第二十七章脊柱标本的制作
第一节背肌标本制作法
一、取材和操作步骤
取经防腐固定的10 岁左右童尸，男女皆可，经眉弓上方Icm 处至枕外隆凸环形锯开，取出脑组织；在臂中部，横形截断双上肢；在腹股沟韧带中点下方10 饰处横形截断双下肢。在上、下肢断端上方4cln 处，环形切开皮肤和皮下组织荞将臀裂两侧3 ? 4 二处作棱形切口于尾骨后上方汇合。保留臀裂及上、下肢皮肤与断端之间的皮肤，去除其余的皮肤和皮下组织。｛一）浅层
由背部经棘突右侧纵行切开斜方肌和背阔肌的起点，并由内侧向外侧剥离，切断斜方肌和背阔肌的止点，暴露肩脚提肌、大菱形肌、竖脊肌和下后锯肌。
（二】 深层
在左侧切断胸锁乳突肌的锁骨起点，打开胸锁关节，提起锁骨胸骨端，向肩峰处游离镇骨。再将肩关节向后拉，沿肩脾骨切断肩脚舌骨肌、肩脚提肌、斜方肌和大菱形肌；在肩骨前面切断前锯肌，经腋下切断背阔肌；去除前锯肌、斜方肌、背阔肌、大菱形肌、下后锯肌和竖脊肌，显示胸最长肌、胸棘肌、胸骼肋肌、头最长肌和头半棘肌；去除大部头最长肌和头半棘肌，显露颈半棘肌、头上斜肌，头下斜肌、头后小直肌和头后大直肌。
二、修洁与处理
叫J 、止可琳什．召恤
仔细修洁干净，然后用5 ％一10 ％执伍漂白3 一5 天，取出凉干水分，用标签标注，最后涂以明胶或鸡蛋清，装瓶。
第二节脊柱韧带标本制作法
取经防腐固定已取脑的成人尸体，去除上肢，取出胸腔脏器，经第8 胸椎体下缘水平锯断躯干，经脊柱两侧srm 处矢状锯断胸后壁。
将颈部的喉和食管经舌骨上缘切断，剥去头颈部皮肤和肌肉，仔细修洁出项韧带，于棘突两侧除去斜方肌、大菱形肌、竖脊肌，剥制出肋头辐射韧带、前纵韧带、棘上韧带、棘间韧带和肋横突上韧带。在第3 胸推右侧水平锯至正中线3 ～处，向下矢状锯至第6 胸椎体下缘，再平第6 胸椎体下缘水平锯掉右侧半，除去椎管内容物，可显示椎间盘、后纵韧带和黄韧带。475
第三节椎动脉标本制作法
取经甲醛液固定过的头颈部材料，按常规方法取出脑，从正中矢状线锯为两半，取用一半。去掉皮肤和皮下组织，除去颈阔肌、胸锁乳突肌、二腹肌和舌骨下肌群，清理出颈总动脉、颈外动脉及其分支，为了便于剥离颈内动脉可去掉颈内静脉。
去掉外耳、腮腺和咬肌，剥除颅底外侧面的软组织和骨膜，去掉颧弓，打开下领关节囊，平第三磨牙后缘断离下领体，去掉下领支，清理出脑膜中动脉和上领动脉及其分支。去除上、下领骨及眼眶周围表面的软组织和骨膜，摘除眼球，去除斜方肌、大菱形肌、头夹肌、肩押提肌，去除肩押骨、锁骨和脓骨上端，除去头最长肌和头半棘肌，保留头下斜肌、颈半棘肌和项韧带。由椎动脉起始部向上追溯，至第6 颈椎向上依次清除横突间肌，暴露推动脉。
仔细修洁于净，放人5 ％玩q 中漂白3 一5 天，取出凉干，用标签标注，徐上明胶或鸡蛋清，装瓶。
第四节椎骨的常见变异与畸形
1 ．装枕关节愈合寰椎部分或者全部与枕骨裸长合，出现率约为1 . 48 ％。2 ．第6 颈推棘突比第7 颐推棘突长。
3 ．颐肋在第1 肋之上，后端与第7 颈椎相连，前端可能游离，或与第1 肋的某一部位相连，也可为一完整肋骨，借肋软骨与胸骨柄或与第1 肋软骨相连，出现率0 . 5 ％一1 . 0 ％。4 ．腆肋在第12 肋以下出现短肋，与第1 腰椎相连。
5 ．推骨数目的增减胸椎数目可减少可增加，与第11 对肋或第13 对肋的变异相适应，也与6 个腰椎或4 个腰椎的变异相对应。第5 腰椎与能骨长合称为腰椎低化；第1 能椎成为独立的椎骨称为能推腰化。尾椎数目可能增加1 一2 个，亦或尾骨缺如。比较罕见出现或长或短的尾巴，成为“有尾人”，是一种返祖现象，尾巴内有较多的尾椎，有的甚至有肌使其活动。6 ．半推体和稚体融合椎体只发育一半，缺如的一半受到上、下位椎体的挤压，使半推体裁成楔形。根据半椎体的位置，可出现脊柱侧凸、前凸或后凸。相邻椎体间骨化愈合，为椎体融合。
7 ．奋柱裂由于胚胎的发育不正常，便两侧椎弓板不相愈合，即形成脊柱裂，以第l 、2 能椎和第5 腰椎为多见。脊柱裂可为一窄缝，也可较宽。
第五节脊柱骨骼标本的制作法
一、取材
取无畸形和脊柱无外伤的新鲜材料，也可取经甲醛液固定过的尸体，去除上、下肢，头部沿眉弓至枕外隆突平面环形锯开，取出脑及脑膜；打开胸腹腔，取出内脏器官。沿脊柱两侧5 一10ctn 处矢状离断胸后壁，去除多余的胸壁及骨骼表面的软组织，离断寰枕关节、能骼关节，并尽可能从椎间盘处将各椎骨分离开，并用细铁丝或尼龙绳按顺序将椎骨串起，避免椎骨序列一476 一
混乱。
二、处理
I 一）未经防腐固定标本骨骼的处理
1 ．水煮法将大部分软组织被除去的椎骨，连同已取出脑的颅骨、髓骨放人铁桶或铅内，用小火慢慢加热，煮沸时间约3 一4 小时，后拿出冲洗，用解剖刀刮除骨骼表面的软组织，视需要再煮佛1 一2 小时。加热过程中随时检查，以能用刀柄刮除软组织为度。
