四、力学性质
与绝大多数生物系统的模型一样，对盘一体单元的研究很难获得一致的结果。尽管对盘一体单元的载荷尹位移关系有一定的认识，但对其各组成部位的力学特性还缺乏了解。从以往的研究可以看出，盘一体单元的来源不同，模型不同，造成了实验结果上的差异。这样在各种研究中的祸合运动也不相同，使各实验结果间的分析非常困难。
一般认为髓核不可压缩。纤维环多被看作是均质材料，具有线性或非线性特征（包括刚体效应）、非各向同性或各向同性的力学特性。对于这些生物材料，它们的弹性模量一般认为约为10 一15NIPa 。在shirazi 一Adl 等的三维模型中（1984 ) ，将纤维环明确的看作为模量为4 Ml 〕 a 的基质材料，但沿其纤维走行方向上的模量可达23 000 加企a 。
在以往的研究中，椎体多被当作是均质材料或复合材料来考虑。sPilker 等（1 984 年）认为椎体为一刚体，估计其硬度为56 000 恻［Pa ，这与Kaza 石抓（1977 年）实验研究得出的椎体硬度不高于200 议IPa 的结论相差甚远，而Lin 等（1978 年）的结果是t 000M 卫a 。其他一些学者认为脊推为皮质骨所包绕着的松质骨。内部松质骨的模量为100 Mpa ，而其外周皮质骨为12 000 一15 800 入IPao
五、分析结果
分析结果对实验发现非常有用，它可以预恻盘一体单元对各种载荷条件下，可能出现的各种生理或病理反应。肠n 等于1 卯8 年建立了纤维环的力学特性检测系统，特别适合压缩载荷实验研究数据的分析。运用有限元模型，根据最佳化原则可从实验数据中预测出压缩载荷下标本的力学变化情况。S 间ker 等（1984 年）运用简单的轴对称盘一体单元模型，根据小位移理论，观察盘一体单元在扭转、剪切、屈伸和压缩载荷等作用下的反应。在对每一种载荷条件进行研究后，他们报道了椎间盘膨出、椎体终板运动以及椎间盘的几何参数。弘i 扭卜Adi 等应用三维的有限元模型对压缩载荷下盘一体单元的大变形情况进行了分析。对轴向压缩、椎间盘膨出、终板变形和椎间盘内压的变化进行了比较研究。有人采用同样的方法，研究了继发性变异对实验结果的影响，这些变异包括初始的椎间盘内压、推间盘的退行性改变、纤维环走行和椎间盘的后部形状等。通过研究计算出了椎间盘的应力和变形类型。研究的结论是，在压缩载荷的作用下，盘一体单元中最易损伤的部位是松质骨、椎体终板与髓核的连接处以及无髓核椎何盘内的环状基质。后续研究证实，松质骨以及靠近纤维环的终板也是应力的集中部位。

第八节全脊柱的力学研究

脊柱是由运动节段所组成。上面对脊柱各个组成部分的力学特性进行了讨论，而本节是对整条脊柱进行探讨。虽然脊柱在抗载荷方面具有重要的作用，但我们不应忽略机体其他部分的抗载荷作用。胸廓起着加强胸椎的作用，肌肉加强了躯干的力量，而且肌肉具有主动控制脊柱活动的功能。另外加强机体刚度的因素是腹内压。脊柱与这些因素一道共同抵抗载荷。一346 一

