6椎间盘生物力学

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。

椎間盤的生物力學特點椎間盤在相鄰椎體間起著緩衝墊的作用，在各種不同的載荷下，它產生相應的變形，來吸收衝擊、穩定脊柱。

1. 受壓特性椎間盤在受壓的時侯，主要表現為纖維向四周膨出，即使在很高的載荷下，去除載荷後產生永久變形時，也沒有出現哪一個特殊方向的纖維破裂。

在脊柱的運動節段承受壓縮試驗中，首先發生破壞的是椎體而不是椎間盤。

這說明，臨床上的椎間盤突出不只是由於受壓，更主要的原因是椎間盤內的應力分佈不均勻。

2. 受拉特性在脊柱前屈、後伸或側彎活動中，椎間盤的纖維承受軸向張應力。

在圍繞脊柱軸的旋轉活動中也產生與軸線呈45° 角的張應力。

即使在脊柱受壓時，也有一部分椎間盤承受張應力，因此可以認為，在所有的不同方向和載荷條件下，椎間盤都承受張應力。

對椎間盤的強度測試證明，椎體前後部位的椎間盤強度比兩側的高。

中間的的髓核強度最低。

椎間盤的纖維環在不同方向上也表現出不同的強度，沿纖維走行方向的強度是水平方向強度的3倍。

瞭解這一點對脊柱損傷發病機制的分析，確定合理的治療方法是很有意義的。

3.受彎特性彎曲及扭轉暴力是椎間盤損傷的主要原因。

有人在實踐中發現，脊柱在矢狀、冠狀或其他垂直平面內彎曲 6~8°時並不發生椎間盤的損傷，但是去除前後縱韌帶後椎間盤易發生膨出，前屈時向前膨出，後伸時向後膨出。

在脊柱側彎時，椎間盤向凹側面膨出。

有人通過造影證實，在脊柱的屈伸活動中，髓核並不改變其形狀及位置。

這一結果可以用來解釋臥平板床或輕度屈曲脊柱作為治療和預防腰痛的機理。

彎曲造成的椎間盤突出，前屈和後伸都在凹側膨出，而在击側椎間盤受拉。

4. 受扭特性在脊柱的運動節段軸向受扭的實驗中發現，扭矩與轉角變形之間的關係曲線呈「S」型，明顯地分為3個部分，初始部分為0~3°變形，只要很小的扭矩即可產生。

在中間部分為3~12°的扭轉，這部分扭矩和轉角之間存在著線性關係。

在最後部分，扭轉20°左右發生斷裂。

腰椎间盘的生物力学和生理学研究如今，腰椎间盘疾病已成为世界范围内影响人类生命质量的常见疾病之一。

腰椎间盘是人体脊柱的主要结构之一，它承载着人体的体重和运动负荷，同时它也是保护神经根的功能性结构。

然而，随着现代工作方式的不断变化，越来越多的人们遭遇了腰椎间盘疾病的困扰。

因此，腰椎间盘的生物力学和生理学研究日益受到人们的关注。

1.腰椎间盘的结构和生理功能腰椎间盘是由韧带纤维环、纤维环内胶原纤维和胶原质类物质组成的。

它本身不含有神经和血管，是靠周围的血管和神经提供营养和功能支持的。

腰椎间盘被认为是一个完整的系统，由一系列的组织和结构组成，同时它也保持了人体脊柱的稳定性和动力学平衡性。

腰椎间盘的生理功能主要包括支撑和运动控制，同时它也具有吸收和释放水分等功能。

在运动控制方面，腰椎间盘能够使人体的运动更加完美。

在常规体育活动中，腰椎间盘的承载能力可达1000-1500N。

同时，腰椎间盘的弹性能力也是人体运动机能的重要保障。

2.腰椎间盘的疾病和治疗腰椎间盘的疾病主要分为两大类：退变性腰椎间盘病和急性腰椎间盘膨出病。

前者是由于逐渐退化的腰椎间盘弛缓或撕裂引起，其中最常见的是腰椎间盘突出和腰椎间盘突出后骨质增生。

后者则是腰椎间盘破裂或翻转所导致的急性炎症反应。

在治疗方面，腰椎间盘的保守治疗通常包括改变日常活动方式，生理治疗，针灸等减轻病痛的治疗方法。

