脊柱生物力学
脊柱及椎间盘的生物力学分析
脊柱及椎间盘的生物力学分析近年来，脊柱以及椎间盘的损伤与疾病已经成为临床骨科领域的常见病和多发病，也是临床骨科医师在日常门诊工作中所面临的主要问题。
为了更好地理解，诊断，治疗脊柱与椎间盘系统的疾病，骨科医师就应采用力学的事实，概念，原理和数学，来解释人体正常及异常的解剖生理现象。
因此，生物力学也就成为现代骨科医师必须具备的理论基础。
鉴于此，笔者仅对脊柱及椎间盘的生物力学问题作一浅析，与同道们共同探讨和借鉴。
脊柱系由椎骨，韧带及椎间盘等连结构成的人体中枢支柱。
其结构复杂，且功能较多，又同时具有静力学特点和动力学特点。
正常人的脊柱有7个颈椎，12个胸椎，5个腰椎，五个相互融合的骶椎和3-5个微动的尾椎构成。
除环椎与枢椎的的结构特殊外，其它各椎的形态则大同小异，但在不同部位，其形态和大小也有不同。
腰椎支持整个躯干的重量，所以较为粗大，在成人其横径为 4.5-5厘米，矢径约为3-3.5厘米，厚约2.2-2.5厘米。
胸椎较小，横径约为3-3.5厘米，矢径约为2.5厘米，厚约为2-2.2厘米。
颈椎仅支持头部的重量，所以更为细小，通常横径约为2.5厘米，矢径约为1.5-1.7厘米，厚约为1.5厘米。
椎体主要由松质骨构成，外包以薄层硬质骨，上下边缘有隆起的骨环，称为骺环，椎间盘的软骨板就位于其中，除骶尾椎以外，各椎骨之间均以椎间盘相连。
椎体两侧的椎弓根与椎板相连，椎弓与椎体之间的孔隙形成椎孔，上下椎孔相连形成椎管。
关节突在椎弓根和椎板的移行部，向上下个伸出一对关节突，上关节突起于椎根，下关节突起于椎板。
椎间孔的上下壁是椎根的切迹，其前壁为椎间盘，后方为小关节的关节囊及部分黄韧带。
横突在椎弓的上下关节突发出部的中间，骶骨和尾骨没有横突，第三腰椎横突最长，所受腰肌牵拉最多，常导致腰肌筋膜附着点发生劳损，在临床上成为常见腰痛原因之一。
棘突在椎弓后方正中，上面附着丰厚的背伸肌，形成系列杠杆。
椎间关节：除环枢关节和骶椎外，其余椎体间均以椎间盘相连，椎间盘总数为23个，构成脊柱全长的四分之一。
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。
脊柱生物力学基本知识
青少年脊柱侧凸概述脊柱侧弯的经典定义为“脊柱在额状面上发生的侧方弯曲”,实际上应为一种复杂的三维畸形;额状面上畸形大于10度的传统标准仍然适用于现行的脊柱侧弯定义;然而由于近来对力偶合认识的加深,目前我们知道侧弯的脊柱不仅在矢状面和额状面上存在有差异,在横断面上亦存在有畸形;因此在脊柱侧弯的诊断和治疗过程中一定要对人体的三维平面进行评估;脊柱侧弯的患病率患病率是指在某一时点检查时可能发生某病的一定人群中患有某病的频率;由于侧弯严重程度的不同,脊柱侧弯的患病率而有所差别,角度大的侧弯发生率较低,世界范围内各种类型脊柱侧弯的患病率约为1%,且在各种群中相对恒定;勿将患病率与发病率相混淆;发病率是指在观察期内通常为一年,可能发生某种疾病的一定人群中新发生该病的频率;绝大多数研究所涉及的是脊柱侧弯的患病率;脊柱侧凸的病因学脊柱侧弯的病因多种多样;Moe 在其经典的教科书中列举的病因多达50余种;我们将其粗略地将脊柱侧弯分为以下四类： 神经肌肉性侧弯先天性侧弯某些疾患疾病,肿瘤和创伤导致的侧弯特发性侧弯 神经肌肉性侧弯神经肌肉性侧弯通常在儿童期发病;这类畸形多呈进展性且伴有明显的心肺并发症;该类患者的寿命通常缩短;神经肌肉性疾病又可进一步分为：神经病性和肌病性;然而,并非所有患有神经肌肉性疾病的儿童都会发展为脊柱侧弯; 多数神经肌肉性侧弯患者需接受脊柱融合手术;以使其能直立地坐在轮椅上并能够拥有较好的生活质量;坐立有助于改善患儿的肺通气,且有助于减少肺部并发症;神经病性疾患使神经系统受累;神经病性侧弯包括脑瘫,脊髓小脑功能障碍及脊髓灰质炎;肌性侧弯的病因在于肌肉组织疾患;Duchenne 