2 ．药液浸泡法用低浓度的碱性或酸性液乳化脂肪和腐蚀软组织，如用5 ％一10 ％石灰水浸泡10 天；或用5 ％氢氧化钠溶液浸泡3 天；或用5 ％硫酸溶液浸泡6 ? 10 天，水洗，后再用3 ％碳酸钠将硫酸清除。也可用高浓度的次氯酸钠溶液浸泡1 天，流水中洗后用弱酸（如醋酸）浸泡标本以中和其中的次氯酸钠等强碱物质，然后细心地刮除尚未被腐蚀的软组织及关节软骨和椎间盘部分。
3 ．蛋白酶分解法将标本放人70 一80 ℃ 加热1 一3 小时，使蛋白质变性而易于分解。然后放人0 . 3 ％一0 . 5 ％蛋白酶水溶液中，其用量为标本的4 一5 倍，再置于37 一40 ℃ 恒温箱内，24 小时后按酶溶液的0 , 5 ％追加蛋白酶粉一次，48 小时后软组织可基本溶解脱落。如仍有残余软组织，可更换溶液一次（标本用水清洗），再将标本放人恒温箱内，24 小时后能完全溶解。然后用解剖刀刮除椎骨表面的软组织，均匀分离推骨（不要弄坏或弄断椎骨的棘突和椎弓根）。（二）经防腐固定标本骨骼的处理
经防腐固定后的标本，软组织和骨髓都已被固定，如不经特殊处理，骨骼表面的软组织很难清除干净，不易得到满意的骨骼标本。具体操作方法如下：
1 ，热药液浸煮法先尽可能清除标本的软组织，然后放人下列任何一种配方的水溶液中：( 1 ) 3 ％一5 ％氢氧化钠；( 2 ) 5 ％碳酸钠；( 3 ) 1 . 5 ％碳酸钠＋1 ％漂白粉十1 . 5 ％氢氧化钠的混合液。标本浸入药液后即加热至50 一60 ℃ ，持续数小时后，取出用水洗刷，如未达到要求，可重复进行几次，但应随时检查骨质情况，防止因药液太浓或浸煮太长造成骨质损坏。2 ．加压蒸煮法标本放人高压蒸汽锅内，先用小火加热锅内空气排出，然后盖紧，维持15 kg 左右的汽压约2 小时，可使软组织脱离骨块，部分脂肪被驱出。
3 浓碱液浸泡法将标本用20 ％氢氧化钠溶液浸泡约3 天，或用饱和次氯酸钠溶液浸泡8 ? 12 小时，至多24 小时，则可使软组织蚀去。拿出冲洗后，用弱酸掖（如醋酸）浸泡标本以中和其中的强碱液。
4 含活性酶洗涤剂加热浸泡法利用含有活性酶的洗涤剂（如加酶洗衣粉）中的酶的作用，促使软组织软化并与骨骼松脱制作骨骼标本，是一个快速、无害、非腐蚀性、可靠和价廉的方法，此法特别适用于颅骨。
具体操作如下：把切除大块软组织的标本浸人10 ％加酶洗涤剂的水溶液内，放人75 一80 ℃ 的烤箱内加热，并保持一定时间，待软组织松脱干净后，取出骨标本冲洗晒干。标本加热浸泡的时l ' ul 通常为3 一5 天，每天8 小时。浸泡和加热过程要注意经常检查，温度太高会使酶失去活性，时间太长将使骨质受影响及颅骨缝松解。有些洗衣粉中含过硼酸钠，对骨骼尚有漂白作用。
（三）后期处理
1 ．脱脂和漂白将冲洗干净的骨骼捞出，在椎体、铭骨等不规则骨蔽处钻些小孔，钻通深一477 一
层的松质骨，这样可使脱脂更快、更干净。然后将全部骨骼用托盘盛装后放人烤箱（温度由低渐高至80 ℃ ）烘烤24 一30 小时后拿出．流水冲洗2 一3 次后凉千；或直接将骨凉干后置人脱脂剂（如丙酮、汽油）中1 一2 周左右，捞出、冲洗后放入5 ％一10 ％过氧化氢或4 ％一5 ％过氧化钠溶液中漂白1 一2 天，再捞出冲洗、烘干。
2 ．表面处理常规采用的方法有石蜡浸溃、表面涂刷或喷涂（常选用清漆、聚氨脂漆，也可选用有机玻璃兰氯甲烷溶液或涂料水晶漆），以提高骨标本的表面强度及光洁度，保护骨骼的自然色泽，增加美观，并能预防骨标本发霉。
《 四）串制
准备一根上端车削螺纹、下端前后扁平，直径小于椎孔的金属杆，长约85 哪，在下端末梢打一圆孔，并按脊柱生理弯曲加工成形。依据稻部椎骨的形态特点，按脊柱顺序叠好椎骨。在能骨一侧耳状面中央用直径4 ～的长钻头向前内侧打一横孔，用螺钉将三块骨固定。在耻骨联合处、耻骨蜡的两侧上下问隔1cI ' n 前后钻孔，用细铜丝横向连接固定，其间根据软骨厚度填充海绵、有机玻璃片、毡片等材料。将金属杆下端插人能管上口直至抵管裂孔处，在第2 一3 能管高度，用小钻头在中线上钻孔，贯穿既骨及金属杆下端的圆孔，经此孔穿一销钉，将金属杆下端与能骨固定在一起。用皮革、橡皮或毡片等材料剪成各推间盘形态，垫人椎体间替代椎间盘，其厚度应接近脊柱生理状态特点。椎间盘的高度以关节突关节面正好相对为准，一般来说，颈部约为相应椎体高度的1 / 4 ，胸部为l 乃一1 / 6 ，腰部约为l 乃。这样能使脊柱保持生理弯曲的形状。在能骨第一能椎前面两侧距正中线各IcTn 处用直径为1 . 5 ～的钻头分别打孔，斜向能骨底的中心两侧，两孔相距可在Zcm 左右。钻孔时可将第5 腰椎体下面的两孔，向上钻孔穿过椎体并进人第4 腰推体中的一段，依次至全部腰椎、胸椎，直至枢椎，再从枢椎下面两孔向上钻眼，穿出的两孔以在齿突两侧为宜。将各推骨经椎孔按次序穿进金属杆，用细铜丝从能骨上端左右各钻的小孔开始，依次向上穿人各椎体上所钻的小孔，直至枢推齿突的两侧，压紧椎骨和椎间盘的替代物，拉紧铜丝，并将铜丝上端固定在齿突后方，然后在金属杆上放上衰椎及颅骨，并用螺帽向枕骨大孔上方旋人、拧紧。可用细铜丝将下领骨裸突、冠突分别固定在下领窝上方、颖骨的颧突根部及上领骨的颧突上，尾骨可用自凝牙托材料固定在浙骨下方，视情可将肋骨（或肋骨后半部分）按顺序固定于相应的胸肋关节处，先将肋骨按正确顺序摆放整齐，将调配好的自凝牙托材料作粘合剂分别涂布于肋骨小头、肋结节及相应推骨的肋凹、横突肋凹上，将肋骨按解剖学位置与相应椎骨相接。为加速粘合剂的聚合反应速度，可用电吹风适当加热。注意：在粘合剂于固前将肋骨调整至解剖学位置，干固过程中不要晃动或移动，确保胸肋关节按正确的解剖学位置粘接牢固。