而手术治疗则是在保守治疗无效时采用的方法，常见的手术包括微创手术，椎间盘切除和植入腰椎间盘假体等。

3.腰椎间盘生物力学的研究腰椎间盘的生物力学研究主要包括对腰椎间盘的力学性能和载荷负荷学的研究。

通过实验研究，可以了解腰椎间盘在不同载荷下的应力和位移的变化规律。

同时，研究腰椎间盘的力学性能也可以进一步优化人工腰椎间盘的材料和结构设计。

在实验研究方面，近年来随着计算机技术的发展，越来越多的腰椎间盘生物力学模型被开发和应用。

这些模型可以帮助研究者分析影响腰椎间盘载荷和运动的各种因素，更好地理解腰椎间盘的功能和性能。

椎间盘的力学特征椎间盘是人体脊柱中的重要组成部分，它具有一系列特殊的力学特征。

本文将针对椎间盘的力学特征展开讨论，包括其结构、功能以及受力情况等。

我们来了解一下椎间盘的结构。

椎间盘位于相邻的两个脊椎骨之间，由纤维环和髓核组成。

纤维环是由一圈环状纤维组成的，具有一定的弹性和韧性；髓核则是位于纤维环中央的一块软骨样物质，具有一定的凝胶性质。

椎间盘的主要功能是缓冲和分散脊柱受力。

当我们进行日常活动时，脊柱会承受来自身体重量以及各种动作引起的力量。

椎间盘能够通过其特殊的结构和力学特性，起到减轻脊柱负担的作用。

在日常活动中，椎间盘受到各种力量的作用。

例如，当我们弯腰时，椎间盘承受的压力会增加；当我们进行运动或举重时，椎间盘承受的剪切力也会增加。

椎间盘通过其结构中的纤维环和髓核，能够有效分散和吸收这些力量，保护脊柱免受损伤。

在椎间盘受力的过程中，纤维环和髓核起着不同的作用。

纤维环主要负责承受外部压力和剪切力，它具有较高的强度和刚度；髓核则主要负责吸收和分散压力，它具有一定的凝胶性质，能够有效减轻脊柱受力。

椎间盘的力学特征还包括其变形和恢复能力。

当椎间盘受到力量作用时，它会发生一定的变形，这是由于纤维环和髓核的特殊结构决定的。

当外力消失后，椎间盘又能够恢复到原来的形状和状态。

这种变形和恢复的能力是椎间盘具有优秀力学特征的重要表现之一。

椎间盘还具有一定的稳定性和可塑性。

稳定性是指椎间盘在受力过程中能够保持相对稳定的状态，不易发生损伤；可塑性则是指椎间盘在适应外界力量的作用下，能够改变其结构和功能。

这种稳定性和可塑性使得椎间盘能够适应不同的力量作用，保护脊柱的稳定性和功能。

椎间盘具有一系列特殊的力学特征，包括结构、功能、受力情况、变形和恢复能力、稳定性和可塑性等。

这些特征使得椎间盘能够在脊柱受力时发挥重要的缓冲和分散作用，保护脊柱免受损伤。

对于保持脊柱健康和预防脊柱疾病，了解椎间盘力学特征具有重要的意义。

因此，我们应该重视椎间盘的力学特征，采取适当的保护和锻炼措施，保持脊柱的健康和稳定。

关节软骨、脊柱、腰椎的生物力学性能软骨就像一块吸满水的多孔海绵物质，所以它的生物力学性能是固体基质和其渗透性的性能。

（一）渗透性液体通过关节软骨的多孔介质有两个重要的机械性现象：①施加压力阶段时，即软骨顶部的压力大于低部的压力，液体可被压进多孔的固体基质。

②另一方面，如果把坚实的多孔块放在液体饱和标本之上再加压，液体也会流动，这种流动是由挤压形变所引起的，这类形变将减少蛋白多糖大分子溶剂范围，反过来增加局部压力。

这样就使液体自组织内渗出。

在正常关节内，此两种功能同时发生于关节软骨。

（二）蠕动反应粘弹性物质在承受压力时，可出现蠕动反应(creep response)。

恒定负荷即时加于软骨上，并保持整个实验时间，则挤压形变将持续增加，软骨发生“蠕动”，直至渗出停止，固体基质完全承担负荷，也即是挤压应变与应力达到平衡，这就是固体基质的内在模量。