肌萎缩和关节弯曲是肌性疾患的典型病例,并有可能导致脊柱侧弯; 先天性侧弯先天性侧弯是由于发育过程中胚胎受到损伤而造成的椎体或椎节构形错误所致,并非遗传所致;这类畸形出生时便存在,且程度轻重不等;先天性缺陷在患儿的成长过程中可加剧脊柱的侧弯程度;这种先天性脊柱缺陷可分为以下三个基本类型：形成不良分节不全混合型形成不良可累及单一椎体或多个椎体,指脊柱在宫内发育过程中,一个椎 体的部分或全部不能完整发育成型;形成不良最常见的情况是半椎体;该种畸形在侧弯中较为常见,并可使侧弯畸形加重;若脊柱后部结构发生形成不良,可导致脊柱裂或脊髓脊膜突出;右方插图显示的形成不良为半椎体;混合型是指形成不良和分节不全同时发生;这一类型较难判别和评估,需加以定期随访;混合型最重的情况通常为脊柱的一侧存在有多个未分节的骨桥,而另一侧则为半椎体;单纯的形成不良或分节不全较为少见,相反大多数患者表现为形成不良和分节不全两者并存; 某些疾患造成的侧弯某些全身性疾患也可导致脊柱侧弯的发生,如：感染、肿瘤或创伤;诸如间质病变的Marfan 综合征和遗传性结缔组织病变的神经纤维瘤病往往同时伴随有脊柱侧弯的发生;但并非这类疾病都有脊柱侧弯的发生;急性和慢性感染例如：结核有可能造成明显的脊柱侧弯;脊柱肿瘤及楔变的骨折,最终也会导致脊柱侧弯,但这些情况在儿童中罕见;多节段椎板切除术往往造成医源性侧弯,此在成年中亦较为常见;特发性脊柱侧凸特发性不明原因脊柱侧弯是脊柱的最常见类型,约占所有脊柱侧弯的85%,发生在其他方均正常的健康儿童中;无身体或影象学方面的病变证据;尽管这类畸形可能早已存在,但根据确诊时的年龄可将其分为以下三类：婴儿型出生——3岁少年型3岁——10岁青少年型10岁——17岁婴儿型脊柱侧弯确诊时的年龄在3岁以内;约占所有特发性侧弯的1%以下;多见于男童,通常为左侧胸弯;85%的侧弯可行缓解,15%的侧弯呈进行性加重;婴儿型脊柱侧弯随着侧弯的发展出现神经损害的风险较高;少年型脊柱侧弯确诊时的年龄处于3岁——10岁之间,约占所有特发性侧弯病例的15%;多在女童中发病,且以右侧胸弯为主;难以确定这类侧弯是否还会发展;一般来说,少年型脊柱侧弯进一步加重的风险较大;同青少年型特发性脊柱侧弯相比,往往更需要接受手术治疗;青少年型特发性脊柱侧弯AIS确诊时年龄多在10岁以后,并占所有手术病例的绝大多数>80%;这类侧弯可能早在少年时期即已存在,但表现并不明显,直至青春期发育高峰才明显地现出来;接受手术治疗的女性患者和男性患者的性别比例为9：1;影响侧弯加重的可变因素很多,因此难以预测其畸形是否会继续发展;患者的评估以下为对青少年型特发性脊柱侧弯进行评估的几个重要步骤;然而,在此并未囊括评估过程的所有步骤;家族史及一般健康状况需采集患者及其家族的既往病史;由于脊柱侧弯有明显的家族发病倾向,故需对其患有脊柱疾患的所有亲属进行了解和诊断;复习患者本人的既往病史,以了解侧弯发生的年龄及进展情况;对于女性患者还应记录月经初潮的年龄;体格检查观察患者的肩部、胸部、腰部和骨盆有无不对称或异常;记录躯干的皮肤皱褶情况,并记录第二性征的发育情况,如：阴毛的生长和乳腺的发育情况,从侧面观察患者有助于了解躯干和头部在矢状面上的平衡状况;其他检查步骤还包括铅锤线的测量,运动范围及下肢长度的测量,Adam前曲试验以及采用眼径计SCOLIOMETER测量肋骨隆凸;眼径计可用于测量脊柱畸形的旋转度数;如果其倾斜读数超过7度可确定为阳性;该种方法经常用于对学校的青少年进行大规模的侧弯普查;脊柱畸形患者的其它一些常用诊断方法如下：影象学诊断脊柱最基本的影象学诊断应当包括站立位全长的正、侧