第六节神经系统概观标本制作法
一、材料和方法
取10 ％甲醛液固定10 个月以上的童尸（男女皆可），在清水中冲洗干净，凉干，置于操作台上。去除头、颈、胸、腹、背及一侧上、下肢皮肤和皮下组织。
（一）显示脑
自眉间上0 . 5 一1 . ocm 处至枕外隆凸沿正中线矢状锯开颅骨，再沿眉弓～外耳门上方一一478 一
枕外隆凸锯开。枕外隆凸至颈部的颅骨，用咬骨钳和骨凿去掉，显示一侧大脑和小脑。（二）显示脊髓
沿后正中线切除深筋膜和部分背肌，用咬骨钳和骨凿去除椎骨棘突、推板，打开椎管．完全暴露脊髓、脊神经节以及脊神经。在脊髓中部保留一小段硬脊膜（显示被膜层次），其余的全部剪掉，显示脊髓圆锥、终丝、马尾等结构。
【 三）显示颈丛皮支
清理顶部肌肉，在胸锁乳突肌后缘中点清理呈放射状的枕小神经、耳大神经、颈横神经锁骨上神经。注意不要伤及深面的副神经。
（四）显示臂丛神经
在一侧，从斜角肌间隙清理臂丛神经，在臂及前臂分别清理肌皮神经、挠神经、正神经、尺神经和腋神经。在掌面清理尺神经和正中神经至手指尖端，在掌背清理尺神经和挠神经直至手指尖端。在另一侧用串接断层楼空法显示各层的血管、神经。
（五）显示胸神经
在一侧去掉胸大肌、胸小肌、前锯肌、肋间外肌、腹外斜肌和腹内斜肌。自胸神经起始处沿肋间外肌和肋间最内肌之间用钝性分离法逐一清理肋间神经、肋下神经在肋间隙及出肋弓后的行径。另一侧在胸腹侧保留胸神经前支，背侧保留胸神经后支。
（六｝显示腰丛及其分支
沿腰丛向前清理骼腹下神经和骼腹股沟神经。在一侧除去缝匠肌、股直肌、长收肌大部，显示股神经及闭孔神经。
（七）显示低丛及其分支
去除臀大肌和股二头肌大部，沿梨状肌向下清理坐骨神经及其分支至足底。另一侧用串接断层镂空法显示血管、神经。
（八）在一侧面部显示面神经在面部的分支（保留部分德腺）
在另一侧显示三叉神经及其分支。
（九）仔细修洁干净
用于5 ％氏仇漂白3 一4 天，取出凉干、染色、贴标签、徐明胶，装缸。
二、结果和体会
神经系统概观标本比较真实地显示了神经系在人体的位置及布情况，免除老师大量的理论讲授，加强了直观教学。但脑神经大部和内脏神经无法显示。在教学及实习中，与多用途脑、脑神经及内脏神经标本配合使用，效果更好。
参考文献
1 李忠华，王兴海主编．解剖学技术，第二版北京：人民卫生出版社，四97 ；男
（石瑾）479
第二十八章常用的脊柱生物力学实验方法
第一节生物力学实验特点
一、技术指标少
与其他材料力学相比生物力学的技术指标相对较少；
二、结构复杂
由于生物体无论外形还是内部结构都是十分复杂的；
三、个体差异大
由于性别、年龄、人种及身体素质等因素的影响，使得个体之间差异极大；四、实验重复性受限制
由于生物体的结构复杂性使得生物力学实验的重复性受限制。第二节生物力学实验造模
一、造模原则
（一）尽可能接近临床病症
一切要首先从临床的角度出发，针对被测材料在生物体中所起的作用及临床病症确定造模方法。
（二）突出主要矛盾，尽可能减少影响测试的次要因素
接近临床病症并不是一定要完全相同，临床病症多带有偶然性，同种病症、同一位置的发病情况都不可能完全一致，这种差异可能会影响测试结果。所以必须突出重点，减少次要因素的影响。如：长骨骨折的骨折面一般都是锯齿状，这种形状在测固定器械的抗扭能力时对测试结果影响很大，所以实验造模时，常常做成平行面骨折。
二、造模方法
（一）长．骨折造模
一般以平行锯断为主，特殊情况也可以儿条平直骨折线连接而成。
（二）脊柱滑脱造模
正常脊柱标本做滑脱模型，必须把小关节咬掉、椎间盘纤维环割断。
- 480 一
丈三）．力描击损伤造模
用撞击试验机对标本进行暴力撞击损伤造模。
（四）运用MllS 试验机进行各种生理载荷、动作模拟
运用MTS 试验机对标本进行各种生理载荷、动作模拟，溅量各种指标
第三节生物力学实验主要力学指标
一、力
是物体之间的相互作用，它能使物体的运动状态发生变化或使物体发生形变。一般用牛顿表示，基本单位：牛顿（N ）口
二、生理压力
生物体内的液体或气体压强。由于个体差异和其他因素的影响，绝对生理压力难以说明问题，一般用相对生理压力来衡量生理压力变化。
三、力矩
旋转中心点到力的作用线的垂直距离（力臂）与力的乘积称为力矩。单位牛米（Nm ）。四、应变