关节软骨对液流的抗力是很大的，即它的渗透性较低。

所以，液体的流动取决于负荷的速度和保持的时间，负荷迅速，移除也快，没有时间将液体挤出；软骨表现为弹性物质，负荷时发生变形，当负荷解除后，形态立即恢复。

如果负荷逐步增加而衡定，例如持久站立，软骨的变形将逐步增加，液体也被挤出；当负荷解除时，只要有足够的时间和足够的液体，软骨可恢复原来的形态。

前者称为弹性物性，或不依赖时间的因素；后者称为黏弹性物性，或依赖时间的因素。

至于抗张强度，离关节面越远，抗张强度越小，这表明表层有丰富和稠密的胶原。

好似一组富有韧性和抗磨损的组织，保护整个关节软骨，不被蠕动所损伤。

人体脊柱生物力学脊柱是一复杂的结构，其主要功能是保护脊髓并将载荷从头、躯干传递到骨盆。

２４块椎体互相形成关节，可在三个平面上运动。

脊柱的稳定由内源性和外源性提供，韧带和椎间盘提供内源性稳定，而叽肉则赋予外源性支持。

脊柱的功能单位指最小活动节段，包括两个椎体及其间的软组织。

椎体主要承受压缩载荷，椎间盘在力学和功能上都具有极其重要的作用。

腰椎的生物力学构成以及腰椎易损性原因————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：腰椎的生物力学构成以及腰椎易损性原因-生物论文腰椎的生物力学构成以及腰椎易损性原因成年人中的腰痛发生率约为80%，其中7%～11%转为慢性腰痛，腰痛是仅次于感冒的第二大疾病。

腰痛持续t>3个月，一般认为即是慢性腰痛。

中国传统的腰痛治疗办法包括卧床休息、按摩、牵引、理疗（中频电疗等）、正骨、简单的腰背肌力量训练（小燕飞、五点支撑），以及口服非甾体消炎药物（芬必得、扶他林等）、肌肉松弛剂，口服中成药（活血化瘀类药物），针灸等。

过去10年，欧美多个国家陆续发表了慢性腰痛治疗指南，其结论基于循证医学的证据，有一定的参考性，多数治疗指南认为运动训练、非甾体消炎药、生活方式指导、手法治疗等有一定疗效。

在欧美国家，慢性腰痛的从业人员包括物理治疗师、全科医生、康复医生、骨科医生等，主要的治疗手段包括腰椎稳定性训练、手法正骨、有氧训练、药物治疗等，与中国的治疗手段有所差异，欧美国家更注重患者本人的积极参与和主动的运动训练。

近年来，各个流派的腰痛治疗技术传入我国（如悬吊运动训练技术等），经实际验证，确有疗效，逐渐在康复医学界推广并扩展至社区医疗体系。

正常脊柱本身具有稳定性Write等（1987）最先提出脊柱稳定性的概念，认为在生理条件下脊柱各结构能够维持其相互间的正常位置关系，不会引起脊髓或者脊神经根的压迫和损害，称为“临床稳定”，而当脊柱丧失这一功能时，叫作“临床不稳定”。

影响脊柱稳定性的因素包括四大类：①结构性稳定器——椎体的形状与大小，关节面的形状、大小与方向；②动力性稳定器——韧带、纤维环、关节面软骨；③流体力学稳定器——髓核的膨胀度；④随意性稳定器——整体运动肌和局部稳定肌。