位X线片;X线片应该显示脊柱的全长;必要时采用两个X线片盒来获得脊柱全长的X线片;X线片拍摄时患者当取站立位,以便对其脊柱的平衡性进行评估,如果患者不能站立神经肌肉性脊柱侧弯,可采取坐位或卧位进行拍摄;拍摄时通常采用后前位;其道理在于尽可能减少青少年女性患者乳腺组织所接受的辐射剂量;此外,对于非脊柱X线片,观看阅片箱上的照片就如同阅片者站在患者的对面;对于脊柱X线片,阅片时阅片者如同站在患者的背侧;侧方弯曲的正位X线片有助于评估侧弯脊柱的柔软性;这类照片通常在患者取仰卧位时拍摄,此时关节突关节不处于绞锁状态,故可最大限度地显示其伸展性;有些情况下,如果患者的侧弯角度较大或肌力有限难以最大范围地活动其脊柱,此时可施以外力助之;对于某些神经肌肉性侧弯患者,可在牵引状态下拍片来评估侧弯的柔软性;为便于进行影像学诊断,有可能还需拍摄一些特殊体位的X线;。
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。
脊柱侧弯生物力学
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脊柱侧弯的预防与治疗
预防措施
保持正确的姿势
在日常生活和工作中， 保持正确的坐姿、站姿 和睡姿，避免长时间维
持同一姿势。
定期检查
定期进行脊柱侧弯筛查， 以便早期发现和干预。
增加体育锻炼
进行适当的体育锻炼， 如瑜伽、普拉提等，有 助于增强脊柱肌肉力量
和稳定性。
合理饮食与营养
保持均衡的饮食，摄取 足够的钙、维生素D等 营养素，有助于骨骼健
在动态情况下，脊柱侧弯会导致脊柱 的振动和扭曲，使得脊柱的受力更加 复杂。
脊柱侧弯的生物力学模型
生物力学模型是用来模拟和研究生物体结构和功能的工具。 在脊柱侧弯的研究中，生物力学模型可以帮助我们更好地理 解脊柱侧弯的发生和发展机制。
常见的脊柱侧弯生物力学模型包括有限元模型、离散元模型 和多体动力学模型等。这些模型可以模拟脊柱在不同情况下 的受力情况和运动状态，从而为治疗和预防脊柱侧弯提供理 论支持和实践指导。
手术方法
手术方法包括脊柱融合、矫形器械植入等，具体 方法应根据患者具体情况制定。
术后护理
手术后需进行严格的康复训练和定期复查，以确 保治疗效果和患者的康复。
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脊柱侧弯的康复训练
康复训练的重要性
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改善姿势
通过康复训练，可以纠正不良 姿势，减少脊柱侧弯引起的疼
痛和不适。
增强肌肉力量
康复训练可以强化脊柱周围的 肌肉，提高肌肉力量和稳定性
注意姿势正确
在日常生活中，应注意保持良好的姿 势，避免长时间保持同一姿势或过度 劳累。
定期复查
在康复训练过程中，应定期进行复查， 以便及时了解病情变化和调整康复计 划。
脊柱生物力学 ppt课件
▪ 韧带的粘弹性能在脊柱后伸的时候限制韧带的自身的 屈曲，以免压迫神经组织。
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矫形器学
头颈平衡
▪ 肌肉的强度和调节是保持头颈平衡的必要条件。
▪ 肌肉的强度也能减少颈椎应力。
▪ 在颈椎各种运动方式，椎体都承受屈曲力矩。
▪ 携带或上举重物一段水平距离影响腰椎负荷的因素 ： (1)物品相对于椎体运动中心的位置； (2)物品的大小，形状，重量和密度； (3)腰椎旋转或弯曲的程度； (4)负荷的速率。
▪ 提物时，物品靠近身体时较物品远离身体时的腰椎弯 曲力距减少，腰椎上的负荷也就越低。
