脊柱运动的生物力学基础
基础理论 - 生物力学
(脊柱)
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%。白天站立和行走的压力使髓核丧失少量水分，而在睡眠或休息时由于髓核压力减小，水分又得到重储存。因此早晚身高有2厘米的差异。20岁以后髓核对水分重储存能力减退。由于提重物和年龄增长产生的微损伤使纤维环纤维成分增加，而能复原的弹性成分相对减少。因此30－50岁的成年人纤维环易遭受损伤，继后髓核脱出而压迫神经根。
（4）椎小关节：椎小关节由相临椎体的上下关节突构成，和椎间盘的载荷分配随脊柱位置而异，一般承受0~30%的脊柱载荷。脊柱过伸位时小关节突承载力显著增加。
（5）脊柱韧带：有前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和黄韧带。韧带主要作用于脊柱的静态稳定性。大多数脊柱韧带由延伸度较小的胶原纤维构成。黄韧带含有较高比例的弹力纤维。韧带还作用于拉伸载荷在椎体间的传递，使脊柱在生理范围内以最小的阻力进行平稳运动。
4、运动节段：由两个相临的椎体、椎间盘和纵韧带形成节段的前部。相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及韧带组成节段的后部。椎弓和椎体形成椎管以保护脊髓。运动节段是脊柱的最小功能单元。
（1）前部：椎体的设计主要是为了承担压缩负荷，上部身体的重量加大时，椎体就相应变得更大，因此腰椎的椎体比胸椎和颈椎的椎体要高，其横截面积也大一些。腰椎椎体的尺寸增大，是它们能承受这部分脊柱所需的较大负荷。
（2）后部：后部控制运动节段的运动。运动的方向取决于椎间小关节突的朝向。第1、2颈椎小关节突朝向横面，其余颈椎的椎小关节突均与横面呈450夹角而与额面平行，从而能
够屈曲、伸直、侧弯和旋转。胸椎小关节突的朝向与横面呈600，与额面呈200夹角，使其能侧弯、旋转和少许屈伸。腰区椎小关节突的朝向与横面呈直角，与额面呈450，使其能屈伸和侧弯，但不能旋转。腰骶小关节突的朝向和形状使之能有某些旋转活动。
5、脊柱偶连运动：脊柱运动一般是几个节段的联合动作，称之为偶联运动。影响偶联运动的骨性结构有胸廓和骨盆，胸廓限制胸椎运动，骨盆倾斜可以增加躯干的运动。脊柱运动的正常范围变异很大，有较强的年龄因素。脊柱整体屈曲50°~60°起始于腰椎。骨盆前倾和髋部屈曲增加脊柱前屈范围，胸椎的作用有限。虽然胸椎小关节的形状有利于侧弯，但肋骨限制其活动。脊柱旋转主要发生在胸椎和腰骶部，腰椎的旋转十分有限。
6、脊柱负荷：腰椎是脊柱主要承重部位。放松直立位时，椎间盘压力来自于椎间盘内压、被测部位以上的体重和作用在该运动节段的肌肉应力。躯干屈曲和旋转时椎间盘的压应力和拉应力均增加。腰椎载荷在放松坐位高于放松直立位，有支撑坐位小于无支撑坐位。仰卧位时脊柱承载最小。仰卧位膝伸直时，腰肌对脊柱的拉力可以在腰椎上产生载荷。髋和膝关节有支撑屈曲时，由于腰肌放松使腰椎前凸变直，载荷减小；附加牵引时载荷可以进一步减小。患者仰卧、髋和膝关节支撑下屈曲、脊柱前凸变平，牵引力可更为均匀地分布到整个脊柱。携带重物时，物体重心与脊柱运动中心之间的距离越短，阻力臂越短，脊柱载荷越小。身体前屈位拿起重物时，除了物体重力外，上身重量也产生脊柱剪力，增加脊柱载荷。
举例：体重70公斤，提起20公斤重物，脊柱前屈350，作用在腰骶部及腰椎的力：①上身重力(W)450牛顿（约为65%体重）。②物体重力(P)200牛顿。③竖棘肌收缩力（M）。腰椎发生两个力矩，即力W和力P以及它们与瞬时运动中心的距离(力矩WLw和PLp )。反向平衡力矩（力矩MLM）由力M以肌与它瞬时中心的距离产生，力W的力臂（力与瞬时中心的垂直距离）为0.25米，力P的力臂为0.4米，力M的力臂为0.05米。身体处于平衡状态时，作用在腰椎上的力矩之和必须为0（把顺时力矩规定为正，逆时针力矩为负）。
Σ力矩=0；（W×Lw）+(P×Lp)-(M×Lm)=0
(450N×0.25m)+(200N×0.4m)-(M×0.05m)=0
M×0.05m=112.5Nm+80Nm
M=3850Nm
作用在椎间盘上的总压缩力（力C）可用三角形法计算。若椎间盘与横面倾斜350，力C为作用在椎间盘上压缩力之和，包括：①上身重量(W)所产生的力，它作用在350倾斜的椎间盘上（W×cos350）。②物体重量(P)产生的力，它作用在倾斜的椎间盘上（P×cos350）。
③竖棘肌（M）产生的力，呈直角作用于倾斜的椎间盘。椎间盘(C)总压缩力也可通过平衡公式求出。
Σ力=0；（W×cos350）+（P×cos350）+M-C=0
(450N×cos350) +（200N×cos350）+3850N-C=0
C=365.5+163.8+3850(N)
C=4382 N
表1 腰(L3)椎间盘所受的力（Jayson, 1987）牛顿（N）
仰卧位
仰卧清醒 250
半卧位 100
腰麻或截瘫 80
被动牵引30秒 250
被动牵引3分钟 <100
自体牵引 500
仰卧上肢练习（手握20N重物） 600
仰卧起坐（大范围） 1200
双腿抬起 800
仰卧起坐（小范围，等长收缩） 600
头低位床面倾斜10° 300
坐位
直坐(无支持) 700