物体受力作用时发生形变，其体积、长度和形状变化与其原有值之比，称为应变在直杆两端受到与杆平行的力拉伸或压缩时，杆的长度由与变为L ，则其应变为：。＝（卜与）八二配刁若杆的截面积为S ，则其应力为：二f 名在弹性限度内：: = ES 二E 也1 八剪应力：= G 么b / aE 为弹性模量或杨氏模量。其物理意义是表示材料刚性大小。G 为剪切模量，△ b / a 为剪切应变。G 的物理意义是表示材料抗剪切的刚性。
五、应力
是物体中各部分之间单位面积上相互作用的内力。
对于均匀体：: = f 名
S 为物体受力形变前的截面积。
一截面上的应力一般不与此截面垂直，通常把法向分量称为正应力，切向分量称为剪应力或切应力。应力的单位为Pa 即N 击子。
六、刚度
使物体产生单位变形所需的外力。材料的弹性模量和剪切摸量越大，则刚度越大。七、三维运动范围
节段的三维运动范围。以前屈、后伸运动为例，前屈最大载荷和前屈零载荷之间的节段夹角改变量定义为前屈弹性区（EZ ) ，前屈零载荷与后伸零载荷之间的平均位置定义为前屈、后一48 ］一
伸的中性位。前屈零载荷时的脊柱位置与中性位之间的脊柱运动定义为中性区〔 NZ ）。前屈运动范围（ROM ）定义为最大载荷时的脊柱中性位之间脊柱运动范围，为前屈弹性区和中性区之和。同样也可定义后伸运动的弹性区，中性区和运动范围．由定义可以看出前屈和后伸的长性区是相同的，中性位与直立位不一定重合。和前屈／后伸运动定义的运动范围一样，也可以定义在左Z 右侧弯和左或轴向旋转运动时的脊柱运动范围，弹性区和中性区。
第四节生物力学实验测试手段
一、材料力学试验机测量
一般的材料试验机，都是单轴位移控制方式，即是匀速线位移或角位移加载。它限制了测量的方式，对有载荷控制要求的测量无能为力。单轴是指单一自由度运动。高档材料试验机则可以进行多轴的位移及载荷控制。材料试验机配合各种传感器，可以直接测出位移、力、应变、力矩等物理量。
二、三维运动试验机测量
通过对标本反复加载、卸载一定量的载荷，测量标本的前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转等六个运动方向的运动幅度，划分出弹性区和中性区范围。从而确定标本的兰维运动范围。三、撞击试验机
人体撞击试验机是将具有一定质量和形态的撞击头，以一定的速度撞击到研究对象上，攀拟战伤、交通事故和其他创伤时人体的损伤。
四、X 线片测量
在对附有肌肉、软组织或一些无法暴露的部位时，可以采用在标本旁附一金属标尺，拍摄X 线片，然后通过X 线片测量，计算出位移、尺寸、角度等。这种方法一般精度较低。五、压敏片
是较先进的测量方法，它是由富士公司生产的压敏纸，该纸在受力后会变颜色，颜色的深浅于力的大小成比例。
六、应变片
在被侧物表面贴应变片，通过应变仪可测出物体的应变。优点：可以作实时动态测量。缺点：影响因素较多，且不易排除。
七、有限元分析
单有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具，一482 一
可以很逼真地建立三维人体骨骼、肌肉、血管等器官组织，并赋予其生物力学材料特性。在仿真实验中，对模型进行实验条件仿真（几何约束、固定载荷、冲击载荷、温度特性等），模拟拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验，可以求解获得在不同实验条件下模型任意部位变形、应力／应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等变化情况。
第五节生物力学实验测试仪器、设备
一、MTS 一858 生物材料试验机
它是由美国MTS 公司90 年代中期推出的产品，由计算机自动控制、液压伺服、双轴双向（上下拉、压，左右扭转）试验机。它既能位移控制，也可载荷控制，加载速度可调范围宽，还可作阶跃运动，模拟冲击；根据程序设定．作双轴双向复合运动。该机的自动化程度很高，可做疲劳试验。
配有：10 仅心N 、100 Nm 力、力矩传感器一个
1 oo0N 力传感器一个
looN 力传感器一个
25 ～父％引伸仪一个
8 ～巧％引伸仪一个
5 ? 25 ％软组织引伸仪一个
加众心d 632 . 19 可调横径引伸仪一个
每种传感器均做了10 ％标定，可使精度提高一个数量级
另备有气动夹具一套，用于做软组织实验。
二、SWD 一10 万能材料试验机
它是由长春试验机研究所so 年代后期的产品，单轴拉、压位移控制试验机，它的加载速度分十档0 . 5 ; 1 ; 2 ; 5 ; l 饥2 饥s0 ; 100 ; 200 ; 500 ( ～厅苗n ) ，最大承载能力20 以幻N ，配有20 侧刃N ; 50N 力传感器各一个，标距为12 . 5 ～引伸仪一个。每个传感器分五档标定，精确度为每档满量程的5 ％。输出为O 一10V 与力呈线性的直流电压，通过计算机进行数据采集。
它操作简单，使用方便，可以直接测量力、位移、应变的测量。
，通过转换装置，可进行力矩和角位移