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矫形器学
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矫形器学
动力学分析
▪ 几乎身体的任何运动都能增加肌肉的收缩力和增大脊柱 的负荷。
▪ 增幅在慢走或轻微摆动身体等运动时较和缓。
▪ 在进行各种运动，或复杂动态活动和动态负荷时的增幅 明显。
▪ 由于可使组织所受的负荷颇低，对下腰痛患者而言，步 行是一种安全甚或可能是理想的运动疗法之一，甚至可 调节行走速度来改变脊柱的负荷。
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矫形器学
神经生物力学
▪ 颈椎在从屈曲到后伸的变化过程中神经长度上发生了 明显的变化。
▪ 脊髓有纵向的弹性，但不能承受轴向的平移。 ▪ 通常导致脊髓损伤的是脊髓遭受平移暴力。 ▪ 成年人的脊髓在发生明显的神经损伤前估计应当承受
了2.75～3.44N的暴力。 ▪ 脊髓损伤也会在颈椎突然屈伸运动过程中发生，尤其
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矫形器学
椎体抗压实验
▪ 椎体本身或终板断裂破坏点的出现要早于椎间盘损伤 的发生。
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。
第二十七页，编辑于星期二：二十一点 五十五 分。
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。
第二十八页，编辑于星期二：二十一点 五十五 分。
（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。
第十五页，编辑于星期二：二十一点 五十五分。
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。
第二十二页，编辑于星期二：二十一点 五十五 分。
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。
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
脊柱侧弯生物力学
脊柱侧弯是指脊柱在冠状面上出现侧弯的病理情况。
在研究脊柱侧弯时，生物力学是一项重要的研究领域，旨在探究脊柱侧弯形成和发展的机制以及相应的治疗方法。
脊柱侧弯的生物力学研究主要包括以下几个方面：
力学模型：建立脊柱侧弯的力学模型，模拟脊柱受力情况，以了解脊柱侧弯的发生原因和变形机制。
常用的模型包括有限元模型、弹性理论模型等。
生物力学参数：通过测量和分析脊柱侧弯患者的生物力学参数，如弯曲角度、扭曲角度、弯曲刚度等，以评估脊柱侧弯的严重程度和变形特点。
力的传递与平衡：研究脊柱侧弯时要考虑力的传递与平衡，包括脊柱的受力情况、肌肉的作用力、重力的影响等，以了解脊柱侧弯形成的机制。
动力学分析：分析脊柱侧弯运动过程中的力学特性和动力学特征，包括脊柱的转动、屈曲和伸展等动作，以深入了解脊柱侧弯的运动机制。
治疗方法研究：基于生物力学的研究结果，开发和改进脊柱侧弯的治疗方法，如矫正器的设计、手术方案的优化等，以提高脊柱侧弯的矫正效果。
通过生物力学的研究，我们可以更好地理解脊柱侧弯的形成机制和变形特点，为脊柱侧弯的预防、诊断和治疗提供科学依据。
此外，生物力学研究还可以促进对其他脊柱相关疾病的认识和治疗方法的改进。
脊柱生物力学特点
脊柱生物力学特点
脊柱生物力学特点包括脊柱的运动稳定性、轴向刚度、角度刚度以及脊柱的应变和弯曲应力等，这些都与其结构和功能密切相关。