坐位100°，腰部靠垫4cm 450
坐位100°，有扶手 400
坐位100°，有靠背和脚踏板 500
坐办公椅内 500
起坐无扶手 1000
起坐有扶手 700
坐办公椅握20N重物 700
腰前屈每手握100N重物 1400
上举50N重物 1400
站立位
放松站立 500
咳嗽 700
挺胸大笑 700
平跳 700
腰椎前屈20° 700
腰椎前屈40° 1000
腰椎前屈20°，每手握100N重物 1200
腰椎前屈20°，旋转20°，每手握50N重物 2100
上举100N，跪、躯干挺直 1700
前平举100N腰椎前屈屈膝伸直 1900
前平举100N 1900
腰椎前屈30°，前平举每手40N重物 1700
腰围支持下腰椎前屈30°，每手举40N重物 1200
7、运动对腰椎载荷的影响：所有运动都会增加腰椎载荷。竖棘肌和腹肌运动训练应在脊柱载荷适合的条件下进行。双腿直腿上抬时腰方肌的活动最大，并使脊柱前凸。屈髋、膝限制腰肌活动后再行仰卧起坐可以有效地训练腹肌，但也使腰椎间盘压力增加。若活动范围仅限于躯干屈曲，头和肩只抬高到肩胛带离开桌面的位置，以排除腰椎运动，使腰椎载荷减小。胸前抱膝运动使腹外斜肌和腹直肌活动。
8、骶髂关节：骶髂关节的韧带损伤、多动或少动、炎症等是下腰疼痛的主要原因。骶髂关节为平面关节。骶骨关节面覆有透明软骨，而髂骨关节面表面为纤维软骨；关节腔内有滑液,并有关节囊。随年令增长，骶髂关节的骨赘和关节强直的发生率很高，主要在男性，女性发生率极低。骶髂关节运动范围平均4°。骶髂关节的骨性结构和强厚广泛韧带的结合形成了关节的自锁机制。当压力增加导致骶骨在髂骨表面向下运动和后韧带紧张,将两侧髂骨向中间靠拢，像钳子一样将骶骨夹得更紧阻止髂骨的下降。
9、肌肉作用：头、颈和躯干肌在中线两侧成对排列，两侧肌收缩产生矢状面上的前屈和后伸运动。一侧肌收缩则在额状面或横断面产生侧屈或旋转运动。承受重力、附肢肌收缩以及地面的反作用力时，颈肌和躯干肌协同收缩稳定椎骨。
（1）头和脊柱平衡：相关的肌肉包括：前：枕下肌、头长肌、颈长肌、斜角肌、胸锁乳突肌、腹直肌、腹内斜肌、腹外斜肌和腰大肌。后：枕下肌、横突棘肌和竖棘肌。外侧：斜角肌、胸锁乳突肌、腰方肌、腰大肌、腹内斜肌和肋间肌。放松坐位或直立位时，这些肌肉仅有与姿势摆动有关的小量周期性活动。头部或头、躯干、上肢的重心移动或推拉躯干可直接激活肌收缩使躯干恢复平衡。
（2）躯干运动和椎骨稳定：横突棘肌和竖脊肌的主要功能是脊柱后伸时协同稳定脊柱。闭链运动中腰大肌是主要动作肌和躯干固定肌。躯干肌的重要功能是固定胸廓、骨盆和脊柱，使肢体运动时可稳定颈部、肩部和髋部肌肉的起点。
（3）前屈和抬高(膝伸直)：当人站立屈髋去触脚趾时，发生伸髋肌(主要是腘绳肌)和竖脊肌的离心收缩来控制屈髋和脊柱的向前弯曲。这些肌肉的向心收缩，使躯干恢复直立位。当躯干前屈全程的2/3时，肌电图可见竖脊肌突然抑制现象，一直持续到躯干恢复直立位的1/3，称为“临界点”，其平均值为屈躯干81°。Kippers等（1984）发现此值发生在最大屈髋的60%和最大屈脊柱的90%。当将重物放下去或从地面提起时，临界点的角度稍有增加。（4）蹲起和蹲下：从地面上提起物体的一种方法是屈膝、屈髋以及背屈踝关节。蹲起可用二种骨盆和脊柱的位置：①腰部脊柱前凸位的骨盆前倾；②脊柱后凸位的骨盆后倾。根据躯干的位置，在提物时竖脊肌的肌电活动是不同的。当躯干在脊柱前凸位，肌电活动大于屈曲位，最大肌电活动在提物开始时。蹲下则需小腿三头肌、股四头肌和伸髋肌的离心收缩，当脊柱前凸位时还伴有竖脊肌的等长收缩。当脊柱在后突位膝伸直屈髋时，竖脊肌的肌电活动减弱和抑制。如在脊柱后凸位提物时竖脊肌在提物开始时无肌电活动，而峰值在提物的中段。虽然在背前屈时提物可减轻对椎间盘的压力而背伸时提物肌控制提供了对关节突关节的保护，但哪一位置好并没有统一意见。
（5）肢体功能性活动：用上肢来抬高身体的动作有引体向上，俯卧撑，从坐位推起，拐杖行走等。这些运动的主动肌是肘关节屈肌(引体向上)、肘关节伸肌(推起)、肩关节内收肌和伸肌以及降肩胛骨肌的向心收缩，腹肌和躯干伸肌的等长收缩也同样重要。当脊髓损伤造成腹肌和躯干肌麻痹时，不管患者的手臂有多强健也不能抬高躯体。在手臂固定的闭链运动中，背阔肌(C3－C6)和腰方肌(T12－L1)提供强大作用力使骨盆接近臂或胸廓。站起和坐下，深屈膝，上楼或下楼均有相似肌活动的形式。从坐或蹲位上站立或上一级楼梯都需股四头肌的向心收缩来伸膝以及伸髋肌特别是腘绳肌的向心收缩来伸髋。竖脊肌相关的等长收缩来保持和头和脊柱的直立位。下降身体去坐或蹲下或下一级楼梯则需股四头肌和腘绳肌的离心收缩来屈膝、屈髋以及竖脊肌的等长收缩。开链运动中股四头肌和腘绳肌有拮抗关系，但在支持、抬高或下降身体的闭链运动中改变为协同收缩。推或拉物体（抽屉或门）需躯干高度稳定，以产生有效的推拉力。推的动作使腹肌和屈髋肌活动，这样躯干不能伸直，而拉则背和髋伸肌活动所以躯干不能屈。俯卧撑的撑上期主要动作肌为伸肘肌、盂肱关节的内收肌和伸肌以及肩胛骨的外展肌的向心收缩。为了维持挺直的躯干，前面有腹肌、屈髋肌和伸膝肌的
等长收缩。除竖脊肌保持颈部伸直外，其他的背肌相对不活动。上肢的肌离心收缩，躯干前部的肌和小腿肌继续等长收缩，来使躯体回到原来的位置。