三、三维运动试验机
它是本实验室自己研制的，其原理是通过固定于脊柱标本上端的加载盘，试验机加力装置
在加载盘上产生一对大小相等，方向相反且平行的力，即对脊柱标本施加纯力偶矩。采用重力
跟踪和光电测位装置，使加载盘能始终在水平面和垂直方向跟随脊柱受载后的运动，攀拟了脊
柱的在体运动。力偶无偏心作用，避免了施加力载荷对脊柱标本的偏心问题。力偶矩沿脊柱
轴向均匀分布，故适用于多节段脊柱标本中于测试。研制脊柱三维运动试验机需解决以下向
题：① 对脊柱本施加纯力偶，使之产生前屈、后伸、
柱标本施加载荷。又不影响脊柱受载后的运动
左岁右侧弯和左／右轴向旋转运动；② 既对脊
；③ 精确地控制施加力的大小；④ 试验过程的自一483 一
动控制。整机设计采用水平式加载，便于各种状态测试之间的转换。例如只需动架在水平面上旋转270 ’即可完成对脊柱标本施加前屈、后伸、左侧弯和右侧弯的力偶矩。试验机最大力矩为20N 二，力控制精度为士IN （土0 . 2 Nt ' n ) ，可满足脊柱各个部位产生生理运动范围所需载荷。可进行脊柱功能单位和多节段标本的运动测试。
四、撞击试验机
它也是本实验室自己研制的，CZZ 一n 型人体撞击试验机采用弹簧驱动撞击头撞击试验件的方案。它由撞击头载体（小车）、导轨及台架、驱动弹簧组、拉伸电动缸，钢丝及滑轮组、缓冲器和测速器等部分组成。小车、弹簧组和拉伸电动缸三者通过钢丝及滑轮组的互相联结，形成一套完整的加力系统。试验机的工作过程如下：小车由制动钩置于导轨的左端，开动电动缸拉伸弹簧组，弹簧力通过钢丝绳作用于小车；松开制动钩，小车在弹簧力作用下沿导轨从左端加速运动，撞击至右端的人体试件上，其撞击力由放置于撞击头内的冲击力传感器输入计算机，剩余能量由缓冲器吸收并使小车停止运动，另外，在导轨的右端放置有光电测速器，可显示撞击头在即将接触到人休试件之前的撞击速度。试验机用电动缸〔 HIX 子一1 . 252 ，无锡电动缸厂产）的最大拉什力为1 , 25 KN ，最大行程0 . 6m 。导轨长度为1 . 38m ，小车质量为3 一3 掩。选用拉伸螺旋弹簧的刚度为120N ，其最大伸长量为1 . Zm ，可同时并联安装16 根。根据计算得到不同条件下的撞击速度，最大速度可达28 . 95m / s ( 104 . 2Kmph ) ，可以满足幕拟战伤，交通事故伤对撞击速度的要求。
五、引伸仪
其原理是将应变片贴于弹簧片上，两个弹簧片间隔一定标距。当两弹簧片的间距发生变化时应变片的电阻也相应发生变化，经电桥放大和事先标定，可得出应变值。引伸仪与单纯的应变片相比，具有精度高、性能稳定、抗干扰能力强的特点，是微距形变测量的理想仪器。六、压敏片分析系统
压敏片测量各种关节压力近年来，压敏片已较广泛地用于关节和脊柱的生物力学研究。和其他关节接触特征的侧量方法相比，有以下优点；① 测量方法相对简单；② 能同时获得关节接触面积和接触压力信息；③ 压敏片可测得整个接触面积上任意一点的接触信息，能反映出压力分布的整体趋势，这是其他测试方法无法比拟的。因此，压敏片测压方法是目前测量人体关节压力的最佳方法之一。
七、图像分析系统
利用计算机立体视觉方法，通过采用两台摄像机从两个不同视角观察脊柱。采用计算机图像处理技术和立体测量术，求取脊柱的三维坐标。对脊柱的三维运动的范围及其稳定性采用新的方法即计算机立体视觉方法进行测定，精确地刻划脊柱的三维运动，系统地分析脊柱各部分结构对脊柱运动的影响，为脊柱矫形术和固定器械的应用提供稳定性评价，也可为临床提供一种精确测量脊柱三维运动的方法。
铭4
第六节生物力学实验测试方法
一、脊柱三维运动幅度测量
颈椎纵向撞击损伤实验方法。
（一）标本制备
试验用颈椎材料取自意外死亡的成人男性新鲜尸体，均无颈椎疾患。取材后剔除颈部肌肉，保留颈椎韧带、关节的完整，制备成Q 一4 ( 14 例）和C5 一Tl （巧例）两组。颈椎标本用双层塑料袋密封后保存于一20 ℃ 冰柜中。测试前自然解冻10 小时左右（室温15 ℃ ）。将C2 一4 和仍一Tl 标本的上、下端椎骨分别包埋于盛有聚甲基丙烯酸甲酷的盒中，供测试时两端固定之用。
（二）摘击损伤侧试
将制备好的颈稚标本放置在CZZ 一11 型人休撞击试验机。撞击方向为自上而下，撞击部位分别在巴和C5 椎体上端。调整试件装夹位置，使撞击试验机的冲击头正好对准段和C5 椎体的几何中心部位，使颈椎标本承受纵向撞击作用。由于包理盒较硬，在颈椎标本上包埋盒与冲击头之间放置了4 层5 ～厚的橡胶皮，由此可得到较典型的撞击力一时间曲线．通过预试验结果分析，确定对悦一4 标本进行30 ）和50 ）能量的撞击各7 例，C5 一Tl 标本进行50 ) 和looJ 能量的撞击，分别为7 例和8 例。通过SC42 计算机数据束集系统得到撞击力一时间的数据（采样频率扮喻七），由光电测速器得到撞击速度。经过数据处理和分析得到撞击力峰值，冲量和撞击力作用时间等参数。
（三）损伤检查