1. 脊柱的运动稳定性：通过对12具人尸体进行上胸椎三维运动稳定性测试，可以评估经腋中线胸腔入路侧方钢板内固定重建上胸椎的效果，这种手术入路稳定，能满足脊柱重建生物力学的需要。
2. 脊柱的轴向刚度：脊柱的轴向刚度是指脊柱在轴向方向上的抵抗弯曲的能力，例如经皮椎间孔镜腰椎间盘髓核摘除术作为微创治疗方法，具有创伤小、出血量少并能快速康复的优点，主要发生在40-60岁的中年人群。
3. 脊柱的角度刚度：脊柱的角度刚度是指脊柱在不同角度下抵抗弯曲的能力，对于不同疾病的治疗有很大的影响。
4. 脊柱的应变和弯曲应力：脊柱的应变和弯曲应力是指脊柱在不同负载下所受的变形和应力，这是评估脊柱健康状况的重要指标。
此外，脊柱生物力学还涉及到脊柱的应力分布、弹性模量和应变等方面。
了解脊柱生物力学的特点和变化，对于评估和治疗脊柱相关疾病具有重要意义。
脊柱的专业知识
脊柱的专业知识脊柱，是人体最重要的支撑结构之一。
它由33个椎骨组成，由于每个椎骨的形状和位置都不同，因此脊柱可以承担人体站立、行走、弯曲和扭转等各种动作。
脊柱的特点1. 生物力学特点：脊柱是由头颈部、胸部、腰部、骶部和尾骨组成的。
每个部位的椎骨都有不同的大小、形状和角度。
这使得脊柱能够承受各种方向的力量和扭曲，保持稳定性和柔韧性。
2. 解剖结构特点：脊柱由椎体、椎间盘、椎弓板、椎突等构成。
椎体是脊柱的主要承重部位，椎间盘位于两个椎体之间，起到吸收冲击力和分散压力的作用。
椎弓板和椎突是肌肉和韧带的附着点，维持脊柱的稳定性。
3. 运动特点：脊柱的各个部位都有一定的弯曲度，这使得人体可以进行前屈、后伸、左右弯曲和扭转等多方向运动。
但同时也容易出现各种脊柱问题，如脊柱侧弯、背痛、坐骨神经痛等。
脊柱的保健方法1. 合理运动：正确的体位和运动姿势是保护脊柱的关键。
保持正确的站立和坐姿方式，多进行运动和拉伸，同时避免大量扭曲、弯曲等运动。
2. 日常生活：保持正确的睡姿，睡前放松身体，避免过度疲劳。
长时间保持一个姿势时，要做好局部伸展和放松，减轻脊柱压力。
3. 饮食调理：饮食中要注意摄入足够的钙、维生素D等有助于骨骼健康的食物，减少烟酒等有害物质的摄入。
4. 矫正治疗：对于出现脊柱问题的患者，应及时进行专业的矫正治疗。
增强脊柱的力量和稳定性，同时纠正不良姿势和习惯。
总之，脊柱作为人体的支撑结构，保持其健康就显得十分重要。
通过日常生活中的正确体位和运动姿势、注意饮食、避免疲劳等一系列方法，维持脊柱的健康是可以做到的。
同时，注意及时进行专业的矫正治疗，可以减少脊柱问题的发生和影响。
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拉力常拮抗这一运动。
躯干如要恢复为原有的平衡状态，就需要增加肌肉收
缩力来拮抗此弯曲力矩所导致的躯干晃动。
除竖脊肌外，腹肌也通过问歇性的收缩参与维持姿势
的中立位并使躯体稳定。
矫形器学
骨盆与骶骨角
放松站立时倾斜角或骶骨角与水平线的夹角大约为30°。 骨盆后倾时骶骨角减小，且腰椎前凸变平。 骨盆前倾时骶骨角增大，加大腰椎前凸和胸椎后凸的角度。
矫形器学
脊柱功能单位
脊柱功能单位（F、S、U）：两个相邻椎体，相应椎 间盘、关节突关节及附属的前纵、后纵、棘间、 棘上、横突间及黄韧带。
矫形器学
矫形器学
椎管由椎弓和椎体构成，起保护脊髓的作用 。
椎体主要承担来自躯干上部的压力负荷。
这种压力负荷从上向尾椎逐渐增大。
腰椎椎体比胸椎和颈椎的椎体厚而宽，这些较大的
350N。
除黄韧带外其他韧带都含有大量胶原，黄韧带含有大
量的弹性蛋白。
当脊柱处于中立或者轻度后伸位时，黄韧带一直处于
牵张状态，这样可以给椎间盘一些预载并给脊柱提供 固有的支撑。
韧带的粘弹性能在脊柱后伸的时候限制韧带的自身的