10、胸腰筋膜（胸背筋膜）：是非常强健的结缔组织，连结肋、椎骨、髂骨和骶骨以及韧带系统和躯干肌，作用于提举重物越过头和用高速投掷物体时稳定躯干。胸腰筋膜有前、中、后三层。前层最深，附于腰椎横突向外覆盖腰方肌。中层由强健的横行纤维组成，内侧附于腰椎横突，外侧附于第12肋和腹横肌。后层覆盖于背部，内侧附于棘突和棘上韧带，上方与夹肌的筋膜交织，下方附于骶骨，并与臀肌的筋膜交织，外侧附于肋和髂骨；在外侧中央成为腹内斜肌的起点。胸腰筋膜后层可进一步分为深浅两层。浅表为背阔肌的腱膜，其纤维从背阔肌附着的外侧缝向内下到达棘突；深层与浅层融合，其纤维以相反方向与浅层交叉。这二层共同形成强健的三角形结构。此外胸背筋膜还作为支持带包裹竖躯干肌和多裂肌。胸腰筋膜、肌肉和韧带系统共同参与胸腰活动的控制。(中国康复医学会康复园地)
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
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 神经肌肉性侧弯 神经肌肉性侧弯通常在儿童期发病。 神经病性和肌病性。然而， 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。 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， 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， 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 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。
脊柱生物力学基本知识集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]
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
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%。白天站立和行走的压力使髓核丧失少量水分，而在睡眠或休息时由于髓核压力减小，水分又得到重储存。因此早晚身高有2厘米的差异。20岁以后髓核对水分重储存能力减退。由于提重物和年龄增长产生的微损伤使纤维环纤维成分增加，而能复原的弹性成分相对减少。因此30-50岁的成年人纤维环易遭受损伤，继后髓核脱出而压迫神经根。 (4)椎小关节：椎小关节由相临椎体的上下关节突构成，和椎间盘的载荷分配随脊柱位置而异，一般承受0~30%的脊柱载荷。脊柱过伸位时小关节突承载力显著增加。 (5)脊柱韧带：有前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和黄韧带。韧带主要作用于脊柱的静态稳定性。大多数脊柱韧带由延伸度较小的胶原纤维构成。黄韧带含有较高比例的弹力纤维。韧带还作用于拉伸载荷在椎体间的传递，使脊柱在生理范围内以最小的阻力进行平稳运动。 4、运动节段：由两个相临的椎体、椎间盘和纵韧带形成节段的前部。相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及韧带组成节段的后部。椎弓和椎体形成椎管以保护脊髓。运动节段是脊柱的最小功能单元。
脊柱侧弯King分型和Lenke分型 King分型：依据侧凸部位、顶椎、侧弯严重程度、柔韧度和代偿弯曲等将特发性脊柱侧凸归纳为五型。 I型：腰弯和胸弯均超过骶骨中心垂线（center sacral vertical line, CSVL)，且腰弯的Cobb角较大，其柔韧性较胸弯差（若站立位上胸弯大于腰弯但侧方弯曲像上胸弯更柔软，也归为I 型）；北京地坛医院骨科张强 Ⅱ型：胸弯和腰弯均超过CSVL，胸弯的Cobb角较大、其柔韧性较差； Ⅲ型：单胸弯，其代偿性腰弯不超过CSVL； Ⅳ型：长胸弯，L5被CSVL平分，L4倾斜入长胸弯内； Ⅴ型：结构性双胸弯，T1向上胸弯的凹侧或下胸弯的凸侧倾斜。 此分型的提出在脊柱矫形外科的发展史中具有里程碑的意义。 Lenke分型具体可分以下三步进行： 第一步，根据主侧弯的位置和次要侧弯的结构性特征来确定侧凸类型（共6 型）。 1 型：主胸弯，胸弯是主弯，近段胸弯和胸腰弯／腰弯是非结构性次要侧弯； 2 型：双胸弯，胸弯是主弯，近段胸弯是结构性次要侧弯，胸腰弯／腰弯是非结构性次要侧弯； 3型：双主弯，胸弯和胸腰弯／腰弯是结构性侧弯，近段胸弯是非结构性侧弯。胸弯是主侧弯，其Cobb 角大于、等于胸腰弯／腰弯或二者相差不超过5°； 4 型：三主弯，近段胸弯、胸弯和胸腰弯／腰弯均为结构性侧弯。胸弯和胸腰弯／腰弯均可能是主侧弯； 5 型：胸腰弯或腰弯，胸腰弯／腰弯是结构性主侧弯，近段胸弯和胸弯均是非结构性侧弯； 6 型：胸腰弯／腰弯及胸弯，胸腰胸／腰椎弯是主侧弯，其角度至少比胸弯大5°，胸弯是结构性次要侧弯，近段胸弯是非结构性侧弯。 第二步，根据骶骨正中垂线（CSVL）与腰弯的位置关系，将腰弯进一步修正为A、B、C 3 种分型。 