CHENLONGFUCHENLONGFU

INTRODUCTIONINTRODUCTION

脊柱的生物力学涉及范围非常广泛，脊脊柱的生物力学涉及范围非常广泛，脊

柱结构、运动、损伤、固定等方面的生柱结构、运动、损伤、固定等方面的生

物力学研究有助于解释脊柱相关的生理、物力学研究有助于解释脊柱相关的生理、

病理以及对临床治疗方法、临床器械的病理以及对临床治疗方法、临床器械的

设计研究与发展有着重要的指导意义。设计研究与发展有着重要的指导意义。

脊柱的结构脊柱的结构

脊柱的结构复杂，由脊柱的结构复杂，由77块颈椎、块颈椎、1212块胸椎、块胸椎、

55块腰椎及骶骨、尾骨各一块组成，通过块腰椎及骶骨、尾骨各一块组成，通过

椎间盘和强健的韧带连接在一起，其主椎间盘和强健的韧带连接在一起，其主

要功能为保护脊髓，并将载荷从头脊柱要功能为保护脊髓，并将载荷从头脊柱

传递到骨盆。具有活动性能的各椎体间传递到骨盆。具有活动性能的各椎体间

互相形成关节，能在三个平面上运动。互相形成关节，能在三个平面上运动。

脊椎的稳定性由韧带、椎间盘、肌肉共脊椎的稳定性由韧带、椎间盘、肌肉共

同协调维持。同协调维持。

脊柱的功能单位脊柱的功能单位

••脊柱的功能单位脊柱的功能单位

也称功能单元，也称功能单元，

即一个运动节段，即一个运动节段，

包括两个椎体及包括两个椎体及

两椎体之间的软两椎体之间的软

组织。组织。

一、椎骨的生物力学一、椎骨的生物力学

最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节

突）生物力学的研究是突）生物力学的研究是MessererMesserer对椎体强对椎体强

度的测量。度的测量。

（一）椎体的生物力学（一）椎体的生物力学

早期的生物力学研究是对椎体抗压强度早期的生物力学研究是对椎体抗压强度

的测试。当时喷气机飞行员弹射如何选的测试。当时喷气机飞行员弹射如何选

择合适的加速度才不造成脊柱损伤，促择合适的加速度才不造成脊柱损伤，促

进了生物力学的深入研究。进了生物力学的深入研究。

研究表明，椎体的强度随着年龄的增长研究表明，椎体的强度随着年龄的增长

而降低，特别是在而降低，特别是在4040岁以后会明显降低。岁以后会明显降低。

抗压强度抗压强度

（一）椎体的生物力学（一）椎体的生物力学

为了更进一步的研究，我们又将椎体细分为了更进一步的研究，我们又将椎体细分

为皮质骨壳、松质骨核以及终板来分析。为皮质骨壳、松质骨核以及终板来分析。

11、皮质骨壳、皮质骨壳

椎体的主要负载部位是皮质骨壳还是松椎体的主要负载部位是皮质骨壳还是松

质骨核？质骨核？

11、皮质骨壳、皮质骨壳

••RockffRockff等的实验表明，完整椎体的强度随等的实验表明，完整椎体的强度随

着年龄的增加而减低。从着年龄的增加而减低。从2020--4040岁，椎体岁，椎体

强度的降低明显，强度的降低明显，4040岁以后强度改变不岁以后强度改变不

大。大。

••40Y40Y

皮质骨壳

松质骨核

皮质骨壳

松质骨核

22、松质骨核、松质骨核

在对椎体松质骨强度测试中，载荷在对椎体松质骨强度测试中，载荷--形变形变

曲线显示椎体的松质骨核可以承受很大曲线显示椎体的松质骨核可以承受很大

的压缩载荷，断裂前其形变率高达的压缩载荷，断裂前其形变率高达9.5%9.5%，，

而相应的皮质骨的形变率还不足而相应的皮质骨的形变率还不足2%2%；说；说

明椎体损伤首先发生皮质骨断裂，而不明椎体损伤首先发生皮质骨断裂，而不

是松质骨的显微骨折。是松质骨的显微骨折。

33、终板、终板

终板在脊柱的正常生理活动中承受着很终板在脊柱的正常生理活动中承受着很

大的压力。终析的断裂有三种形式：中大的压力。终析的断裂有三种形式：中

心型，周围型，全板断裂型。心型，周围型，全板断裂型。

A.A.中心型在没有蜕变的椎间盘中最多见。中心型在没有蜕变的椎间盘中最多见。

B.B.周围型多见于有蜕变的椎间盘。周围型多见于有蜕变的椎间盘。

C.C.全板断裂多发生于高载荷时。全板断裂多发生于高载荷时。

33、终板、终板

••无蜕变的椎间盘受无蜕变的椎间盘受

压，在髓核内产生压，在髓核内产生

压力，终板的中心压力，终板的中心

部位受压部位受压

33、终板、终板

••蜕变的椎间盘由纤蜕变的椎间盘由纤

维环传递压力，终维环传递压力，终

板边缘承受载荷板边缘承受载荷

（二）椎弓（二）椎弓

••Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)Rolander(1966),Weiss(1975),Lamy(1975)