屈曲，以免压迫神经组织。
矫形器学
头颈平衡
肌肉的强度和调节是保持头颈平衡的必要条件。
了2.75～3.44N的暴力。
脊髓损伤也会在颈椎突然屈伸运动过程中发生，尤其
是颈椎管存在狭窄时。
矫形器学
颈椎管测量方法：
在颈椎侧位X线片上，C3到C6任何一个椎节
，椎管的中矢状径与椎体的中矢状径的比值 如果小于或等于0.75，即诊断为发育性颈椎 管狭窄。
解剖形态的多样性意味着以颈椎的解剖测量比
矫形器学
持，并受周围神经、肌肉、腹压等因素影响。
椎体间活动范围取决于椎间盘。
活动的方向取决于椎间小关节:小关节接近矢状位，椎
体易发生前方移位。
腰椎的屈曲、伸展及侧屈可对椎间盘产生拉伸和压缩
应力，而腰椎旋转时椎间盘的受力主要为剪切应力。
矫形器学
矫形器学
椎间盘内压力或预应压力主要来源于前后纵韧带和黄
值来说明椎管的实际尺寸并不可靠。
矫形器学
A
B
椎管矢状径（B）/椎体矢状径(A)
矫形器学
当颈椎骨赘与脊髓互相接触的时候，颈椎屈曲活动更
容易引起脊髓损伤；
颈椎后伸，脊髓遭受前方的骨赘和后方内陷的黄韧带
钳夹样压迫，脊髓的前方和中央容易受累。
对颈椎屈伸运动的研究表明动态软组织增加了对脊髓
造成损伤的冲击。
没有明显的结构性病因的老年患者中偶尔出现严重的
颈椎后凸畸形 ，存在伸肌萎缩的患者被认为是老年性 颈椎肌病 。
矫形器学
神经生物力学
颈椎在从屈曲到后伸的变化过程中神经长度上发生了
明显的变化。
脊髓有纵向的弹性，但不能承受轴向的平移。
通常导致脊髓损伤的是脊髓遭受平移暴力。 成年人的脊髓在发生明显的神经损伤前估计应当承受
，这是由于腰大肌放松，负荷减轻的缘故。
矫形器学
椎体抗压实验
椎体本身或终板断裂破坏点的出现要早于椎间盘损伤
的发生。
骨骼抗压能力较完整的椎间盘的抗压能力弱。
椎体或终板发生断裂之前已经到达了屈服点。
当移除使椎体产生屈服点的负荷时，椎体能够恢复，
但再次施加负荷时容易造成损伤。
矫形器学
腰椎的显微损伤
高负荷会导致腰椎的显微损伤。 是由于施加于椎体上的应力和应变而导致的疲劳骨
折所引起的。
携带或上举重物一段水平距离影响腰椎负荷的因素 ：
(1)物品相对于椎体运动中心的位置； (2)物品的大小，形状，重量和密度； (3)腰椎旋转或弯曲的程度；
(4)负荷的速率。
提物时，物品靠近身体时较物品远离身体时的腰椎弯
曲力距减少，腰椎上的负荷也就越低。
矫形器学
矫形器学
动力学分析
几乎身体的任何运动都能增加肌肉的收缩力和增大脊柱
的负荷。
增幅在慢走或轻微摆动身体等运动时较和缓。 在进行各种运动，或复杂动态活动和动态负荷时的增幅
明显。
由于可使组织所受的负荷颇低，对下腰痛患者而言，步
行是一种安全甚或可能是理想的运动疗法之一，甚至可 调节行走速度来改变脊柱的负荷。
矫形器学
身体姿势可影响腰椎负荷
在良好支撑条件下躺下来脊柱椎间盘内的负荷最小，放松
站立时椎问盘内的负荷也较低，在坐位时负荷增加。
在放松站立位时，第三、四腰椎间盘上的负荷约是测量平
面以上身体重量的二倍。
脊柱向前弯曲时，椎间盘的中心位置后移。 躯干屈曲运动时对纤维环后侧部施加的应力远大于躯干伸
腹横肌和膈肌一起，在做任意方向摆动上肢运动时，
起到维持脊柱稳定的作用。
矫形器学
矫形器学
儿童无骨折脱位型脊髓损伤
病因未明，可能存在纵向牵引暴力。 儿童的脊柱弹性较好，可以承受比正常生理极限更
大的形变，在骨性结构自发复位的时候引起直接的 脊髓损伤。
单纯脊髓承受张力的能力很弱，极小暴力就可能造成
脊髓损伤或者血管断裂。
矫形器学
腰椎的生物力学
正常腰椎的稳定性由间盘、椎间小关节和韧带共同维
负荷的变化
将直立位椎体负荷定为100，
平卧时为50，
直坐150， 松弛180，
在屈髋、牵引的状态下，腰椎所受的负荷最小，