A 型：CSVL 在稳定椎以下的腰椎椎体两侧椎弓根之间穿过,如果对CSVL 是否穿过双侧椎弓根之间存在疑问, 则判定为 B 型，该型侧凸必须同时存在顶椎位于T11/T12 椎间隙或以上的胸椎侧凸； B 型：CSVL 位于腰椎凹侧椎弓根外侧界至腰椎椎体或椎间盘外缘之间，如对CSVL 是否接触椎体或椎间盘外缘存在疑问, 则判定为B 型。此型侧凸同样只见于顶椎位于主胸椎的侧凸, 因此也不包括胸腰段/腰椎侧凸； C 型：CSVL 位于腰椎椎体或椎间盘外缘以外。此类畸形的主侧凸可能位于胸椎、腰椎和/或胸腰段。如对CSVL 是否接触椎体或椎间盘外缘存在疑问,也同样判定为B 型。C 型可能包括所有的以主胸椎侧凸为主侧凸的畸形,必然包括所有的胸腰段/腰椎侧凸。 第三步，根据矢状面胸椎（T5～12）后凸的特点确定了 3 种胸弯修正型。T5～12 后凸角度小于10°判定为负型（-），10°～40°则为正常型（N），大于40°者为正型（+）。至此，就完成了特发性脊柱侧凸的Lenke 分型。
脊柱运动的生物力学基础 基础理论 - 生物力学 (脊柱) 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%。白天站立和行走的压力使髓核丧失少量水分，而在睡眠或休息时由于髓核压力减小，水分又得到重储存。因此早晚身高有2厘米的差异。20岁以后髓核对水分重储存能力减退。由于提重物和年龄增长产生的微损伤使纤维环纤维成分增加，而能复原的弹性成分相对减少。因此30－50岁的成年人纤维环易遭受损伤，继后髓核脱出而压迫神经根。 （4）椎小关节：椎小关节由相临椎体的上下关节突构成，和椎间盘的载荷分配随脊柱位置而异，一般承受0~30%的脊柱载荷。脊柱过伸位时小关节突承载力显著增加。 （5）脊柱韧带：有前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和黄韧带。韧带主要作用于脊柱的静态稳定性。大多数脊柱韧带由延伸度较小的胶原纤维构成。黄韧带含有较高比例的弹力纤维。韧带还作用于拉伸载荷在椎体间的传递，使脊柱在生理范围内以最小的阻力进行平稳运动。 4、运动节段：由两个相临的椎体、椎间盘和纵韧带形成节段的前部。相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及韧带组成节段的后部。椎弓和椎体形成椎管以保护脊髓。运动节段是脊柱的最小功能单元。 （1）前部：椎体的设计主要是为了承担压缩负荷，上部身体的重量加大时，椎体就相应变得更大，因此腰椎的椎体比胸椎和颈椎的椎体要高，其横截面积也大一些。腰椎椎体的尺寸增大，是它们能承受这部分脊柱所需的较大负荷。 （2）后部：后部控制运动节段的运动。运动的方向取决于椎间小关节突的朝向。第1、2颈椎小关节突朝向横面，其余颈椎的椎小关节突均与横面呈450夹角而与额面平行，从而能
现代脊柱外科学(上.下) 【赵定麟 本书分为总论与创伤、脊柱疾患、脊柱侧凸、畸形与肿瘤等共计四卷，七十八章加以阐述。在总论与创伤中，除有关脊椎的解剖及生物力学外，对脊椎伤患的诊断学基础及脊髓受损的定位诊断等作了较详细的介绍，在颈椎及腰骶椎两篇脊椎疾患中，较细至地介绍了各种常见的病变，对较少见之疾患亦加以介绍。本书在文字上深入浅出，并注重文图并茂，使读者一目了解，以便于临床工作的开展而有利于广大脊椎伤病患者。 赵定麟 男，主任医师，2级教授，博士生导师。1935年1月出生，1956年毕业于哈尔滨医科大学，历任长征医院骨科主任、全军骨科研究所所长，为国家级有突出贡献的中青年科技专家，政府特殊津贴获得者。现任国际创伤与矫形外科学会(SICOT)及世界矫形外科教育学会(WOC)中国分会主席以及中华创伤外科学会、中华骨科学会委员、中华骨科学会脊柱外科专业组核心组成员等20个学术职务。二、研究方向主要研究方向为脊柱伤患的诊治，在颈椎伤病的诊治方面造诣较深。曾设计了颈椎潜式减压、侧前方减压、Y型诫压、局部旋转植骨等多种术式，研制了颈椎椎体间人工关节、空心螺纹式椎节内固定器及可调式钛合金人工椎体，在欧美、日本等20余所大学或国际会议上讲学或学术报告，论文多次入选美国AAOS、日本JOA及SlCOT等世界性会议。三、承担课题为全军“九五”指令性课题和上海市医学领先专业——脊柱外科学主要负责人之一，曾承担课题“神经肽与骨衰老的关系（国家自然科学基金）” 、“脊柱脊髓伤的研究（八五及九五全军医学科技攻关课题基金）”、“脊柱外科的临床治疗与实验研究（上海市领先学科资助项目基金）”等多项课题。四、成果奖励主编专著《脊椎外科临床研究》、《颈椎病》、《下腰痛、》《实用创伤骨科学》、《颈椎伤病学》、《脊柱外科学》、《四肢脊柱创伤》、《现代创伤外科学》、《骨科学新理论新技术》、《创伤骨科学及新进展》、《现代颈椎病学》、《骨科诊断学》《现代骨科学》等专著13部。发表论文60