颈椎标本承受纵向撞击损伤后，立即对损伤后标本进行肉眼观察检查诸如软组织挫裂，椎间盘破裂，骨折和活动度等。拍摄损伤颈椎的正、侧位X 线平片，由此判断颈推撞击性损伤程度。
《 四》 颈椎纵向拢击损伤的整体试验过程
制备好的29 例颈椎标本均按以下试验程序测试。首先进行正常完整状态的三维运动稳定性和动力学响应特性的测试，然后进行30 一100 ）能量的撞击试验，再对撞击损伤颈椎进行三维运动稳定性和动力学响应特性测试，最后拍摄颈椎标本正、侧位X 线平片。
二、纵向撞击性损伤对颈椎三维运动稳定性的影响
l 一）标本制备
试验用颈推标本与颈椎纵向撞击性损伤机制的研究用颈椎材料相同。测试前自然解冻后，将供脊柱三维运动双平面立体测童用的标尺用502 胶水枯附在颈椎锥体前缘中部和上、下包埋盒的前部。标尺用0 . 5 ～厚的L 形薄钦片制成，在标尺上设置至少三个不共线的圆形标志。
（二）测试方法
制备好的颈椎标本下端包埋盒固定在脊柱三维运动试验机上，上端包埋盒连于加载盘。通过滑轮系统和珐码加载，加载盘对颈椎标本施加2 0Nln 的纯力偶矩。据文献报道和已往- 485 -
的实验研究，该载荷足以产生颈椎生理范围内的运动而又不会对颈椎产生任何损伤。施加于颈椎标本的每一种力偶矩都进行三次加载Z 卸载循环，以期将颈椎的粘弹性影响消除到最小。每次加载和卸载后停留30 秒左右，以允许颈椎蠕变运动，得到稳定的实验结果。所施加的力矩共有前屈、后伸、左／右侧弯和左F 右轴向旋转等六个。在第三次加载时，由双摄像机拍摄在零载荷和最大载荷时的颈推运动，将图像存人计算机。首先测试完整颈椎标本的三维运动范围，然后以相同的方法测试损伤后颈椎标本的三维运动范围。
三、颈椎纵向撞击损伤导致颈椎动力学响应特性的改变
颈椎标本C4 一5 和C5 一Tl 各14 例和15 例，与前面所用材料相同。测试前自然解冻，将标本下端包埋盒与振动台相连，将飞勺70A 加速度传感器用502 胶牢固粘连在标本上端包埋盒上。动力学响应测试：通过对颈椎标本的不同频率的强迫振动，确定须推的频幅响应特性曲线。将颈椎标本分别以垂直方向、前后方向和左右方向安放振动台上。加速度传感器的测量方向与振动方向相一致。由功率放大器调节振动功率和振动频率。振动台最大振动位移士10 ? ，承载重量1 地，振动频率范围为3 一7 仪旧孤。在颈椎振动测试中始终保持相同功率的输出。通过电荷放大器将加速度信号送至示波器显示、浏量。记录不同频率下的波形幅值，寻找共振频率。一阶频率是指标本的最低共振频率，主频率是指标本响应幅值最大的共振频率。
首先测试完整颈椎标本在上厂下、前才后和左／右振动方向的共振频率，然后在相同条件下测量纵向撞击损伤颈椎的三个方向上的共振频率。将完整颈椎和损伤颈椎的频幅响应曲线绘制在计算纸上，显示额幅响应曲线的迁移和改变。
四、Halifax 稚板夹对失稳颈椎的固定作用
（一）标本制备
9 具颈椎标本取自意外死亡的成人男性新鲜尸体，截取6 至Tl 部位的颈椎于一20 ℃ 冰柜中用塑料袋密封保存。测试前自然解冻，剔除所有的肌肉组织，将C3 至Tl 用聚甲基丙烯酸甲醋包埋。用小螺钉将供脊柱三维运动测量系统识别的标尺固定在C3 至Tl 的椎体前缘．每个标尺上至少有兰个不共线的标志。将制备好的颈椎标本放置在脊桂三维运动试验机上，通过施加前屈才后伸，左防侧弯，左Z 右轴向旋转的纯力偶矩，使颈椎产生相应的运动。对完整状态以一5 双侧小关节75 ％切除和安放Halifax 椎板夹及棘突钢丝固定，分别进行三维运动测试。
（二）手术情况
所有运动评价都是针对C4 一5 节段。手术分组情况如下：① 双侧小关节内侧75 ％切除在以一5 节段小关节处，用电钻铣刀磨去内侧3 / 4 的上、下关节突，直达颈神经根后部，暴露神经根，凿去增生的钩突关节；② Halifax 推板夹在以和C5 内侧椎板双侧安放Halifax 椎板夹，拧紧椎板夹上的螺丝，使上、下两个椎骨不易移动；③ 棘突钢丝在以和6 的棘突根部横穿钻孔，用0 . 8 ～医用钢丝在两棘突间绕X 形固定，拉紧钢丝使上、下椎骨靠拢。（三）脊柱三维运动测试
脊柱三维运动试验机能模拟脊柱在体的生理运动特性，即试验机既能对脊柱标本施力，纯力偶矩，又不限制脊柱标本承载后的自由运动。这是一般材料试验机难以达到的。根据我们一486 一
的实验结果和文献报道，对中、下部颈椎施加2 , 0 Nm 的力偶矩，就可以使颈椎产生生理范围的运动。脊柱三维运动试验机对颈椎标本连续地加载卸载循环，加至2 , 0 Nm 时停留30 秒，允许颈椎标本进行蠕变运动。在第三次加载时进行运动学测量。由互成角度的两个摄像机拍摄零载荷和最大载荷（2 . 0 Nm ）时的脊柱运动状态的图像，经计算机图像处理系统识别、定位附贴于标尺上的标志。根据刚体运动学理论，三个不共线标志的空间位置即可确定椎骨的空间位置和取向，由此可计算节段间角度变化。
五、TFCC 部分切除对尺骨载荷功能影响的生物力学分析
（一）实验标本准备
