椎骨
椎骨主要由松质骨构成, 外层的皮质为很薄的 皮质骨。 每个典型椎骨可分为椎体和椎弓两部分。 椎体是椎骨负重的部分，由颈椎向下，椎 体体积逐渐加大。 椎弓由椎弓根和椎弓板组成。椎弓根自椎 体两侧的后上端向后突出，构成椎管的侧壁， 与椎弓板一起形成椎孔，各个椎孔相连成椎管。 椎管内容有脊髓，马尾神经等。
常见脊柱疾病
椎间盘突出症 由于椎间盘各组成部分（髓核、 纤维环、软骨板）发生不同程度 的退行性病变后或在外界因素的 作用下，椎间盘的纤维环破裂， 髓核组织从破裂之处突出（或脱 出）于后（侧）方或椎管内，从 而导致相邻的组织，如脊神经根 和脊髓等受到刺激或压迫，产生 颈、肩、腰腿痛，麻木等一系列 临床症状。
有限元法研究脊柱生物力学
有限元法研究脊柱生物力学
有限元法研究脊柱生物力学
保护脊柱 颈腰椎病趋于年轻化 在日常生活中，尤其是腰椎疾病患者和中老年人要注意 运动和姿势改变时动作要轻缓，幅度不可过大，尽量保 持腰椎的曲度不变，以避免产生较高的负载。 不要长期伏案 不要长期久坐 不要跷二郎腿 不要睡太软的床 坚持运动，锻炼腰椎周围的肌肉。
脊柱生物力学
上海大学应用数学和力学研究所 张涵 15820323Байду номын сангаас
主要内容
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脊柱结构与组成 脊柱力学性能 常见脊柱损伤和疾病
结论
脊柱结构
脊柱系由多数椎骨、韧带及椎间 盘等连接构成的人体中枢支柱。 成人的脊柱有26个椎骨,其中包 括7个颈椎、12个胸椎、5个腰椎 1个骶骨和1个尾(图1),而骶骨系 由5节椎体融合而成,尾椎也由34节椎体构成。
肌肉
运动脊柱的肌肉有直接和间接两种，直接者一端或两端附着 于脊柱，间接者起、止点均不附着于脊柱，但其收缩时可引 起脊柱关节的运动。根据各肌所在的位置．可分为位于脊柱 前面的前群，位于脊柱外侧的外侧群和位于背侧的后群。其 中背侧群肌特别发达而重要。 前群肌数量少，肌肉较小，均位于颈段脊柱的前面，计有颈 长肌、头长肌、头前直肌和头侧直肌。 外侧群在颈部有斜角肌，在腰部有腰大肌、腰小肌和腰方肌。 后群肌强大，属于项肌、背上肢肌和背肌。依其位置，可分 浅、中、深层。
病理表现主要是肌腱， 韧带，骨附着部的滑 膜非特异性炎症。
有限元法研究脊柱生物力学
在生物医学方面，国外学者Brekelmans等和Rybick等在1972 年第一次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究。 Belytschko等在1974年首次将有限元用于脊柱生物力学的分 析。
有限元法研究脊柱生物力学
椎体的负载
最早关于人类椎骨（椎体、椎弓、关节突）生物力学的研究 是100多年前Messerer对椎体强度的测量。 早期的生物力学是对椎体抗压强度测试的研究。特别是 喷气机驾驶员跳伞时的弹射问题，如何选择合适的加速度方 能不致于造成脊柱损伤，促进了这一问题的深入研究。
我国学者杨企文等对中国人的椎体在准静态条件下的压载极限作了测定
脊柱运动（碰撞）损伤
• HANS device 头颈保护装置 • 车辆碰撞试验
脊柱运动（碰撞）损伤
常见脊柱疾病
颈椎病 劲椎病是指劲椎间盘退行性改变及其继发性椎间 节退行性变，所致邻近组织（脊髓，神经根，椎 脉和交感神经）受累而引起的相应的症状和体征。