脊柱侧弯是脊柱的一个或多个节段在冠状面上偏离中线的侧弯、矢状面上的前弯或脊椎体在纵轴上的旋转，是最常见的脊柱三维畸形[1]。脊柱侧弯是躯干的畸形，以脊柱的侧向偏移和轴位旋转为特征。许多特发性脊柱侧弯患者存在肋骨的变形以及矢状面上胸椎生理后弯的减少。少数特发性脊柱侧弯患者表现为主弯与次弯交界区的后弯畸形。由于其病理解剖特点复杂，导致脊柱在出现侧弯后和矫正手术后的生物力学变化较正常生理曲度的脊柱复杂得多，本文就目前国内外在脊柱侧弯生物力学方面的研究综述如下。 1脊柱侧弯生物力学机制的研究 脊柱侧弯是复杂、常见的脊柱畸形，其中最为常见的类型是 特发性脊柱侧弯，国内外数十年来的研究发现特发性侧弯的病因与遗传、生长发育、神经肌肉因素、内分泌系统等有关，但目前还无明确证据表明其存在单一的致病因素。由于对脊柱侧弯的病因尚不明了，以及对于脊柱侧弯进展、转归以及术后的预后等亦不清楚。目前文献报道对脊柱发生侧弯以后的生物力学改变亦不多，但学者普遍认为，在快速生长期脊椎不对称生长的自身生物力学调节加重了特发性脊柱侧弯的进展[2]。 对于影响脊柱侧弯的进展，目前国内外学者普遍认为占主导作用的是生物力学机制，占重要因素的是脊柱负载及椎体生长的不平衡。Villemure 等[3]通过三维有限元模型对脊柱侧弯进展的情况进行了模拟，为进一步研究脊柱侧弯创造了条件。Aronsson 等[4]利用小牛脊柱进行生物力学实验，证明通过不同方向对脊柱进行 特发性脊柱侧弯的生物力学研究进展 侯翰涛综述，王文军审校（南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南衡阳421001） 【关键词】 脊柱侧凸； 生物力学； 矫形外科手术 文章编号：1009-5519（2012）09-1364-03 中图法分类号：R5 文献标识码： A
1.SPINAL MODELING AND LUMBAR SPINAL BIOMECHANICS 脊柱模型及腰椎的生物力学 Ray Wiegand,D.C. Adjunct Faculty Logan College of Chiropractic 2.INTRODUCTION介绍 *The purpose of this presentation is to develop a geometric spinal model using frontal and sagittal plane radiographs. 本讲座的目的是介绍用正面和侧面X-光片创立一个脊柱几何力学模型 3.PURPOSE OF THE SPINAL MODEL脊柱模型的作用 *Provide a method to record the architecture and geometry of the spinal pelvic system to investigate its organization and function. 提供一个方法以记录和测定脊柱和骨盆系统的结构极其几何力学，用以研究其组成和功能*Identify abnormal segmental alignment for the purpose of spinal adjusting 确定异常的关节排列以确定脊柱调整方案 4.BIOMECHANICAL ORGANIZATION生物力学结构 *All living organisms demonstrate optimum efficiency through structural and functional organization 所有有生命的肌体组织都会通过其结构和功能组成来达到其最佳和最有效的生存方式 *The human skeleton is structurally and functionally organized including the alignment of the bones and the symmetrical attachment of the ligaments and muscles 人体的骨骼系统是以骨骼的排列、韧带和肌肉的对称附着来达到结构和功能的有机结合的*Any injury to the spine or pelvis causes functional compensation within the spine,pelvis and extremities 所有对脊柱或骨盆的伤害都会引起脊椎、骨盆和四肢的功能代偿 *For every action there is a reaction每一个作用都存在着一个相应的反应 5.SPINAL REACTION TO INJURY(COMPENSATION)IS PREDICTABLE脊椎对损伤的代偿反应是可预见的 *Once injured,the spinal system predictably reorganizes脊椎系统一旦受到伤害随即会发生可预见的重新整合 *From Optimum form and function *To Organized compensation with reduced function 从最佳形态功能到有组织的代偿并伴随功能下降 *With repeated injury the spinal system moves *To Disorganization with dysfunction 反复的伤害脊椎系统就会发展成组织紊乱伴随功能障碍 *Patients usually have multiple injuries and the spine is disorganized and dysfunctional 病人通常都是由于多次的损伤导致组织紊乱和功能障碍 6.DEVELOPING THE SPINAL MODEL脊椎模型的建立 使用X-线的投影原理 7.SPINAL GEOMETRY脊椎的几何学
