脊柱生物力学
(完整版)脊柱运动及生物力学
1.人体的姿势：人体正确的姿势，可以保 证人体正常的重心，维持正常重心是保持脊柱 生理曲度的基础。当人体站立时，脊柱生理曲 度正常者，其重心线沿乳突向下经髋关节的中 心横轴，第2骶椎，膝和踝的前面，落在负重足 上。此重力垂线通过了颈、胸、腰三个变曲的 交界处，即使各部曲度有所改变，重力线位置 也不会发生改变。根据生物力学特点坐下时采 取略后靠，微伸展的姿势，这样能减小椎间盘 的压力。所以，保持正确的姿势，可以维持脊 柱正常生理曲度，继而增加脊柱抵抗纵向压缩 栽荷的能力。故生理曲度明显的脊柱是动力型 的，而较直的脊柱是静力型的。
三个角位移 即是围绕三个运动轴的旋转， 包括屈伸Βιβλιοθήκη 动、侧屈运动、旋 转运动和环转运动。
(二)、脊柱运动的特点
脊柱的所有运动是多个活动节段联合运动的结果。 由于椎间盘和小关节存在，使脊柱能沿冠状轴（前屈后 伸）、矢状轴（左右侧弯）、纵轴（轴向旋转）活动。 由于小关节排列方向不同，不同节段的活动幅度也各不 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；胸椎的小关节面呈额状位，加 之胸廓存在，使其活动受到一定限制；腰椎小关节面与 冠状面呈45º，与横截面呈90º，其屈伸活动幅度从上到 下逐渐增大，旋转活动幅度则受限。脊柱屈曲的最初 50º－60º，主要发生在下腰段，进一步前屈则需要骨盆 的前倾。躯干的侧屈主要位于胸段与腰椎脊柱。颈椎和 上胸椎的侧屈时伴有旋转。
颈曲 腰曲
胸曲 骶曲
一、何谓生物力学
生物力学是研究生物体或生物材料在机 械运动过程中，力和力的作用规律及其应用 的科学。进而从功能变化推知其生理、病理 含义，为预防和治疗提供依据。
二、脊柱的运动基础、特点及运动范围 （一）脊柱的功能单位：
脊柱的功能单位：即活动节段，由相邻的 两个椎骨及其间的软组织构成的一个能显示脊 柱生物力学特性的最小功能单位。一个活动节 段可分为前部和后部两部分，前部包括两个相 邻的椎体、椎间盘、前纵韧带和后纵韧带，后 部包括：椎弓、关节突关节、横突、棘突和其 间的韧带。各个节段的运动综合起来，便构成 脊柱的三维六自由度运动。
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。
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，
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Microsoft Word 文档
人体脊柱实质上是一个通过杠杆、运动轴、致动体和限制体操纵的结构。
这个力学复合体不仅柔韧性好、运动范围广，而且非常坚固稳定。
作为一个力学结构，脊柱有以下特点： 椎间盘是位于人体脊柱两锥体之间，由软骨板、纤维环、髓核组成的一个密封体• 脊柱矢状面的正常曲度使得脊柱灵活运动、承载轴向负荷的同时维持相应的强度及站立姿势的稳定性。
矢状面曲度的改会很大程度上影响脊柱的力学行为。
• 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。
• 椎体组成脊柱的前柱，承载 80% 的轴向负荷（体重）。
后方结构（主要是关节突关节）组成脊柱后柱，向下肢传递 20% 的轴向负荷。
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。
近几十年来，生物力学研究表明颈椎病的许多临床表现及影像学改变都与其密切相关。
因此，开展对颈椎生物力学的研究已成为脊柱研究领域的热点之一。
本文就生物力学在颈椎病某些方面的研究作一简要综述。
1、颈段脊柱解剖与生物力学：在研究脊柱生物力学时，一般多运用运动节段(motionsegment)或脊柱功能单位(functional spinal unit，FSU)进行描述与分析[1-4]。
脊柱的功能单位包括邻近两个椎体及其间的椎间盘与韧带。
一般分为前部结构和后部结构前者包括椎体、椎间盘、椎弓和相连的韧带，后者包括相应的椎弓、椎间关节、横突棘突和韧带。
颈椎基本的生物力学功能是：载荷的传递；三维空间的生理活动；保护颈脊髓。
颈椎活动节段为颈段脊柱的基本功能单位，是维持颈椎稳定性的基本单位。
杨企文[5]通过椎体静加载实验发现，椎体承受的轴向压缩极限载荷从颈椎到腰椎，其总体变化趋势为逐渐增加，而椎体的相对变形则逐渐减小；动载荷时其变化趋势与静加载相同。
脊柱生物力学
腰椎的生理曲度
腰椎的生理曲度有助于分散腰椎间盘所承受的压力，保护腰椎间盘。不 当的姿势或外力作用可能导致腰椎生理曲度改变，增加腰椎间盘突出的 风险。
腰部肌肉的力学平衡
腰部肌肉的力学平衡对维持腰椎稳定性具有重要作用。腰部肌肉力量不 足或紧张可导致腰椎稳定性下降，增加腰椎间盘突出的风险。
脊柱侧弯与生物力学
探索脊柱疾病的生物力学机制
研究脊柱疾病的发生、发展与脊柱生物力学之间 的关系，为疾疗器械
基于脊柱生物力学的原理，研发新型的生物材料 和医疗器械，以提高脊柱手术的效果和患者的康 复质量。
脊柱生物力学在临床中的应用前景
指导脊柱疾病的诊断和治疗
01
通过对脊柱生物力学的研究，可以更准确地诊断脊柱疾病，并
04
脊柱疾病的非手术治疗
物理疗法
温热疗法
电刺激疗法
如短波、超短波、微波等，可以促进 血液循环，缓解肌肉紧张和疼痛。
如经皮神经电刺激（TENS）和肌肉电 刺激，通过电流刺激减轻疼痛。
牵引治疗
通过外力拉伸脊柱，减轻椎间盘压力 ，缓解神经根受压。
运动疗法
核心肌群训练
强化脊柱周围的肌肉，提高脊柱 稳定性。
后路手术
通过后方入路，进行脊柱融合和固定，适用于腰椎的疾病。
微创手术
采用小切口和内窥镜技术，减少创伤和术后恢复时间，适用于轻中 度脊柱疾病。
术后康复与护理
疼痛管理
术后疼痛是常见的并发 症，需采取药物治疗、 物理治疗等措施缓解疼
痛。
功能锻炼
根据患者的具体情况， 指导患者进行适当的肌 肉锻炼和关节活动，促
拉伸和柔韧性训练
改善脊柱的灵活性和关节活动范 围。
平衡和协调性训练
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。
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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。
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。