采用8 例正常青年上肢标本，左右不拘。均从上臂中部截断。拍摄前臂及腕部X 线片，证明前臂及腕部解剖结构正常。去除上臂肌肉，保证前臂肌肉在肚骨附着点的完整。远侧自掌指关节离断。掌骨及脸骨上各打2 一3 枚木螺钉后，分别用聚甲基丙烯酸甲脂固定在包埋盒中。包埋好的标本密封在双层塑料袋中，贮藏在一20 ℃ 的冰柜内。实验前数小时取出标本，置于室温下自然解冻。
（二》 加载方式和方法
将完全解冻后的标本固定在MTS 机上，固定时肘关节屈曲900 ，脸骨经包埋盒固定在MTS 机加载装置下方的夹具上。下方的夹具可移动，保持前臂在压力传导的中心位置。手部经包理盒固定在MTS 机上方的加载装置上。加载力量从包埋盒固定的掌骨顶端纵向向下传递。变换上方固定装置的位置、方向及调节角度可使腕关节产生掌屈、背伸：尺偏、挠偏及旋前旋后运动，并能精确地控制各向运动的角度。在加载的情况下，选择测量腕关节和前臂在下述位置的负荷传递：腕关节中立位。挠偏5 度、lO 度位，尺偏5 度、10 度位。掌屈5 度，背伸拍度、25 度位；前臂旋前及旋后各40 度位。加载重量为100 牛顿（N ）二
f 三）压力传导的测试方法
实验中采用日本富士公司生产的超低压型压力敏感片（测试范围：2 一6 昧七护）进行测试。先将压敏片裁剪成小块。然后将压敏片密封在聚乙烯小袋中，以防止组织液浸湿污染。通过脱背侧第5 伸肌间隙将压敏片置人尺骨远端关节面与其相邻的近排腕骨之间。放置压敏片时注意勿住压敏片受到预压力，必要时用MTS 机将手向上提升，适当撑开尺腕间隙、压敏片放置妥后，用MTS 机加载。每次加载至looN 最大载荷时保持20 秒钟。然后卸载，取出压敏片。压敏片在不同的压力条件下，各个不同部位的染色程度也不同。测试后的压敏片用扫
描仪输人计算机。通过计算机分辨染色的深浅程度，用事先编好的程序将其转化成大小不同的力值。
《 四〕 测试步骤
先测试TFCC 完整标本，分别测量脱关节如前述不同位置压力传送至尺骨的情况，每测1 个位置更换一块压敏片、测量完毕后分别扫描输入计算机。然后分三步逐渐扩大切除TFCC 的水平部分。第一步切除TFCC 水平部分的1 书，第二步切除TFCC 水平部分的2 乃，第三步切膝TF 仁f 奈部水平部分。每步切除术后均按完铭标本相同的方法拼行压为测量一487
六、固定载荷下人股骨标本应变分布测试
（一》 实验准备
取健康成人新鲜股骨标本4 只，剔净软组织，将股骨置于矢状面内，测转子窝至下关节面最凸点的垂直距离作为股骨干长度。将股骨干四等分，自上而下在等分点划周线，分别表示上( A ）、中（B ）、下（C ）截面的周线，则上周线与臀肌线和耻骨肌线交点之中点、中周线与粗线之交点、下周线与胭面内外线交点之中点分别表示各截面的后标志点。测各截面周长并四等分，可以确定各面的后（1 ）、内（2 ）、外＜3 ）、前（4 ）标志点（如：上截面外侧标志点为A3 ）。将股骨下关节面置于水平面，大转子后缘与内裸后缘置于额状面，包埋股骨远端，用以作纵向挤压测试。测试后除去包埋块。将股骨头去除，将股骨置于矢状面，大转子后缘与外裸后缘置于额状面，包埋远端与近端，用于折弯及扭转测试。
《 二，实验方法
( l ）纵向压缩试验：将包埋好的股骨标本呈正常生理状态，安装在NITS 试验机上，从Al 点至C4 点依次安装引伸仪，每次都以looN 店的速度对股骨头加载，到1 000N 的压力，测量12 个点的应变。
（三】 三点弯曲试验
将标本放到安装在MTS 试验机上的特制的夹具上中，以3ON 侣的速度对股骨内侧面的中点加载，到30ON 的压力，分别加引伸仪测Al 至以各点的应变（B2 点为加载点，所以无法狈J 该点的应变）。
（四）轴向扭转试验
将包埋好的标本垂直倒装到MTS 试验机上，使股骨的纵轴线与扭转轴线重合，固定股骨上端，从Al 至C4 依次在每一被测点上安装一个可调整角度的小镜面，用一束激光沿水平面方向射到小镜上，调整小镜的角度使反射光束水平射到距扭转轴线3m 的光靶刻度尺上，对股骨下端以1 Nm 巧的速度施加4 Nm 的外翻扭矩，观察光点的移动，重复加载、卸载3 次，取最后一次侧量的光点移动距离，通过O 一360L 左（2 二r ）计算得出被测点相对固定端的扭转角度。( L 为弧长，r 为半径）。
七、旋转手法对颈椎髓核内压力影响的比较研究
（一）材料的制备
共12 例颈椎标本。实验材料来源于急性脑死亡的健康男性青年尸体的颈椎，于死亡2 小时内截取其颈椎、年龄23 一34 岁，平均年龄26 岁。颈椎标本的上端在Cl 一2 椎间隙过离段，下至C7 一Tl 椎间隙。修整颈推标本时尽可能地剔除皮肤和肌肉。保留各韧带，注意保持颈椎小关节的完整性。所有标本均拍摄X 线正侧位片，排除各节段中可能存在的变异或退行性改变。用双层塑料袋密闭保存于一20 七冰柜内。实验前一天取出冰冻标本置于冰箱的冷藏室内过夜，计标本自然解冻。所有标本上下颈椎的推体用聚甲基丙烯酸甲酣（牙托粉）包埋，仅露出中间的C3 一4 、以一5 和C5 一6 ；三个椎间隙。