特发性脊柱侧凸椎体楔形变有限元模型 分析 （作者：__________ 单位： ___________ 邮编： ___________ ） 作者：杨晓明，顾苏熙，李明，余慧琴，丁祖泉，傅强， 方秀统王静杰，倪建强 【摘要】［目的］建立青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型，并在模型上进行初步应力统计分析，量化比较部分应力值。［方法］对1例特发性脊柱侧凸患者行薄层CT扫描,获得的原始数据通过有限元软件建立特发性脊柱侧凸三维有限元模型，在该模型上直接进行相关测量，并选取若干应力点分析正常载荷下的受力情况。［结果］侧凸段各椎体楔性变在顶椎区域最大，椎体各点应力分布也呈现顶椎区域集中的现象，楔变和应力大小均呈现向端椎逐渐减小的趋势。［结论］脊柱侧凸三维有限元模型可以方便地进行脊柱侧凸各种条件下的应力变化分析，为脊柱侧凸的相关生物力学理论和临床研究提供了可能。 【关键词】特发性脊柱侧凸；有限元；生物力学； Hueter-Volkmann 原理
Abstract: [ Objective ] To establish 3D finite element model of adolesce nt idiopathic scoliosis. Stress an alysis on established 3D fin ite eleme nt model was done to compare the specific qua ntity of stress among every vertebra. [ Method ] Under the help of related softwares, 3D fin ite eleme nt model was established from CT sca n of a adolesce nt idiopathic scoliosi. A nu mber of points were chose n on the model. Stress an alysis was done in n ormal load ing. [ Result ] Vertebral wedging and stress distribution showed significant regularity. The result was the largest in the apical region, and showed a gradual decrease to the end vertebral. [ Conclusion ] Relative biomecha ni cal and cli ni cal an alysis can be easily con ducted on 3D fin ite eleme nt model of scoliosis. It is possible to analyze diversity of stress on different conditions. Key words : idiopathic scoliosis ；finite element ； biomechanical ；Hueter-Volkma nn prin ciple 脊柱侧凸是最常见的脊柱畸形之一，是合并有冠状面侧方弯曲以及矢状面、横断面异常的三维畸形，其中以青少年特发性脊柱侧凸最多见。虽然国内外众多学者进行了大量基础及临床研究，但其确切病因及进展机制仍不明确。众多文献报道Hueter-Volkma nn原理可能在
现代脊柱外科学（上.下）【赵定麟 本书分为总论与创伤、脊柱疾患、脊柱侧凸、畸形与肿瘤等共计四卷，七十八章加以阐述。在总论与创伤中，除有关脊椎的解剖及生物力学外, 对脊椎伤患的诊断学基础及脊髓受损的定位诊断等作了较详细的介绍，在颈椎及腰骶椎两篇脊椎疾患中，较细至地介绍了各种常见的病变，对较少见之疾患亦加以介绍。本书在文字上深入浅出，并注重文图并茂，使读者一目了解，以便于临床工作的开展而有利于广大脊椎伤病患者。 赵定麟 男，主任医师，2级教授，博士生导师。1935年1月出生，1956年毕业于哈尔滨医科大学，历任长征医院骨科主任、全军骨科研究所所长，为国家级有突出贡献的中青年科技专家，政府特殊津贴获得者。现任国际创伤与矫形外科学会（）及世界矫形外科教育学会（）中国分会主席以及中华创伤外科学会、中华骨科学会委员、中华骨科学会脊柱外科专业组核心组成员等20个学术职务。二、研究方向主要研究方向为脊柱伤患的诊治，在颈椎伤病的诊治方面 造诣较深。曾设计了颈椎潜式减压、侧前方减压、Y型诫压、局部旋转植骨等多种术式，研 制了颈椎椎体间人工关节、空心螺纹式椎节内固定器及可调式钛合金人工椎体，在欧美、日 本等20余所大学或国际会议上讲学或学术报告，论文多次入选美国、日本及等世界性会议。三、承担课题为全军九五”指令性课题和上海市医学领先专业一一脊柱外科学主要负责人之一，曾承担课题神经肽与骨衰老的关系（国家自然科学基金）”、脊柱脊髓伤的研究（八五及九五全军医学科技攻关课题基金）”、脊柱外科的临床治疗与实验研究（上海市领先学 科资助项目基金）”等多项课题。四、成果奖励主编专著《脊椎外科临床研究》、《颈椎病》、《下腰痛、》《实用创伤骨科学》、《颈椎伤病学》、《脊柱外科学》、《四肢脊柱创伤》、《现代创伤外科学》、《骨科学新理论新技术》、《创伤骨科学及新进展》、《现代颈椎病学》、《骨科诊断学》《现代骨科学》等专著13部。发表论文60余篇，获国家科技进步二等奖2项、国家科技进步三等奖
