人体脊柱生物力学特性的研究方法及进展汇总

中国组织工程研究 第20卷 第48期 2016–11–25出版

Chinese Journal of Tissue Engineering Research November 25, 2016 Vol.20, No.48

ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH

7273 ·综述·

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张恩泽，男，1991年生，河北省人，汉族，2016年清华大学毕业，硕士，主要从事脊柱生物力学方面的研究。

通讯作者：刘伟强，教授，深圳清华大学研究院，广东省深圳市 518057

中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2016)48-07273-07 稿件接受：2016-10-16

人体脊柱生物力学特性的研究方法及进展

张恩泽1

，廖振华2

，刘伟强2(1

清华大学深圳研究生院，广东省深圳市 518055；2

深圳清华大学研究院，广东省深圳市 518057)

引用本文：张恩泽，廖振华，刘伟强. 人体脊柱生物力学特性的研究方法及进展[J].中国组织工程研究，2016，20(48):7273-7279. DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.019 ORCID: 0000-0001-8676-0761(刘伟强)

文章快速阅读：

文题释义：

脊椎生物力学评估方法：分为在体和体外2种。在体研究即通过各种检测设备、以接触或非接触的方式测量人体在运动时脊柱的变化；体外研究利用模型、动物或人体的脊柱标本，模拟人体脊椎受力环境施加载荷，测量节段间运动和各部位的受力。

疲劳测试：给标本施加一定幅值的循环载荷，得到疲劳断裂的周期数即为该负载所对应的疲劳寿命。以不同幅值多次测量得到对应疲劳寿命绘制疲劳曲线。疲劳性测试可以用来判断脊柱薄弱点位置。

摘要

背景：随着脊椎融合术和人工椎间盘植入手术的不断发展，近年来研究者们利用各种医疗仪器设备和研究方法，对脊椎的各项特性展开研究。生物力学研究需要更真实的模拟人体生理环境和运动方式。 目的：综述国内外相关文献，从测量主体和测量内容角度总结脊柱生物力学研究方法的优势与不足。 方法：以“biomechanical and (properties or study or evaluation), spinal biomechanics, spine mechanical test, spine and (kinematics or motion)”为英文检索词检索PubMed 、Web of Science 、Springer 数据库，以“生物力学特性，生物力学研究评估，脊柱生物力学，脊柱力学测试，脊柱动力学，脊柱运动”为检索词检索中文期刊全文数据库，纳入脊柱力学、运动学、动力学研究相关文献，主要整理近5年来该领域内的经典文献，排除重复性工作，重点对38篇文献进行分析讨论。

结果与结论：近30年来研究者从多个结构细节对脊柱机械特性展开了研究，仿照人体运动研究了基本工况下脊柱的运动形式，掌握了大量脊柱力学与动力学特性。未来还需要对脊柱特性进行更加深入的了解，如力学方面椎间盘的阻尼特性、运动学方面脊柱的空间耦合运动规律等，才能有助于设计性能更加优良的脊椎病治疗产品，更好地修复脊椎疾病。 关键词：

骨科植入物；脊柱植入物；生物力学特性；置换；融合；脊柱力学；脊柱运动学；加载装置；测量方法；脊柱强度；脊柱稳定性；组织疲劳

主题词：

脊柱；脊柱融合术；生物力学；组织工程

基金资助：

国家科技支撑计划(2012BAI18B05)《新型人工椎间盘》

Research method and progresses of biomechanical properties of human spine

Zhang En-ze 1, Liao Zhen-hua 2, Liu Wei-qiang 2 (1Graduate School of Shenzhen, Tsinghua University,

Shenzhen 518055, Guangdong Province, China; 2Reasearch Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518057, Guangdong Province, China)

P .O. Box 10002, Shenyang 110180

7274

Zhang En-ze, Master, Graduate School of Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, Guangdong Province, China

Corresponding author: Liu Wei-qiang, Professor, Reasearch Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518057, Guangdong Province, China

Abstract

BACKGROUND: With the gradual development of spine fusion surgery and artificial disc implant surgery, researchers have studied the characteristics of spine in various ways using many kinds of medical equipment in recent years. Biomechanical studies of more realistic simulation of human physiological environment and human movement are needed.