头痛，头晕，失眠，恶心，肩膀 酸痛视力下降，背部酸痛等症状
常见脊柱疾病
椎间盘突出症 髓核的脱出是在椎间盘退行性变的基础上，多种 诱因使椎间盘压力增高，致使呈游离状态的髓核 穿过退变薄化的纤维环进入椎管前方或穿过椎板 侵入椎体边缘而产生症状。
退行性病变：随时间流失，年龄增长，人体各部位出现 不同的衰退。
常见脊柱疾病
强直性脊柱炎 强制性脊柱炎（AS）是以中轴关节包括骶髂关节， 肋椎关节及周围组织的慢性炎症为主，原因不明 的全身性疾病。骨性融合及附近韧带钙化形成脊 柱强直，发病率一般为0.1%~0.3%，多为男性，发 病高峰在15~35岁。
建模3步 1. 建立对象的几何模型，通过软件转换为有限元 模型。 2. 赋予模型材料的性质。 3. 确定有限元仿真分析的边界条件。
有限元法研究脊柱生物力学
有限元可以研究颈椎撞击损伤机制,可以模拟类似交通事 故或运动等撞击场景,动态和静态分析不同方向、不同速 度的力撞击颈椎的作用,分析椎体和椎间盘的应力,韧带 和关节囊的张力, 分析可能造成的损伤。 由于碰撞试验的不可活体实验性，利用有限元分析就显 得尤为重要。
椎间盘
由纤维环，髓核，软骨终板构成。 椎间盘亦称椎间关节,是位于椎体之间的一层弹性软组织垫, 自第2颈椎至第1骶椎,共有23个,约占脊柱全长的1/4到1/5。 依脊柱不同节段的功能不同,其厚薄差异较大,以腰椎间盘最 厚,约占椎体高度的1/3—1/4,胸椎间盘最薄,约占椎体高度 的1/5。
椎间盘
纤维环位于髓核的四周，由胶原纤维及纤维软骨组成，是 椎间盘最主要的维持负重的组织，与上，下软骨板和脊柱 前，后纵韧带紧密相连。层内纤维平行排列,层间纤维的 排列方向则相互交叉,相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角 为±30°。 髓核是一种富有弹性的半液体的胶冻状物质，约占椎间盘 切面的50%~60%。可随外界压力改变其位置和形状。 软骨终板即椎体的上下软骨面，为透明软骨，它构成椎间 盘的上下界，覆盖纤维环及髓核，厚度约1mm左右。
椎弓的负载
椎弓的后下方伸出下关节突, 被下一节腰椎所伸出的上关节 突所环抱, 再与上关节囊一起构成小关节。 小关节承受压缩载荷的能力不及前部的椎体和椎间盘。
根据Nachemson所作髓核内压测定结果,小关节承受压载占 18%,king等的研究则表明,小关节的承载比例依姿势不同而 异,最大后伸位时高达33%,而最大前屈位时可降至零。特别 是Yang等还指出,在椎间盘发生退行性改变后,小关节承载将 进一步加大。Dai等发现,随着小关节被切除的增加,腰椎活 动节段的极限压载也逐渐下降。
椎间盘的负载
1964年Nachemeson等用一种连接传感器的探针实验获得了不 同姿势下腰椎间盘髓核压力的数据。 1999年Wilke等也在活体上用弹性压力传感器测得了日常生 活中的椎间盘髓核的压力。获得的结果与前者有不小差异。
椎间盘结构复杂，髓 核内压不能完全反应 椎间盘负载。
脊柱运动损伤
脊柱运动损伤
韧带
脊柱的韧带主要由胶原纤维、弹性纤维、网状纤维和基质构 成。胶原纤维提供韧带的强度和刚度, 而弹性纤维则使韧带 具有在载荷作用下延伸的能力。 腰椎的韧带包括前纵韧 带、后纵韧带、黄韧带、 关节囊(韧带)、棘间韧 带、棘上韧带和横突间 韧带。这些韧带结构与 椎间盘、小关节一起保 证腰椎的正常生理活动 并提供脊柱的内源性稳 定。
