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Hirsch 和Nache ? ( 1954 年）、b ? ( 1957 年）等对椎间盘的压载特征的实验研究；F 司嘴an 等( 1970 年）和Markolf ( 1 970 年））对椎间盘的扭转、屈伸及剪切的研究。正如这些研究报告所述，椎间盘的刚度（载荷刁立移曲线以及力矩葫定转曲线）是随着载荷量的增加而加大。这种材料变硬的效应如图17 一Zb 和2c 所示，具有纤维的特征。这些研究发现，在椎间盘中有大量的纤维呈放射状排列。
l ' anjabi 的综述也对早期脊柱运动节段实验研究中有关作用力／位移的研究做了分类。在这些研究中Rolander ( 1966 年）主要是研究了脊柱运动节段的压迫特征；Whit 创1 969 年）和Fa 汀an ( 1970 年）等对运动节段的扭转特征进行了研究；Markc1f ( 1970 年）和P 州abi ( 1976 年）研究的是不同载荷条件下运动节段的变化特征。后续的一些研究主要集中在脊柱运动节段在各种载荷作用下的变化特征，这些研究包括Lin 等、Ten 优r 等（1982 年）、段hultz 、Berk 、n 等( 1979 年）和Nachenson 等。
这些对脊柱运动节段的研究揭示了整条脊柱的藕合运动特征。即脊柱运动节段不仅可以沿着（绕着）相同的轴平移（转动），而且还可以沿着或绕着其它轴平移或转动。这些研究发现，运动节段的主要运动是沿着或绕着载荷轴进行，而捆合运动是伴随其它运动而出现的或发生在其它轴上。这些藕合现象是由小关节面方向的限制以及所附韧带所决定的。由于不同节段的脊柱运动单位的几何尺寸各不相同，因此，每一区域的运动节段有着各自的藕合运动特征。脊柱运动节段的反应也取决于载荷量的大小以及施加载荷的方向，所以要想全面描述脊柱运动节段的力学特性，就得需要12 组力／位移数据，即6 个正负载荷。每一组数据中包含一个主要运动和5 个藕合运动。
这些研究的另一重要发现是预载效应，即躯体的重量及人体姿势对运动节段变形与藕合运动的影响（Panjabi 等，1977 年）。不同预载下（400N 和1 oooN ) ，加载与变形关系的研究发现预载量可影响运动节段的主要运动和辆合运动。Nache ～和Mo 币S ( 1 % 4 年）以及Nac 址m 二n ( 1966 年）研究了人体在不同的体位姿势下脊柱的大致预载力情况。因此在研究脊柱运动节段载荷与位移的关系时，必须要考虑到所要研究节段椎间盘的预载量。
第五节实验研究：继发性的改变
也许由于实验标本间的差异及实验设计中的误差，上述实验研究结果都存在一定的离散性（如Tencer 和Al 拍飞ed 于1 981 年以及Shirazi 一Adl 等于1954 年）。介～和A 五m 司于1981 年讨论了继发性变异对研究结果的影响。现已发现有以下几种因素对实验结果有重要的影响。
一、载荷轴的位置
当力作用于特定点位时，就会产生一个相等的力以及产生一个远离作用点力矩。因此，载
荷点的变化可有效地改变所施加的载荷性质，这可以导致不同的变形方式。实验中只有所有
标本的作用点相同，加载轴的方向一致，才能得出有意义的研究结果。
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二、应变测量
与加载部位一样，应变的测量部位也非常重要。如：实验中对应变的测量在前部与在后部的结果很可能截然不同。
三、髓核内压
运动节段的髓核内预载荷所致的压力状态明显地影响运动节段的刚度。然而，这种预载荷造成了不同的研究结果。Schult ：等1971 年测量出髓核内压平均值为262 kPa 。还有一些研究人员对此进行了研究。例如，T " ce ，等于1982 年通过向椎间盘内注水使髓核内压升高至626k 凡。因此，我们应当注意到椎间盘内压只是个相对值。
四、加载次数
生物材料在第一次加载御载时的载荷位移曲线与第二和第三次的加载z 卸载曲线有一定的差异。但随着实验次数的增加，这种差异会逐渐消失，这时的标本称之为“预处理后的标本”。生物材料的这种特性，显然会影响实验结果，因此也应予以重视。
五、粘弹性效应
