部分，共有33个椎骨。
脊柱的主要功能是支撑身体的重量，保护脊髓和神经根，并提供运动的灵活性。
我们来了解脊柱的解剖结构。
每个椎骨由一个圆柱状的体和一个弓状的横突组成。
椎骨之间的椎间盘由纤维环和内核组成，纤维环具有一定的韧性和弹性，能够缓冲和吸收脊柱运动时的压力。
椎间盘的存在使得脊柱具有一定的弯曲和扭转能力。
此外，脊柱还有一系列的关节，包括椎体关节、小关节和椎弓关节，这些关节使得脊柱能够进行多方向的运动。
脊柱的生物力学基础是研究脊柱在运动中所承受的力学作用。
脊柱的运动主要包括屈曲、伸展、旋转和侧弯等。
这些运动是由脊柱的解剖结构和周围肌肉的协同作用完成的。
在运动中，脊柱受到多种力学作用，包括压力、拉力、剪切力和扭矩等。
我们来看脊柱在屈曲和伸展运动中所承受的压力和拉力。
当脊柱屈曲时，椎间盘受到压力，纤维环向后压缩，内核向前移动。
相反，当脊柱伸展时，椎间盘受到拉力，纤维环向前拉伸，内核向后移动。
这种压力和拉力的作用使得椎间盘能够缓冲和吸收脊柱运动时的冲击力。
我们来看脊柱在旋转运动中所承受的剪切力和扭矩。
旋转运动是脊柱最复杂的运动之一，它涉及到椎骨之间的小关节和椎弓关节的协同作用。
在旋转运动中，椎骨之间的小关节受到剪切力的作用，而椎骨之间的椎弓关节受到扭矩的作用。
这些力学作用使得脊柱能够进行旋转运动并保持稳定。
脊柱还承受着来自周围肌肉的力学作用。
肌肉通过肌腱与椎骨相连接，肌肉的收缩和松弛使得脊柱能够进行各种运动。
肌肉的力量和协调性对于保持脊柱的稳定性和灵活性至关重要。
脊柱的解剖结构和生物力学基础对于人体运动至关重要。
了解脊柱的解剖结构和生物力学特性可以帮助我们更好地理解脊柱的功能和运动机制。
同时，对于预防和治疗与脊柱相关的问题和疾病也具有重要的指导意义。
因此，我们应该重视脊柱的健康，保持正确的姿势和良好的运动习惯，以维持脊柱的正常结构和功能。
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椎骨
椎骨主要由松质骨构成, 外层的皮质为很薄的 皮质骨。 每个典型椎骨可分为椎体和椎弓两部分。 椎体是椎骨负重的部分，由颈椎向下，椎 体体积逐渐加大。 椎弓由椎弓根和椎弓板组成。椎弓根自椎 体两侧的后上端向后突出，构成椎管的侧壁， 与椎弓板一起形成椎孔，各个椎孔相连成椎管。 椎管内容有脊髓，马尾神经等。
常见脊柱疾病
椎间盘突出症 由于椎间盘各组成部分（髓核、 纤维环、软骨板）发生不同程度 的退行性病变后或在外界因素的 作用下，椎间盘的纤维环破裂， 髓核组织从破裂之处突出（或脱 出）于后（侧）方或椎管内，从 而导致相邻的组织，如脊神经根 和脊髓等受到刺激或压迫，产生 颈、肩、腰腿痛，麻木等一系列 临床症状。
有限元法研究脊柱生物力学
有限元法研究脊柱生物力学
有限元法研究脊柱生物力学
保护脊柱 颈腰椎病趋于年轻化 在日常生活中，尤其是腰椎疾病患者和中老年人要注意 运动和姿势改变时动作要轻缓，幅度不可过大，尽量保 持腰椎的曲度不变，以避免产生较高的负载。 不要长期伏案 不要长期久坐 不要跷二郎腿 不要睡太软的床 坚持运动，锻炼腰椎周围的肌肉。
脊柱生物力学
上海大学应用数学和力学研究所 张涵 15820323Байду номын сангаас
主要内容
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脊柱结构与组成 脊柱力学性能 常见脊柱损伤和疾病
结论
脊柱结构
脊柱系由多数椎骨、韧带及椎间 盘等连接构成的人体中枢支柱。 成人的脊柱有26个椎骨,其中包 括7个颈椎、12个胸椎、5个腰椎 1个骶骨和1个尾(图1),而骶骨系 由5节椎体融合而成,尾椎也由34节椎体构成。
肌肉
运动脊柱的肌肉有直接和间接两种，直接者一端或两端附着 于脊柱，间接者起、止点均不附着于脊柱，但其收缩时可引 起脊柱关节的运动。根据各肌所在的位置．可分为位于脊柱 前面的前群，位于脊柱外侧的外侧群和位于背侧的后群。其 中背侧群肌特别发达而重要。 前群肌数量少，肌肉较小，均位于颈段脊柱的前面，计有颈 长肌、头长肌、头前直肌和头侧直肌。 外侧群在颈部有斜角肌，在腰部有腰大肌、腰小肌和腰方肌。 后群肌强大，属于项肌、背上肢肌和背肌。依其位置，可分 浅、中、深层。