椎体的负载
研究表明，椎体的强度随着年龄的增长而降低，特别是在40 岁以后会明显降低。 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。
这一变化与椎体松质骨抗压强度的改变基本上是平行的。
椎弓的负载
Lamy等国外学者统计发现有47% 的骨折发生在椎弓根,35%发 生在关节突间部即峡部。 用光弹法所进行的研究 也发现以峡部的应力为 最大, 因此认为临床上 所见的椎弓峡部破断可 能系由应力性损伤所致。 Hutton等观察到腰椎前屈位时疲劳实验的破坏部位在椎弓的 峡部。
共轭现象是指同时发生在同一轴上的平移和旋转运动, 或指 在一个轴上的旋转或平移运动, 同时伴有另一轴的旋转或平 移运动的现象。 脊柱的共轭现象主要是颈腰椎的共轭现象, 一般认为寰枢椎 关节有显著的共轭现象, 多数学者观察到寰枢关节在纵轴上 的轴性旋转总伴有纵轴方向上的平移, 认为这与该关节的双 凸形状和齿突的方向有关。
肌肉
脊柱运动节段
脊柱的功能单位(functional spinal unit, FSU)称为运动节段 (motion segment) 包括相邻的两节脊椎及其间的椎间盘、小关节和韧带。其 前部由椎间盘和前、后纵韧带构成, 相应的椎弓和韧带则 组成其后部。 活动节段是能够显示与整个脊柱 相似的生物力学特性的最小功能 单位。
有限元法研究脊柱生物力学
脊柱退行性病变有限元分析 脊髓损伤的有限元分析 非外伤性颈椎疾病的有限元分析 人工植入物和内固定器械的优化设计及性能评价 一是可以指导内固定器械的设计, 对新型内固定器械进行 生物力学评价.二是有限元方法可以对内固定器械的生物力 学进行分析,很多学者应用有限元的方法, 分析不同的内固 定在体内的稳定性、活动度、应力等, 让我们对内固定器械 的生物力学有了更加详细的了解, 如可以评价不同人工椎间 盘的生物力学情况, 分析钢板螺钉角度对内固定稳定性的影 响等。 指导，评价手术及内固定
椎间盘
椎间盘的弹性与其含水量的改变有密切关系，当含水量减少 时，其弹性减退。椎间盘在受压的状态下，水分可通过软骨 板外渗，含水量减少，体积也减小，压力解除后（如夜间睡 眠时，水分再次进入椎间盘，含水量增加，体积也增加。有 人观察到成人身长在一昼夜相差1%，随着年龄的增长，髓核 逐渐发生退行性变，呈脱水状态，弹性减退，因而易受损伤。
除了第1,2颈椎和骶、尾骨外,各 椎骨均由椎体和椎弓组成,椎骨 间由椎间盘及韧带连接。
脊柱结构
由正面看,脊柱直立对称,而由侧 面看则有4个生理弯曲,即颈曲、 胸曲、腰曲和骶曲。颈曲和腰曲 凸面向前,而胸曲和骶曲则凸面 朝后。 脊柱的基本力学功能包括： ①在各种体位支持头颅与躯干, 并将其载荷传递至骨盆。 ②使头颅与躯干能够在三维空间 内进行较大范围的生理活动。 ③保护脊髓以及胸腔、腹腔和盆 腔脏器免受损伤。
腰椎也有数种共轭运动形式, 最明显的共轭运动之一是侧屈 和屈伸活动之间的共轭。
脊柱的稳定性
脊柱的稳定结构分为内在稳定结构和外在稳定结构两部分。 内在稳定结构是组成脊椎自身的各个结构,支持脊柱稳定的 结构包括相邻椎骨及其连接结构(椎间盘、小关节囊及韧带)。 外在稳定结构主要是神经肌肉系统。 脊柱的稳定性及影响因素依其不同节段的解剖学及生物力学 特点而各具特殊性, 某一结构的损伤或切除, 会导致脊柱承 载能力的下降, 但不一定造成脊柱的失稳。