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。
颈椎的解剖和生物力学 基础理论 - 生物力学 每月约有10,的人患有伴或不伴上肢放射痛的颈部疼痛。1/3以上的人有严重颈部疼痛。70%就诊的新发颈部疼痛的病人在1个月内症状缓解或改善，剩下30%病人中的绝大多数症状能够逐渐缓解。很少一部分急性颈部疼痛的患者转为慢性。 人的颈部是由多块骨骼、韧带、肌肉、血管和神经组成的复杂结构，这些结构均会引起“颈部疼痛”。因而，颈部会受诸如退行性骨关节炎、肌肉韧带的炎性疾病、血管功能不全以及很少见的神经受压综合征等的影响。 能引起颈部牵涉痛的其他部位的病理改变如肩部、膈肌、心脏或下颌使问题复杂化——因为肩胛锁骨关节的疾病、膈肌痉挛、高血压、心肌梗死或颞下颌关节综合征也可表现为颈部疼痛。肺尖和胸膜顶部的疾病可以影响臂丛而表现为C8或T1分布区的疼痛。因而颈部的解剖和生物力学非常重要。 颈部是脊柱中运动最灵活的区域，50,以上的颈部运动由寰枕关节和寰枢关节完成，剩余的50,的颈部运动均匀的分部于C3-7。 有许多力学系统可以引起颈部疼痛。7块颈椎间有14个关节突关节(即常说的小关节)和5对Luschka’s关节(即钩椎关节)，并且肌肉和韧带结构不但受第11对颅神经的支配，同时还受位于两侧的8对颈神经的支配。肌肉和韧带的撕裂伤是颈部疼痛的最常见的原因，但可能同时存在其他的病理改变。小关节和钩椎关节间是滑膜连接，同其他滑膜关节有相同的炎性致痛病理过程。颈椎间盘吸收脊柱的轴向压力，起着“震荡吸收器”的作用。椎间盘的破裂和退行性变或纤维撕裂都可以引起严重的、难以诊断和治疗的局部疼痛。骨性结构本身可以因骨质疏松、代谢或其他过程而退变，导致病理性骨折和疼痛。
骨科生物力学实验室研究的现状和发展趋势 北京中医药大学附属护国寺中医医院|北京协和医院作者：邱贵兴 2009-1-7 20:50:02 针对人类直立行走的特点，人类疾病病因学的研究单纯依靠动物实验的结果来分析是不够的。美国哈佛大学的一位物理学博士采用非生物学材料，以力学原理分析生物细胞为什么都是近似圆形的，以及为什么细胞构筑会如此安排的原因，为我们打开了新的视野。所以说，如果我们能迈出传统的医学范畴，客观分析人体的生物力学性能，就能远远超出传统解剖学的认知水平，认识人类，推动临床医学的发展。 生物力学是研究力和能量对生物系统的作用和影响的一门分支科学。——摘自“骨科基础科学—骨关节肌肉系统生物学和生物力学-2003年”。它的研究内容包括，将牛顿的力学定律应用于生物体模型，以分析其特性和功能。研究对象包括，骨、软骨、生长板、韧带、半月板、滑液以及肌腱组织内部和它们之间相互作用的力、力矩，与组织运动和变形之间的关系。目的在于，描述组织和器官的正常和病理状态下结构和功能；通过对关节稳定性、步态的病理特征和骨折愈合特点等的研究，揭示特定的病理状况；对肌腱中的力的传递过程的分析，韧带修复过程中的运动学研究，关节置换的有限元分析等是用于评价恢复正常力学状态的外科临床治疗方案的关键。主要研究方向有，生物材料的力学特性；生物的力学特性（动力学特性，静力学特性，运动学特性等）。 骨科生物力学测试技术——实验生物力学测试包括电测法、光测法及计算生物力学测试中的有限元法。电测法，灵敏度与精确度高；可以用于现场测定和模拟测定，具有测试方法比较直接的优点。但它不能直观得到构件上应力分布的全貌。光测法，是一种全场性测量法，可了解到结构物内应力(或位移) 分布的全貌,获得的图像信息可长期储存。人体结构的复杂性，骨骼结构的不规则性决定了光测法仍将在骨科生物力学研究中继续发挥其重要作用。有限元方法，涉及了骨骼系统的应力分析、内外固定系统的研究，以及各种人工假体的设计与优化。目前，有限单元法在国内得到了普遍发展，并取得了大量的成果。各学科临床医生从不同角度出发，针对不同的研究方向，建立不同的力学模型，用来模拟分析各种临床实际问题，这些研究结果对临床工作很有帮助，具有一定的指导意义；有限元技术的应用使计算生物力学技术与实验生物力学技术有机结合，相辅相成，互为补充，缺一不可。 骨科生物力学实验室是根据临床医学实践的需要逐渐创立和发展起来的，它与临床实践是密不可分的。是临床实践工作的基础和理论依据，指导着临床实践的发展，同时临床实践发展的需要也带动着生物力学实验室的进一步完善和向更深、更广度发展。 在生物力学实验研究中，离不开各种实验模型。各种尸体模型、动物模型的设计和制备对临床和基础研究的发展提供了有利条件：各种在体和离体模型的生物力学实验室研究，通过对一些创伤过程的模拟和再现，揭示了它们的损伤机制，同时，离体模型的生物力学实验还可以对于一些矫形内固定方法进行生物力学评价，生物力学实验对于一些内固定器材，内置物的研究发明和完善发挥着不可替代的作用。 从Meyer (1867) 、Wolff (1869) 和Roux (1881) 时代以来，生物力学经历了一个多世纪的艰难跋涉。