Panjabi于1992年提出了保持脊柱稳定性“三亚系模型”：被动亚系、主动亚系和神经控制亚系。

腰椎间盘突出症是腰部疾病，可以引起腰痛、驼背和肌肉痉挛，需要对腰椎进行治疗。

伸牵引床是治疗腰椎间盘突出症的有效方法，它采用牵引装置和床面，实现形位改善，缓解病情。

其生物力学原理主要包括重力牵引法和弹性牵引法。

重力牵引法是以重力作用缓解病情。

当病人躺在伸牵治疗床上，他/她的体重就会沉重地拉扯它。

原本压迫管脊神经根部的间盘突出组织，被重力拉伸，从而让间盘突出缓解。

弹性牵引法则是利用弹力牵引机构的拉力来改善体位，帮助完成腰椎的牵引，减轻病人椎间盘的压力。

另外，这种牵引机构也可以同时完成反复动作，如颈椎、胸段腰段牵引，以及抑制腰椎的往复运动，从而使腰椎病变改善，病情得到进一步缓解。

腰椎间盘突出症的伸牵引床治疗综合利用重力牵引和弹性牵引，使腰椎间盘压迫的组织受到松弛，出现位置变化，促进腰椎间盘的恢复，缓解症状，达到治疗腰椎间盘突出症的目的。

因此，伸牵引床治疗腰椎间盘突出症的生物力学原理是利用重力牵引和弹性牵引，使腰椎在合理的形位变化中回归到自身的良性状态，从而达到治疗腰椎间盘突出症的目的。

腰椎间盘疾病的生物力学机制和治疗方法腰椎间盘是作为脊柱骨骼结构的一部分，它起着重要的缓冲作用。

但是，随着年龄的增长及其他因素的影响，间盘的功能可能会逐渐减退，给我们带来许多问题，如腰痛、骨质增生等。

腰椎间盘疾病是一种常见的疾病，其病因复杂。

研究发现，腰椎间盘疾病发病机制主要与以下几个方面有关:1. 小肌肉的活动不足腰部的小肌肉是支撑脊椎的重要组成部分。

当小肌肉受到损伤或过度紧张时，它就会导致脊柱的负荷不平衡，从而引起间盘的退化。

因此，小肌肉的强化和保持适当的活动状态非常重要。

通过进行有氧运动和一些针对性的锻炼如核心训练，可以有效地保持腰部小肌肉的健康状态，并减轻腰椎间盘疾病的风险。

2. 错误姿势长时间保持不正确的姿势，如长期低头、弯腰等不良姿势，会给腰椎间盘带来压力，从而导致间盘的退化，甚至引发各种腰椎间盘疾病。

因此，在日常生活中，我们应该尽量避免不良姿势，保持正确的身体姿态。

此外，在进行活动或工作时，使用适当的体位支持器或那些提供充分腰部支撑的椅子等辅助器材，能够有效地减轻腰部的压力，减少腰椎间盘疾病的发生。

3. 长期负重在日常生活中，如果我们在背包、购物车等载物设备中放置过重的物品，或者经常搬运重物，都会对腰椎间盘产生很大的压力。

因此，我们需要尽量减少或避免负重行为，如通过购买自己所需的东西，而不是一些大宗物品等避免搬运重物，同时应尽可能地减轻每次负载的重量。

治疗方法随着现代医学技术的不断进步，治疗腰椎间盘疾病的方法也不断更新。

目前，常见的治疗方法包括以下几种：1. 药物治疗药物治疗是治疗腰椎间盘疾病的一种有效方法。

常用的药物有非甾体抗炎药、镇痛药、肌肉松弛剂等。

这些药物可以缓解腰痛、炎症和肌肉紧张等症状，从而提高患者的生活质量。

2. 物理治疗物理治疗是治疗腰椎间盘疾病的一种安全、无创、非侵入性的方法。

物理治疗可以通过物理疗法、按摩、针刺等手段缓解患者的疼痛和痉挛等症状，同时还可以增加患者的灵活性和康复能力。

运动软组织损伤学试题
1、软组织损伤的定义?
2、关节软骨的材料性质和结构?
3、如何从软组织损伤患者的疼痛的询问中对其损伤的病症、性质做出准确的判断?
4、康复医学的含意?
5、专业性理疗的方法和理疗对人体的生理作用和相对应的治疗作用?
6、椎间盘的生物力学特征?
7、简述粘弹性材料的材料力学特征，以及其三大力学特征对人体骨骼、韧带、肌腱锻炼和康复的指导意义?
8、简述温度对人体韧带和肌腱的力学特征的影响，以及其对人体韧带、肌腱损伤后治疗与康复的提示和指导?
9、软组织损伤定义?
10、康复及全面康复的含义?
11、光疗、电疗、磁疗、热疗、水疗是常用的理疗手段，虽然物理因子不同，请回答这些
物理因子作用于人体后，对人体所产生的基本效应、共性作用和治疗作用?
12、简述粘弹性材料的材料力学特征，以及其三大力学特征对人体骨骼、韧带、肌腱锻炼和康复的指导意义。