病理表现主要是肌腱， 韧带，骨附着部的滑 膜非特异性炎症。
有限元法研究脊柱生物力学
在生物医学方面，国外学者Brekelmans等和Rybick等在1972 年第一次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究。 Belytschko等在1974年首次将有限元用于脊柱生物力学的分 析。
有限元法研究脊柱生物力学
椎体的负载
最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节突）生物力学的研究 是100多年前Messerer对椎体强度的测量。 早期的生物力学是对椎体抗压强度测试的研究。特别是 喷气机驾驶员跳伞时的弹射问题，如何选择合适的加速度方 能不致于造成脊柱损伤，促进了这一问题的深入研究。
我国学者杨企文等对中国人的椎体在准静态条件下的压载极限作了测定
脊柱运动（碰撞）损伤
• HANS device 头颈保护装置 • 车辆碰撞试验
脊柱运动（碰撞）损伤
常见脊柱疾病
颈椎病 劲椎病是指劲椎间盘退行性改变及其继发性椎间 节退行性变，所致邻近组织（脊髓，神经根，椎 脉和交感神经）受累而引起的相应的症状和体征。
头痛，头晕，失眠，恶心，肩膀 酸痛视力下降，背部酸痛等症状
常见脊柱疾病
椎间盘突出症 髓核的脱出是在椎间盘退行性变的基础上，多种 诱因使椎间盘压力增高，致使呈游离状态的髓核 穿过退变薄化的纤维环进入椎管前方或穿过椎板 侵入椎体边缘而产生症状。
退行性病变：随时间流失，年龄增长，人体各部位出现 不同的衰退。
常见脊柱疾病
强直性脊柱炎 强制性脊柱炎（AS）是以中轴关节包括骶髂关节， 肋椎关节及周围组织的慢性炎症为主，原因不明 的全身性疾病。骨性融合及附近韧带钙化形成脊 柱强直，发病率一般为0.1%~0.3%，多为男性，发 病高峰在15~35岁。
建模3步 1. 建立对象的几何模型，通过软件转换为有限元 模型。 2. 赋予模型材料的性质。 3. 确定有限元仿真分析的边界条件。
有限元法研究脊柱生物力学
有限元可以研究颈椎撞击损伤机制,可以模拟类似交通事 故或运动等撞击场景,动态和静态分析不同方向、不同速 度的力撞击颈椎的作用,分析椎体和椎间盘的应力,韧带 和关节囊的张力, 分析可能造成的损伤。 由于碰撞试验的不可活体实验性，利用有限元分析就显 得尤为重要。
椎间盘
由纤维环，髓核，软骨终板构成。 椎间盘亦称椎间关节,是位于椎体之间的一层弹性软组织垫, 自第2颈椎至第1骶椎,共有23个,约占脊柱全长的1/4到1/5。 依脊柱不同节段的功能不同,其厚薄差异较大,以腰椎间盘最 厚,约占椎体高度的1/3—1/4,胸椎间盘最薄,约占椎体高度 的1/5。
椎间盘
纤维环位于髓核的四周，由胶原纤维及纤维软骨组成，是 椎间盘最主要的维持负重的组织，与上，下软骨板和脊柱 前，后纵韧带紧密相连。层内纤维平行排列,层间纤维的 排列方向则相互交叉,相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角 为±30°。 髓核是一种富有弹性的半液体的胶冻状物质，约占椎间盘 切面的50%~60%。可随外界压力改变其位置和形状。 软骨终板即椎体的上下软骨面，为透明软骨，它构成椎间 盘的上下界，覆盖纤维环及髓核，厚度约1mm左右。
椎弓的负载
椎弓的后下方伸出下关节突, 被下一节腰椎所伸出的上关节 突所环抱, 再与上关节囊一起构成小关节。 小关节承受压缩载荷的能力不及前部的椎体和椎间盘。
根据Nachemson所作髓核内压测定结果,小关节承受压载占 18%,king等的研究则表明,小关节的承载比例依姿势不同而 异,最大后伸位时高达33%,而最大前屈位时可降至零。特别 是Yang等还指出,在椎间盘发生退行性改变后,小关节承载将 进一步加大。Dai等发现,随着小关节被切除的增加,腰椎活 动节段的极限压载也逐渐下降。
椎间盘的负载