OBJECTIVE: To review domestic and foreign documents and sum up the advantage and disadvantage of spinal biomechanics research methods from the aspects of measurement subjects and measurement methods.

METHODS: The PubMed database, Web of Science database, Springer database and CNKI database were searched with key words of “biomechanical and (properties or study or evaluation), spinal biomechanics, spine mechanical test, spin e and (kinematics or motion)” in English and Chinese

respectively. Articles related to mechanics kinematics and dynamics of spine were included. Researches in recent five years and classic literature in this field were collected, and the repetitive studies were excluded. A total of 38 articles were discussed.

RESULTS AND CONCLUSION: Researchers have studied the spinal mechanical properties of a plurality of structural details and the movement form in basic conditions simulating human motion in recent 30 years. Many spinal properties about mechanics and dynamics were mastered. There is need for more in-depth understanding of spinal properties in future, such as the damping characteristics of disc

mechanics and coupling movement of spinal kinematics, which would be helpful in designing treatment products and curing spinal disease.

Subject headings: Spine; Spinal Fusion; Biomechanics; Tissue Engineering

Funding: the National Science and Technology Support Program, No, 2012BAI18B05

Cite this article: Zhang EZ, Liao ZH, Liu WQ. Research method and progresses of biomechanical properties of human spine. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(48):7273-7279.

0 引言 Introduction

脊椎损伤会诱发多种病变，压迫刺激神经产生疼痛、局部麻痹甚至瘫痪等[1]。椎体特性与形状尺寸和结构密切相关：椎管的大小和腰椎疼痛相关；腰椎后侧壁的凹陷加快椎间盘成疝；椎弓板惯性矩决定抗弯刚度等。早在1827年Weber [2]对3具尸体的腰椎进行测量。Markolf [3]第一次通过施加多种负载获取胸腰椎运动节段的载荷-位移特性。Asazum 等[4]认为，假关节问题、融合延误、器械失效三者强烈相关，并可通过刚性固定予以改善。后续研究者采用体外和在体方法研究脊椎生物力学特性，研究脊椎正常运动、评估脊柱损伤、观测外科手术对脊椎功能的修复。

脊椎的生物力学评估方法分为在体和体外2种。在体研究即通过各种检测设备、以接触或非接触的方式测量人体在运动时脊柱的变化；体外研究利用模型、动物或人体的脊柱标本，模拟人体脊椎受力环境施加载荷，测量节段间运动和各部位的受力。文章综述国内外相关文献，从测量主体和测量内容角度总结了脊柱生物力学研究方法的优势与不足，以期为脊椎生物力学研究的未来发展提供一定的参考帮助。

1 资料和方法 Data and methods

1.1 资料来源 作者于2015年3月检索PubMed 、

Web of Science 、Springer 数据库和中文期刊全文数据库。英文检索为“biomechanical and (properties or study or evaluation)，spinal biomechanics ，spine mechanical test ，spine and (kinematics or motion)”，中文检索词为“生物力学特性、生物力学研究评估、脊柱生物力学、脊柱力学测试、脊柱动力学、脊柱运动”，检索时间为2005年1月至2015年6月。同时手工检索相关书籍。检索文献量总计300余篇。 1.2 入选标准

纳入标准：脊柱生物力学评估相关文献；相关领域

近期发表文章；脊柱生物力学研究经典文章。

排除标准：与此文内容无关文献；重复性研究；较

陈旧文献。

1.3 文献选择及质量评价 对资料进行初审，按纳入和排除标准筛选后对其中38篇相关性较强的文献进行进一步分析。文献[1-18]涉及脊柱生物力学特性的 在体测量，文献[19-38]涉及脊柱生物力学特性的体外测量。

2 结果 Results

2.1 在体测量 在体测量使用接触式或非接触式医学设备，直接测量人体活动时脊柱各节段的运动情况和脊柱各项尺寸参数。