我国的生物力学是在生物力学开创者冯元桢教授（1965）推动下从无到有发展起来的，以血管残余应力的研究为起点，发展到现在，研究工作已深入到生物力学的大部分领域。 吉林大学的朱庆三教授（2002），采用一套脊柱的加载装置和测试系统，进行多种离体的三维、动态脊柱生物力学研究。在国内的生物力学研究中，首次实现了连续加载、动态测量的全过程。同时使之完成逐级加载、静态测量。它满足离体标本三维、六个自由度的运动要求，可单独测量主动运动，也可同时测量主动运动及伴随运动，即测量脊柱的耦合运动。这套系统即可用来研究多个节段，也可进行单节段测量。而且通过调节，还能完成轴向不加载及不同程度加载等多种条件测量，通过平行布置两枚传感器后，可研究两枚以上的椎体因受剪切力后的相对运动，分析椎体脱位的可能性。并通过大量的研究结果提出：针对脊柱损伤类型与无骨折脱位型脊髓损伤的关系，颈椎后伸时，黄韧带的“扣带”机制；椎板和椎体后缘间的“钳夹”机制是造成无骨折脱位型脊髓损伤的重要原因等；另外，中央管受压是造成原始和继发性损伤程度不同的原因；成年期，无骨折脱位型脊髓损伤的病理基础是原发病变的存在，如，颈椎间盘突出，颈椎管狭窄（病理解剖）的基础上的。从而为各种颈椎手术方法和内植物、内固定物的使用奠定了理论和实验室基础。科学的论证了手术的适应症的原则。明确了治疗方向。正确引导疾病向好的方向转归。
随着对临床常见多发的颈肩腰腿痛的深入研究，脊柱的功能解剖和生物力学的方面的问题引起了人们的广泛的重视。临床所遇到的以疼痛为主或以功能障碍为主的许多问题，多能从脊柱的功能解剖、生物力学等方面得到合理的解释或推理论证。 第一节脊柱的稳定性 人体脊柱是一个“稳定”的轴，而发生于脊柱的许多疾病，常以疼痛、功能障碍外形异常为主要表现，尤其是以疼痛为主诉而求医者更为多见。因此，把疼痛、功能异常、外形异常与脊柱的稳定性联系起来考虑，已成为临床医生习惯的方法。 为了适应生活、劳动等的需要，脊柱常要完成许多刚、柔或单向、多向的动作在完成这些动作时，脊柱处于“稳定”和“不稳定”的矛盾状态中。脊柱的稳定状态依靠其复杂结构的正常功能的发挥，而脊柱的不稳定状态常是由于其复杂结构未能发挥其正常功能或复杂结构本身处在非正常状态所致。 判断临床有疼痛等症状的病人的脊柱稳定还是不稳定，还可根据某些检查所见来作出推理。但确定没有疼痛等症状的病人的脊柱是否属稳定或不稳定，时比较困难的临床上确实存在不稳定的脊柱但并没有临床症状的现象，而且“不稳定”本身并没有量化标准，所以，实际上只能在有临床症状（如疼痛）的病人中确定脊柱的稳定与否。 很明显，脊柱的稳定或不稳定，并不是最后“诊断”，尚有许多要深入了解的问题。 一、肌肉对脊柱的额面、矢面平衡与稳定的作用 脊柱被稳定在一个静态平衡的功能位置或被稳定在一个能发挥良好功能的动态平衡的功能位置，肌肉是维持其平衡、稳定的重要因素。 正常情况下靠肌肉的收缩和松弛来达到脊柱的静态、动态平衡。为了完成需要的体位的平衡和稳定，肌肉随时都处在适应性变位状态中。肌肉的正常功能还有赖于支配该肌肉的神经的正常功能。另外，脊柱的关节、韧带、椎间盘等机构，不但帮照肌肉的正常功能发挥，也支持肌肉为稳定和平衡脊柱的正常功能 而所起的作用。 脊椎于直立位时，从额面看是两旁诸组肌肉对称的正常功能所 保持的中柱。当因某种原因出现两旁肌肉不对称时，即两旁肌肉失 去平衡时，则可出现侧弯，并显示多种因代偿而相继出现的异常（见 图1） 从矢状面看，脊柱前和脊柱后的肌肉所维持的脊柱的生理弧 度，也同样有其正常的生理范围。当维持脊柱生理弧度的诸组肌肉 失去平衡时，则可出现过伸、过屈或弧度消失或弧度加剧等异常。
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。颈椎活动由两个部分完成：①上颈椎（枕-寰-枢复合体）得联合运动；②下颈椎（颈 2~7）得联合运动。前者以旋转运动为主，后者以屈伸运动为主。 枕-寰-枢复合体就是人体中轴骨中最复杂得关节。枕~颈1与颈1~ 颈2得关节均有伸屈运动，枕~颈1得屈伸范围为13、4°，颈1~ 颈2关节约10°，二者使枕-寰-枢复合体得屈伸范围达到23、4°。 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 整个颈椎旋转度得40％~50％。枕-寰-枢复合体之间得平移度很小， 枕~颈1间得轴性平移约1mm，颈1~颈2 得侧向平移一般只有在 侧屈与轴性旋转时才会发生。下颈椎得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 段得联合运动，屈伸约145°，轴向旋转约180°，侧屈约90°。 （2）胸椎得活动度：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，上胸段得侧屈活动范围为6°，最下节 段为9°。胸椎得轴性旋转范围自上而下逐渐减小，上胸段得活动
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13.4°，颈1~颈2关 节约10°，二者使枕-寰-枢复合体的屈伸范围达到23.4°。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