几lde ～等（1976 年）定量测量了人在举重时，腹内压、椎间盘内压以及肌电图（EMG ）的变化情况，发现这三者之间具有密切的关系。由于脊柱运动各个组成部分之间的错综复杂关系，要想对脊柱各个部分做出定量的分析是一项非常困难的工作。其中最主要的原因是在于我们无法预测各种生物材料可靠的力学数据，尤其是在定量检侧肌肉的收缩情况。
脊柱在生理条件下的活动通常较为缓慢，惯性力不明显。因此可以将脊柱的运动按静力学或半静力学问题进行分析。现在开展的许多实验主要是研究在突然载荷下的脊柱动力学反应，如挥鞭伤时的力学变化情况。
一、脊柱的力学模型
运用小位移理论，Ro 映rt 、与Chen ( 1970 年）运用有限元的方法研究了胸骨遇受外力压迫时胸廓的力学反应特性。模型中将胸椎、椎间盘和肋骨作为一个整体，对其前屈、平移、扭转和后伸等运动做了研究。在不考虑脊柱运动节段藕合运动的情况下，根据这些假设，这个模型能够定量地预测胸廓各个部分对应力的反应。Sundaranl 和F 汕g ( 1977 年）尝试用有限元的方法对肌肉的被动运动方式以及维持躯体各部位刚度等方面进行了分析。许多学者运用大变形理论研究了脊柱运动。根据模型通常将推骨看作刚体，椎骨之间是以弹性的软组织相连。而近来的研究表明，椎体并非是完全的刚性结构，因此这类模型还需要进一步地检验。在早期的研究中，人们认为椎体间存在能量储备。段hul 仪等（1970 和1972 年）计算了储存在脊柱连接间的能量，通过测量弹簧的长度变化，计算出了正常和病理状态下脊柱的形态。由于将所有软组织的复杂运动看作是单一的弹簧，所以获得的结果显然只是一个近似值。
Panjabi 等都建立了全脊柱的有限元模型方程。这对脊柱的各种运动，包括屈伸、剪切、扭转以及椎间盘的轴向运动等提供了更加系统化的分析方法。段hults 等对脊柱运动节段的运动学特征进行了研究。根据以往研究所得出得脊柱力学性质，他们采用弹簧来模拟脊柱附着韧带和小关节。结果表明，脊柱运动节段具有明显的几何非线性特征。压lytochko 等将一系列脊柱运动节段构建起一个整体脊柱结构，观察了脊柱模型在侧向载荷时的运动情况以及牵引对脊柱侧弯的影响，并对脊柱的稳定性进行了研究。此后，Andriacchi 根据段hultz 等的研究结果，观察了胸廓的力学特性。以后有人采用对正常脊柱施加一个力矩以使脊柱出现侧弯，以此模拟脊柱侧弯畸形，并对此进行了研究。
反hul 枪及其同事还进一步用他们的模型对肌肉功能与脊柱运动间的关系以及运动对各种脊柱病理改变的潜在性影响进行了研究。Takashima 等（1 979 年）将弹簧固定在脊柱模型上，借此对脊柱两侧施加平衡的收缩力，以模拟人体脊柱周围肌肉的作用。利用相互作用的原理以确定维持体位姿势，抵抗外力所需的肌肉收缩力。比d 。哪既k 等（1981 年）和schultz ( 1981 年）也采用相同的方法对各种脊柱侧弯时各肌群的收缩情况进行了定量测量。由于小位移假说的建立，使得脊柱运动测量研究达到了半定量化水平。
Hong 和Suh ( 1983 年a ）根据作用力的平衡原理提出的平衡方程，可以直接分析脊柱的运动。他们用颈椎骨和弹簧构建了颈椎模型（弹簧是用于模拟连接刚体推骨间的软组织），同时小关节内也嵌入弹性物质。因此，这种模型可以模拟颈椎各部分的各种复杂运动，如椎间盘等。另一个与Sch 滋tz 相似的研究，则主要观测了肌肉的主动和被动运动。Markolf 于1972 年研究了脊柱运动节段的力学性质，在此研究中他忽略了脊柱运动节段的祸合运动，定量化地研究了不同颈部肌肉主动收缩所引起的头部运动。并且同时测量了一组肌肉收缩所引起的头部一347 一

各种运动。
在回顾这些研究时，应当注意仍存在一些问题：( l ｝段hult ：及其同事在研究中没有考虑到肌肉收缩的几何非线形特点。他们将肌肉收缩特性简化为线形关系，视脊柱运动为一常数，这显然与现实情况不符；( 2 ）除了抵抗与维持平衡的作用外，肌肉作为脊柱运动的动力来源其收缩力的变化是难以确定的。因此，从模型设计上讲Takas 拓二等（1979 年）建立的模型并不完善；( 3 ）对特定肌群的收缩能力及肌肉间拮抗作用的研究开展的较少；( 4 ）由于脊柱运动的复杂性，上面所介绍的全脊柱模型是相当复杂的。但更主要的是许多实验数据无法通过实际情况来校准，只能对脊柱运动作出定性的预测。因此，我们认为，要建立恰当合理的全脊柱模型需要对其次级模型― 运动节段进行更加细致、全面地研究，以建立起成熟、完善的脊柱模型。二、肌力的确定
研究人员采用EMG 来研究肌力，如Ander 黝n 等（1975 年、1976 年、1977 年）和〔 欣engre 。等（飞9 ”年、1981 年）都在此领域进行了研究。但至今仍未建立起肌力与EMG 间的定量关系。肌力作为力学分析中的附加变量，有许多可行的处理方案。EMG 的确定是根据两块肌肉间载荷剪切标准所决定的，但这些因素受何限制尚不清楚。对脊柱来讲，不明确的因素是肌力，但肌力客观的代表了控制肌肉剪切载荷的生理学基础。绝大多数客观检侧标准是涉及肌力方面的。Dul 等于1984 年根据肌肉疲劳最小化的原则提出了一个标准。友hultz 等证明了在举重过程中，EMG 信号与肌力的关系。

第九节小结

本章节介绍了目前有关脊柱力学特征研究的最新进展。根据可靠的脊柱力学实验资料和详细的脊柱运动节段模型，我们已经能够定量地认识椎间盘膨出和轴向位移的生物力学情况，并且可以预测推间盘内压的变化规律，这将有利于腰背痛病因的确定。应用这些模型．我们也可以预测由于椎间盘退行性改变以及各种脊柱病理性变化，如纤维环破裂和终板骨折时的力学效应。建立全脊柱模型是一件较为困难的工作。胸廓和各肌肉群使得脊柱的力学结构得到加强。另外，腹内压也是抵抗外力的一个重要因素。虽然对腹内压和肌肉收缩的定量化研究还有许多工作要做，但现有的分析工具已能够提供半定量化的分析预测手段。这对指导临床工作非常有益。

参考文献