脊柱生物力学基本知识
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。
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。
脊柱运动及生物力学课件
腰椎的生理曲度对腰椎间盘的应力分布有着重要影响。当 腰椎曲度发生变化时，会导致腰椎间盘的应力分布发生变 化，从而增加腰椎间盘突出的风险。
腰部肌肉的力学特性
腰部肌肉对腰椎起着支撑和保护的作用。当腰部肌肉的力 学特性发生改变时，可能会导致腰椎的稳定性下降，从而 引发腰椎间盘突出。
脊柱侧弯与生物力学
旋转则是脊柱的环形运动。
这些运动形式是人体完成各种动 作的基础，如弯腰、扭头、转身
等。
脊柱的生理功能
支撑和保护
维持姿势
脊柱支撑着人的身体，保护脊髓和神经根 不受损伤。
通过肌肉的收缩和舒张，脊柱可以维持人 体的姿势平衡。
缓冲震荡
运动功能
当人体受到外力冲击时，脊柱能够起到缓 冲震荡的作用，保护脊髓和神经根不受损软件，模拟脊柱在不同 外力作用下的响应。
比较法
比较不同个体或不同姿势下脊柱的 生物力学差异，为个体化运动方案 提供依据。
03
脊柱运动与生物力学的关 系
脊柱运动对生物力学的影响
脊柱运动影响身体姿势
通过改变脊柱的弯曲和扭曲程度，可 以调整身体的重心和平衡，从而影响 站立、坐姿和行走等姿势。
颈椎病与生物力学
01 02
颈椎的弯曲度和曲率半径变化
颈椎的生理弯曲度是适应头部重量的需要而形成的。当颈椎的弯曲度和 曲率半径发生变化时，颈椎的应力分布也会发生变化，从而导致颈椎病 的出现。
颈椎间盘的受力变化
颈椎间盘在颈椎的活动中起着缓冲和减震的作用。当颈椎间盘受到过度 的压力或扭曲力时，会导致颈椎间盘的退行性变，进而引发颈椎病。
05
脊柱疾病的预防与治疗中 的生物力学应用
正确的姿势与脊柱健康
坐姿
保持正确的坐姿，使腰部有足够 的支撑，可以减轻脊柱压力。
脊柱生物力学
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
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
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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脊柱生物力学基本知识 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
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
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。
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。
绝大多数X 线平片拍摄时采用的是前后
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。