脊柱运动节段是由枯弹性物质构成的。人类和恒河猴椎I6J 关节的蠕变在持续载荷下可长达数小时之久（反击n 于1965 年、Hirsch 和S 加neop 于1968 年、Bu 。于1984 年以及Kale 哪于1984 年）。但Panjabi 等在1984 年的研究发现，所研究的脊柱运动节段的蠕变时间只持续1 分钟。造成这种差异的原因可能与所加载的节段不同有关，因而需要进一步的研究来了解脊柱运动节段的粘弹性。
六、椎体的高度
Panjabi 于1977 年发现在不同的实验中，椎体的形状也不尽相同。由于椎体并非是完全意义上的刚体，因此，淮体高度上的差异可能是引起研究结果离散性的另一个原因。七、标本的差异
任何脊柱生物力学研究都应注意到标本的年龄、性别、椎间盘节段以及退变程度上的差异。Pritz 块r 和Nach 图即n 讨论了这些差异对脊椎关节力学性质的影响。
第六节脊柱运动节段的模型
许多研究人员采用有限元的方法来研究脊柱运动节段的力学特性，并建立了两种类型的有限元模型。第一种是针对运动节段的整体性研究而建立的；第二种模型则是针对运动节段某一特定部位的力学特性建立的（K 讯ak 等于1975 年）。
其中第一种模型是将椎体看作刚体，将软组织设定为可变形的弹性物质。这种模型可衡量运动节段内各组成部分在载荷时的力学特性，有助于了解运动节段的不同组成部分对运动节段藕合运动的影响。这种模型最终可以构建全脊柱模型。Belytschko 等于1973 年对这种一344 一
模型进行了描述，Schultz 等对此模型作了分析。后续的学者对此进行了总结分析。段h 己忱认为韧带与小关节在承载方面，特别是在抗屈曲和抗扭转方面起着很重要的作用，并且发现运动节段，即使在脊柱正常运动状态下就表现出一种几何的非线性运动特征。
这些模型采用各种有限单元，如用体或壳代表脊柱运动节段内的各个组成部分。采用有限元的方法可以定量地计算出运动节段内的各种应力和应变情况，而一般的实验研究是无法获得这些应力和应变关系的。全运动节段模型的建立需要更为详细的三维理论知识，而软组织易变形，尤其是小关节及周围组织在正常运动中常出现滑动。因此，目前许多学者主要是针对脊柱运动节段的各个部分来建立有限元模型。
围asub ? i 胡和King < 1979 年）用椎骨的模型来研究椎板切除术后脊椎的生物力学变化情况。在不考虑软组织影响的情况下，建立了小位移理论学说，研究中将脊椎看作是线弹性的物质。KC 〔 ‘le 等（1979 年）用同样的模型观察了椎体载荷Z 位移之间的关系。采用具有相近弹性特征的弹簧来代表脊椎间连接，用于研究全脊柱的动力学分析（包括惯性因素）。许多学者针对脊柱运动节段的另一个组成部分，即盘一体模型进行了大量细致的研究。通过对盘一体单元的详尽研究，将会解开许多疑问，并为将来这一领域的研究指引方向。因此，下面我们将着重对此进行介绍。
第七节盘一体单元模型
一、盘一体单元
之所以称为盘一体单元（场sc 一h 刘y 山血，卫已U ）是因为盘一体单元是脊往运动节段中的一个独立部分，它仅是由椎间盘及其邻近的脊椎所组成。切除脊椎的后部结构及其所有的连接韧带，不予考虑。盘一体单元的主要优势是极大地简化了实验模型。切除所有的后部结构，使得在研究中不予考虑小关节传递载荷和运动限制器作用以及其他因素，如韧带预应力的影响等。切除后部结构的盘一体单元形成了一个单轴的轴对称结构，当遇受各种载荷作用时，几乎不发生任何荆合运动。
盘一体单元不仅可以用于研究运动节段的各种特征，也可用于研究稚间盘和椎体的承载特征。除此之外，此模型还用于研究椎间盘退变的临床意义以及其他相关的病理学变化。但目前这些有限元研究方法都未考虑生物材料的粘弹性特征。
二、几何学
盘一体单元的几何形状象是一个三维立体结构，或是一个对称的结构体。这种假设的轴对称结构使研究中的力学分析得到了简化。但对这种假设对称结构的运用还没有进行过研究。例如，实际椎间盘的几何形状呈“肾形”，椎间盘四周的正常膨出就显得非常重要了。在这种情况下，如果假设是轴对称结构，就无法模仿出椎间盘的这种肾形运动。
三、小位移假设
文献所介绍的各种脊柱模型，由于所考虑的变形程度各异，使模型各不相同。绝大多数的模型是属于小位移，小位移较大位移具有操作简单，费用小的优点，但只适合用于位移较小的一345 一
情况下。段hult ：和An 灰～于1 981 年研究证实，对于一个轴向压缩40 心N 来说，这相当于正常人站时椎间盘所受的载荷，这个结论较为可靠。较大变形分析多用于病理状态以及轴
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