1964年Nachemeson等用一种连接传感器的探针实验获得了不 同姿势下腰椎间盘髓核压力的数据。 1999年Wilke等也在活体上用弹性压力传感器测得了日常生 活中的椎间盘髓核的压力。获得的结果与前者有不小差异。
椎间盘结构复杂，髓 核内压不能完全反应 椎间盘负载。
脊柱运动损伤
脊柱运动损伤
韧带
脊柱的韧带主要由胶原纤维、弹性纤维、网状纤维和基质构 成。胶原纤维提供韧带的强度和刚度, 而弹性纤维则使韧带 具有在载荷作用下延伸的能力。 腰椎的韧带包括前纵韧 带、后纵韧带、黄韧带、 关节囊(韧带)、棘间韧 带、棘上韧带和横突间 韧带。这些韧带结构与 椎间盘、小关节一起保 证腰椎的正常生理活动 并提供脊柱的内源性稳 定。
椎体的负载
研究表明，椎体的强度随着年龄的增长而降低，特别是在40 岁以后会明显降低。 为了更进一步的研究，我们又将椎体细分为皮质骨壳、松质 骨核以及终板来分析。
这一变化与椎体松质骨抗压强度的改变基本上是平行的。
椎弓的负载
Lamy等国外学者统计发现有47% 的骨折发生在椎弓根,35%发 生在关节突间部即峡部。 用光弹法所进行的研究 也发现以峡部的应力为 最大, 因此认为临床上 所见的椎弓峡部破断可 能系由应力性损伤所致。 Hutton等观察到腰椎前屈位时疲劳实验的破坏部位在椎弓的 峡部。
共轭现象是指同时发生在同一轴上的平移和旋转运动, 或指 在一个轴上的旋转或平移运动, 同时伴有另一轴的旋转或平 移运动的现象。 脊柱的共轭现象主要是颈腰椎的共轭现象, 一般认为寰枢椎 关节有显著的共轭现象, 多数学者观察到寰枢关节在纵轴上 的轴性旋转总伴有纵轴方向上的平移, 认为这与该关节的双 凸形状和齿突的方向有关。
肌肉
脊柱运动节段
脊柱的功能单位(functional spinal unit, FSU)称为运动节段 (motion segment) 包括相邻的两节脊椎及其间的椎间盘、小关节和韧带。其 前部由椎间盘和前、后纵韧带构成, 相应的椎弓和韧带则 组成其后部。 活动节段是能够显示与整个脊柱 相似的生物力学特性的最小功能 单位。
有限元法研究脊柱生物力学
脊柱退行性病变有限元分析 脊髓损伤的有限元分析 非外伤性颈椎疾病的有限元分析 人工植入物和内固定器械的优化设计及性能评价 一是可以指导内固定器械的设计, 对新型内固定器械进行 生物力学评价.二是有限元方法可以对内固定器械的生物力 学进行分析,很多学者应用有限元的方法, 分析不同的内固 定在体内的稳定性、活动度、应力等, 让我们对内固定器械 的生物力学有了更加详细的了解, 如可以评价不同人工椎间 盘的生物力学情况, 分析钢板螺钉角度对内固定稳定性的影 响等。 指导，评价手术及内固定
椎间盘
椎间盘的弹性与其含水量的改变有密切关系，当含水量减少 时，其弹性减退。椎间盘在受压的状态下，水分可通过软骨 板外渗，含水量减少，体积也减小，压力解除后（如夜间睡 眠时，水分再次进入椎间盘，含水量增加，体积也增加。有 人观察到成人身长在一昼夜相差1%，随着年龄的增长，髓核 逐渐发生退行性变，呈脱水状态，弹性减退，因而易受损伤。
除了第1,2颈椎和骶、尾骨外,各 椎骨均由椎体和椎弓组成,椎骨 间由椎间盘及韧带连接。
脊柱结构
由正面看,脊柱直立对称,而由侧 面看则有4个生理弯曲,即颈曲、 胸曲、腰曲和骶曲。颈曲和腰曲 凸面向前,而胸曲和骶曲则凸面 朝后。 脊柱的基本力学功能包括： ①在各种体位支持头颅与躯干, 并将其载荷传递至骨盆。 ②使头颅与躯干能够在三维空间 内进行较大范围的生理活动。 ③保护脊髓以及胸腔、腹腔和盆 腔脏器免受损伤。
腰椎也有数种共轭运动形式, 最明显的共轭运动之一是侧屈 和屈伸活动之间的共轭。
脊柱的稳定性
脊柱的稳定结构分为内在稳定结构和外在稳定结构两部分。 内在稳定结构是组成脊椎自身的各个结构,支持脊柱稳定的 结构包括相邻椎骨及其连接结构(椎间盘、小关节囊及韧带)。 外在稳定结构主要是神经肌肉系统。 脊柱的稳定性及影响因素依其不同节段的解剖学及生物力学 特点而各具特殊性, 某一结构的损伤或切除, 会导致脊柱承 载能力的下降, 但不一定造成脊柱的失稳。