进行的三种椎弓载荷方式表明，大部分进行的三种椎弓载荷方式表明，大部分

断裂发生在椎弓根。椎弓根的强度与性断裂发生在椎弓根。椎弓根的强度与性

别及椎间盘的蜕变与否关系不大，但会别及椎间盘的蜕变与否关系不大，但会

随着年龄的增长而减退。随着年龄的增长而减退。

（二）椎弓（二）椎弓

椎弓不同加椎弓不同加

载方式的断载方式的断

裂载荷裂载荷

二、椎间盘二、椎间盘

••椎间盘为一密闭性弹性垫，椎间盘为一密闭性弹性垫，

由相邻椎体上下面的软骨由相邻椎体上下面的软骨

板，纤维环和髓核组成。板，纤维环和髓核组成。

纤维环的纤维走行方向与纤维环的纤维走行方向与

椎体平面呈椎体平面呈3030度角。椎间度角。椎间

盘在椎体间起缓冲垫的作盘在椎体间起缓冲垫的作

用，能吸收、缓冲载荷，用，能吸收、缓冲载荷，

并使载荷均匀分布。并使载荷均匀分布。

椎间盘的生物力学特性椎间盘的生物力学特性

••11、受压的特性、受压的特性

在脊柱的运动节段压缩试验中，首先发 在脊柱的运动节段压缩试验中，首先发

生破坏的是椎体而不是椎间盘。 生破坏的是椎体而不是椎间盘。

这说明，临床上的椎间盘脱出不只是由 这说明，临床上的椎间盘脱出不只是由

于受压，更主要的原因是椎间盘内应力 于受压，更主要的原因是椎间盘内应力

分布不均匀。 分布不均匀。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

•• 22、受拉的特性 、受拉的特性

在不同方向的载荷作用下，椎间盘都受 在不同方向的载荷作用下，椎间盘都受

张应力作用。 张应力作用。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

对椎间盘的强度测试表明，椎体前后部 对椎间盘的强度测试表明，椎体前后部

位的椎间盘强度比两侧的高。中间的髓 位的椎间盘强度比两侧的高。中间的髓

核强度最低。椎间盘的纤维环在不同的 核强度最低。椎间盘的纤维环在不同的

方向上也表现出不同的强度，沿纤维走 方向上也表现出不同的强度，沿纤维走

行方向的强度是水平方向强度的 行方向的强度是水平方向强度的33倍。这 倍。这

一点对于分析脊柱损伤的机制，确定合 一点对于分析脊柱损伤的机制，确定合

理的治疗方法是很有意义的。 理的治疗方法是很有意义的。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

3 3、受弯的特性 、受弯的特性

弯曲和扭转暴力是椎间盘受损伤的主要 弯曲和扭转暴力是椎间盘受损伤的主要

原因。 原因。

通过造影证实，在脊术的屈伸活动中， 通过造影证实，在脊术的屈伸活动中，

髓核并不改变其形状及位置。 髓核并不改变其形状及位置。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

4 4、受扭的特性 、受扭的特性

在脊柱运动节段轴向受扭转的实验中发 在脊柱运动节段轴向受扭转的实验中发

现，扭矩和转角变形之间的关系曲线呈 现，扭矩和转角变形之间的关系曲线呈

““SS””形。其中 形。其中33°°--12 12°°的扭转部分，扭 的扭转部分，扭

矩与转角之间存在线性关系。 矩与转角之间存在线性关系。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

55、受剪的特性 、受剪的特性

椎间盘的水平剪切 椎间盘的水平剪切

强度大约为 强度大约为260N 260N每每

平方毫米。纤维环 平方毫米。纤维环

的破裂我由于弯曲、 的破裂我由于弯曲、

扭转和拉伸的综合 扭转和拉伸的综合

作用造成的。单纯 作用造成的。单纯

的剪切暴力很少造 的剪切暴力很少造

成纤维环破裂。 成纤维环破裂。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

•• 66、松弛和蠕变 、松弛和蠕变

椎间盘在受载荷时有松弛和蠕变现象。 椎间盘在受载荷时有松弛和蠕变现象。

蠕变的特点与椎间盘的蜕变程度有关， 蠕变的特点与椎间盘的蜕变程度有关，

没有蜕变的椎间盘蠕变很慢，经过相当 没有蜕变的椎间盘蠕变很慢，经过相当

长的时间也能达到最大变形。蜕变的椎 长的时间也能达到最大变形。蜕变的椎

间盘则相反。这表明蜕变的椎间盘吸收 间盘则相反。这表明蜕变的椎间盘吸收

冲击的能力减退，也不能将冲击均匀地 冲击的能力减退，也不能将冲击均匀地

分布到终板。 分布到终板。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

无蜕变的椎间盘（ 无蜕变的椎间盘（00

度）需要相对长的时 度）需要相对长的时

间性而达到较小变形 间性而达到较小变形

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

7 7、滞后 、滞后

椎间盘和脊椎属粘弹性体，有滞后性能。 椎间盘和脊椎属粘弹性体，有滞后性能。

此结构在循环加载和卸载时伴有能量损 此结构在循环加载和卸载时伴有能量损

失。滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘 失。滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘

所处位置有关。 所处位置有关。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

滞后 滞后

载荷越大，滞后越大；随着年龄的增大 载荷越大，滞后越大；随着年龄的增大

其逐渐减小。同一椎间盘在第二次加载 其逐渐减小。同一椎间盘在第二次加载

后的滞后比第一次加载时下降，这表明 后的滞后比第一次加载时下降，这表明

反复冲击载荷 反复冲击载荷 对椎间盘有损害。 对椎间盘有损害。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

8 8、疲劳的耐受 、疲劳的耐受

活体椎间盘的疲劳耐受能力尚不清楚。 活体椎间盘的疲劳耐受能力尚不清楚。

离体脊柱运动节段疲劳试验（施加一个 离体脊柱运动节段疲劳试验（施加一个

很小的轴向持续载荷，向前反复屈曲 很小的轴向持续载荷，向前反复屈曲55度， 度，

屈曲 屈曲200 200次时椎间盘出现破坏迹象，屈曲 次时椎间盘出现破坏迹象，屈曲

1000 1000次时完全破坏）。个人认为，加载 次时完全破坏）。个人认为，加载

负荷开始椎间盘纤维就有微细结构的改 负荷开始椎间盘纤维就有微细结构的改

变。 变。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

9 9、椎间盘内压 、椎间盘内压

无论离体还是在体的椎间盘内压测试都 无论离体还是在体的椎间盘内压测试都

是很困难的。 是很困难的。Nachemson Nachemson等首先利用髓核 等首先利用髓核

的液态性做为载荷的传导体，用一个脊 的液态性做为载荷的传导体，用一个脊

柱运动节段来做离体测试，发现髓核内 柱运动节段来做离体测试，发现髓核内

压与轴向加载有直接关系。 压与轴向加载有直接关系。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

Nachemson Nachemson’’ss

Test Test 示意图 示意图

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

10 10、自动封闭现象 、自动封闭现象

由于椎间盘缺乏直接的血液供应，损伤 由于椎间盘缺乏直接的血液供应，损伤

后通过一种特殊的方式 后通过一种特殊的方式——““自动封闭” 自动封闭”

来修复。 来修复。

椎间盘的生物力学特性 椎间盘的生物力学特性

单纯纤维环损 单纯纤维环损

伤的标本第一 伤的标本第一

次加载的载荷 次加载的载荷--

变形曲线与完 变形曲线与完

整者不同，但 整者不同，但

加载 加载22--33次后， 次后，

其曲线接近正 其曲线接近正

常。 常。

脊柱韧带的生物力学特性 脊柱韧带的生物力学特性

脊柱韧带有固定相邻椎体，保证脊柱生 脊柱韧带有固定相邻椎体，保证脊柱生

理运动，保护脊髓等功能。 理运动，保护脊髓等功能。

前纵韧带、后纵韧带和黄韧带等都具有 前纵韧带、后纵韧带和黄韧带等都具有

相同的生物力学特点，它们的载荷 相同的生物力学特点，它们的载荷--变形 变形

曲线均为非线性，随着载荷的增加而斜 曲线均为非线性，随着载荷的增加而斜

率改变。 率改变。

韧带的力学强度随着年龄的增加而降低， 韧带的力学强度随着年龄的增加而降低，

同时吸收能量的能力也下降。 同时吸收能量的能力也下降。

Finite element Finite element

可可将其用于脊柱生物力学研究，揭示损 将其用于脊柱生物力学研究，揭示损

伤机理及评估椎间盘的材料特性 伤机理及评估椎间盘的材料特性 ；有限 ；有限

元模型有助于临床评估，对新理论的建 元模型有助于临床评估，对新理论的建

立，临床器械的研制有不可估量的指导 立，临床器械的研制有不可估量的指导

作用。 作用。

Finite element Finite element

A 3 A 3--D Finite Element Model of the L2 D Finite Element Model of the L2--L3 Disc of the Human Lumbar Spine L3 Disc of the Human Lumbar Spine

Finite element Finite element

King H. Yang, Ph.D. King H. Yang, Ph.D.

Finite element Finite element

脊柱的生物力学应用 脊柱的生物力学应用

脊柱的生物力学应用 脊柱的生物力学应用

脊柱的生物力学应用 脊柱的生物力学应用

脊柱的生物力学应用 脊柱的生物力学应用

THANK YOU THANK YOU

CHENLONGFU CHENLONGFU