13、简述低频调制中频电理疗的即时止痛作用的体液机制和后续
止痛的作用机理。

14、简述温度对人体韧带和肌腱的力学特征的影响，以及其对人体韧带、肌腱损伤后治疗与康复的提示和指导?。

脊柱的生物力学生物力学：脊柱是人体的中轴，由脊椎骨、椎间盘、椎间关节和椎旁各关节、韧带及肌肉紧密连结而成。

椎管是各脊椎的椎孔连贯而成，内容脊髓。

成人整个脊椎从正面观为一直线，从侧面观分为四个弯曲，颈部向前屈凸，胸部向后凸，腰部向前凸，骶部向后凸。

这些弯曲是适应人体直立行走的姿势，在生长发育的过程中逐步形成。

初生婴儿脊柱是向后凸成弧形的，随着可以抬头及起坐，颈部前凸即逐步出现，胸部后凸也显得明显，等到学会行走后，颈部和腰部的向前弯曲才显著发展形成。

脊柱的功能为：支撑体重、传递重力；保护脊髓和神经根；参与形成胸腔、腹腔及骨盆腔；支持和附着四肢与躯干联系的肌肉和筋膜。

脊椎的生理生物力学脊椎有前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的运动功能。

髓核成为杠杆作用的支点。

由于生理弯曲的存在，胸椎椎间盘髓核在中间，而颈椎及腰椎髓核偏后。

其髓核前方纤维环较后侧强而厚，前纵韧带亦较后纵韧带强而有力，当仰头伸腰时，椎间盘后方受挤压，髓核向前移动，反之，低头弯腰时，髓核向后推挤。

如用力过度，后纵韧带和后方纤维环易发生损伤破裂，而使髓核发生突出，尤其在椎间盘发生蜕变的基础上更易发生椎间盘突出。

由于脊椎各段的关节面排列方向不同，其旋转轴心亦各异。

后关节面颈椎近似水平面，胸椎呈冠状面，而腰椎呈矢状面。

同时由于各段椎间盘中髓核位置不同，在脊柱运动时颈部和腰部旋转的轴心位于椎管后部和椎板联合处，胸椎的旋转轴位于椎间盘中心。

脊椎的病理生物力学：整条脊柱以颈、腰段活动度最大，故较易受伤。

因胸椎有肋骨胸廓的支撑，受伤机会相对较少，但人们用双臂劳动，肩胛区软组织劳损则相对较多。

当老年颈椎胸椎椎间盘蜕变而引起椎间失稳时，肩胛区软组织劳损即加剧，下颈上胸段脊椎失稳易发生脊椎错位，继而引起内脏功能障碍。

颈椎处于负担较大重量的头颅与活动较少的胸椎之间，活动度大又要支持头部平稳，故易致劳损，由以下位颈椎多见。

腰椎亦处于较稳定的胸椎与骨盆之间，为人体之中点，在运动中受剪性应力最大，并在脊柱形似宝塔的结构中处于基底部位，承受重力最大，故亦易受劳损。

椎间盘的生物学的特点椎间盘的生物学的特点当人体站立时，一个椎间盘所承受的压力比它上面的体重要大的多。

hachemson(1960年)查出人在坐位时，一个椎间盘所承受的压力比躯干重3倍。

人在跳跃时，椎间盘所承受的压力比人静止时大两倍，即为体重的6倍。

脊柱屈伸、侧弯时，椎间盘一部分受到牵拉张力，另一部份受到挤压。

当躯干在骨盆上扭转时，椎间盘还会受到剪力，所以脊柱屈曲加旋转时，可使腰椎间盘同时受到张力、压力和剪力的作用。

1.正常椎间盘受到上面的压力一般不会破裂，压力加大常常引起软骨板和椎体破裂或骨折。

椎间盘的纤维环与椎板成30度角，每层纤维环之间成120度角，所以椎间盘承受较大压力而不破裂。

(2)脊柱屈曲加旋转时受力是损伤椎间盘的主要原因。

正常椎间盘扭转16度才会发生损伤。

(3)实验证明，要有260n/mm(58.5磅/英尺)的平面剪力才能使椎间盘破裂，而临床上极少见到如此大的剪力。

(4)椎间盘内是半流体胶状物，在密封下受力，只有变形而不变容量。

正常椎间盘蠕动到最后变形，时间长则粘度弹性增高，吸收震荡力也较强。

反之，退行性椎间盘的粘度弹性变化，也就失去吸收震荡的能力，也会失去把压力平均分布至椎板及纤椎环的能力。

(5)人在跳跃时，震荡力从脚传到脑，基本上被椎体和椎间盘所吸收。

体重轻的年轻人，滞后力大，即吸收震荡力强；体重大的和年龄大的人，其椎间盘滞后力就小。

震荡力反复作用于同一个椎间盘，其滞后力就会变小，也就容易发生椎间盘破裂。

因此有些特殊职业或工种的人，如汽车司机、骑摩托车者，椎间盘突出症发病率较高。

(6)椎间盘的疲劳容纳度很小，有学者试验脊椎前屈位的轴心压力反复1000次，可引起椎间盘破裂。

完全破裂者都是其后方，一部分为椎间盘向双侧后外方突出，纤维环由内向外破裂，也有少部份向正后方破裂突出。

这就可说明临床上见到的双侧腰椎间盘突出症及中央型椎间盘突出症的发病原因。

(7)椎间盘的压力测量：用腰椎穿刺针刺入第三、四腰椎之间，当手持20kg重物站立时，椎间盘承受的压力约三倍于此人的体重；当重物减到1/2时(即10kg)，而腰向前屈曲，其椎间盘所受压力增加到19倍于体重。