行走、搬举重物及功能锻炼时将增加。
矫形器学
静力学的观点
由于脊柱的伸展性，椎体和椎间盘吸收震荡的能力，
纵韧带的稳定功能以及黄韧带的粘弹性，整个脊椎可
以被看作是个可变形的弹性柱子。
由于椎间盘的位置处在两个椎体之间，同时其内外结构
组成的特异性，因此椎间盘在机械和功能上均发挥重要
作用。
矫形器学
矫形器学
椎间盘的结构
髓核是一团胶状物
青年人的髓核内具有丰富的亲水性(water—binding)粘多
糖，随着年龄的增大亲水性粘多糖逐渐减少，髓核的含 水量也逐渐降低。
髓核由外部坚强组织即纤维环所包围，纤维环由纤维软
展运动时。
脊柱的旋转运动及伴随发生的扭转负荷进一步增大了椎间
盘上的应力。
矫形器学
矫形器学
当身体处于仰卧位时腰椎的负荷最小，这是由于身体
重量所产生的负荷被消除的原因。
身体仰卧位的同时双膝关节伸直，腰大肌椎体部分可
在腰椎上产生一定的负荷。
髋关节和膝关节屈曲并有支撑时，腰椎前凸变得平直
，因此高质量的松质骨显得尤为重要。
骨质疏松
随着年龄的增大，骨强度逐渐下降。 椎体骨矿物质随着年龄的增长以一个相对稳定的速度进行
性下降。
椎体骨组织减少25％随之带来的骨强度下降超过50%。
矫形器学
肌肉的作用
人体骨骼承受载荷的时候，附着在其周围的肌肉能改
变在骨骼上的应力分布。
脊柱屈曲时，椎体后侧皮质承受拉力，而前侧皮质承
脊柱在矢状面有两个生理性弯曲-后曲和前曲-也增加
了脊柱的弹性 。
躯干肌群所产生的外部支持力有助于稳定和调整脊柱
上的负荷。
矫形器学
脊柱在站立位时的负荷
保持躯干姿势的肌肉处于持续活跃的状态。 当身体笔直时，肌肉收缩力最小。 站立过程时，躯干的重力线垂直经过第四椎体的中心
的腹侧。
脊柱承受向前的屈曲力矩，竖脊肌收缩力和韧带的牵
当承受过大压应力的时候，骨骼常在椎间盘损坏之前发
生骨折。
矫形器学
椎间盘的力学特性
具有粘弹性(蠕变和松弛)和滞后的力学特性。 与退变或突出的椎间盘相比，健康椎间盘的蠕变常发生
较慢：这样的现象说明退变的椎间盘粘弹性比正常的时
候要低。
椎间盘，特别是纤维环的弹性强度是制约椎体终板间异
常活动的重要因素。
韧带。
脊柱负重时
髓核具有流体静力学的特点，使压力均匀一致地分
布到整个椎间盘。
椎间盘作为一富含水的组织，在整个
运动节段中像一个垫子一样垫在椎体 间，起到储存和传递负荷的作用。
髓核只能轻微压缩，压力使得椎间盘
向周围膨出，外围的拉伸应力主要由 周围的环状纤维环承担。
椎间盘纤维环后部所承受的拉伸应力是轴向负荷的
结构保证了腰椎能够承受较大的负荷。
椎体骨和软组织的生物力学特性不同：
强度、刚度以及应力与应变的关系是生物力学的重
要特性。
矫形器学
矫形器学
骨骼的力学特性
常用应力应变曲线表示。
压力是指每单位面积的垂直载荷。 应力是指每单元在长度上的改变，通常以百分比来
表示。
皮质骨与松质骨的区别
腹内压的产生来源于膈肌、腹部和骨盆底肌群的协
同收缩。
腹横肌是腹肌群中产生腹内压的主要肌肉。 腹内压增加可产生躯干伸展力矩 。
矫形器学
腹内压维持脊柱力学的稳定性是通过脊柱相互拮抗的
伸肌群和屈肌群的协同作用而实现的 。
腹内压增加，整个腹腔形成一个近似圆柱体的结构，
在稳定性上要优于由各节椎体构成的脊柱结构。
运动锻炼时腹肌和竖脊肌的力量锻炼能使脊柱所受负荷
升高。尽管能有效地强化相关肌肉力量，但是仍需适度 调整脊柱负荷的锻炼以适应不同个体的需要。
矫形器学
腰椎机械稳定性的维持
腹内压(IAP)，躯干肌群的协同收缩，体外支撑物，或
外科手术。
腹内压
是一种具有能减少腰椎负荷和维持腰椎稳定功能的
机制。
肌肉的强度也能减少颈椎应力。 在颈椎各种运动方式，椎体都承受屈曲力矩。 屈曲运动时，椎体的前侧皮质承受压应力，而椎体后