（二）实验方法
将制备好的颈椎标本固定在生物材料实验机（material test systeln , MTs 美国陇。～公司）858 . 02 试验机上。先将牵引力调至零，然后在计算机上预先设置牵引和旋转程序。牵- 488 一
引分为4 个等级，即SON 、looN 、1 50N 和ZooN 旋转的角度均为3 扩。实验分为3 种状态，A 状态：分别以4 个等级的牵引力向上做垂直牵引后，再右旋30 ' : B 状态：向左侧旋转3 『 后，再以4 个不同等级的牵引力向上做垂直牵引；C 状态：向上牵引和向右侧旋转同时进行。实验前将穿刺针从前向后刺人所测节段的椎间盘内，刺人的深度约为Ictn ，然后将其与SYR 型智能生理压力潞试仪（徐州无线电机厂）医用三通管的压力传感器管相连接。实验时先向所所测节段内注射一定量的生理盐水，使所测节段内保持一定的压力，然后再做牵引和旋转进行测试，记录所珊得的储核内压力便值。所测量的节段为C3 一4 、以一5 和C5 一6 共个节段。
八、轴向控制骨科髓内固定器的生物力学测试
（一）实验准备
取8 例成人新鲜股骨标本剔除软组织，然后从骨干中间横断，将股骨分为上、下两部分。上部只包埋远端，下部两端都包埋，包埋材料用牙托粉。
实验方法：Y 钉与丫钉＋钢板固定股骨头效果比较实验。
《 二）抗压缩比较
( l ）将上部股骨外倾15 度，即呈正常生理状态，安装在MTS 试验机上，从股骨头以300N 的压力对股骨实施加载，测量正常股骨的压缩刚度；( 2 ）上段股骨安装7 钉，在股骨颈部沿下钉的横断面锯断股骨头，用与（1 ）相同的方法测量股骨的压缩刚度；( 3 ）在同一标本上安装加钢板的下钉，用与（1 ）相同的方法测量股骨的压缩刚度。
（三）抗扭转比较
( l ）标本安装7 钉并在股骨颈部沿了钉的横断面锯断股骨头后，调整股骨的倾角，使股骨颈的横断面与水平面平行，把股骨头固定在MTS 试验机加载头上，并使7 钉的加压螺钉与转轴重合，扭转5 度恻量股骨头的抗扭刚度；( 2 ）在同一标本上安装加钢板的了钉，用与（1 ）相同的方法测量股骨的抗扭刚度。
（四）绞锁钉与带具绞锁钉圃定效果比较实验：
1 ．杭压缩比较（l ）上好纹锁钉的下段股骨从中点锯断后安装在MTS 试验机上，轴向加压sooN ，在股骨峭上安装引伸仪，测量股骨蜻上应变的。（股骨蜡上的压应力最大，能体现股骨的应力传导）; ( 2 ）取下标本上的绞锁钉，安装带翼纹锁钉，同上方法测量股骨的应变。2 ．杭扭转比较将1 中的标本分别装在MTS 试验机上，使翻针与转轴重合，对股骨施加4 Nm 的扭矩，测量抗扭刚度。
九、手屈肌键应力变形测试
（一j 实验标本准备
采用8 例正常青年上肢标本，左右不拘。均从前臂中部截断。拍摄手部X 线片，证明手部解剖结构正常，剔除前臂的肌肉及皮肤等组织，保留骨结构完整及所有曲肌键。标本密封在双层塑料袋中，贮藏在一20 ℃ 的冰柜内。实验前数小时取出标本，置于室温下白然解冻。将所有屈肌胜分别绑一条手术线，从手背侧方向在每一节手指上纵向用手术刀划一切口直至指骨骨面，在切口中间垂直打人一段细克氏针。再用两根粗克氏针间隔7ctn 同时横穿挠尺骨将前臂钉在一木板上，另取一粗克氏针避开屈肌健横穿掌骨，并保持手掌在挠尺骨确定的平面内把手也钉在同一木板上。将“U ’标尺用热熔胶粘在细克氏针上，每个标尺上有三个不共线的标一489 一
志点。用台钳夹住木板使手向下垂直安放在SWD 一lO 材料试验机上。
（二）实验方法
在试验机前架设两台互成角度的摄像机，摄像机的输出分别送到计算机图像板和电视机，计算机进行图像采集。从电视机取出场同步信号，输送到安放在手旁边的电子计数器中，作图像与力同步用。
将被测手指扳直后，把该指屈肌键上绑的手术线的另一端绑到力传感器上，调整台钳位置使手术线垂直，此时称为“o ' ’状态，先用计算机采下“0 ”状态时的图像。放松被测手指的状态称为“1 ”状态。在“1 ”状态时调整试验机使手术线刚好拉直而又不会使传感器产生力的变化。材料试验机衰减倍数设为2 ，传感器量程为5 ON ，加载速度为10 ～乃俪n ，计数器回零，然后同时开动试验机和计算机自动采图程序，开始测试。直到手指屈曲指尖刚好贴到掌面时停机，测试结束。将刚测试过的手指截断后，重复上述步骤，继续测下一个手指。
十、几种肌脆缝合方式的生物力学比较
（一》 标本准备
取8 条新鲜人手屈肌键，用双层塑料袋密闭保存于一20 ℃ 冰柜内，实验前数小时取出标本，置于室温下自然解冻。
（二）实验方法
取一条屈肌键从中间横断，分别用四种不同的缝合方法缝合，每一种缝法测试完后都将缝合点截掉，再用另一种方法缝合后继续测试。在断口两端分别放两个标志点，将标本装到SW 刀一10 试验机上，标志点向外，在试验机前架设一合摄像机，摄像机的输出分别送到计算机图像板和电视机，计算机进行图像采集。从电视机取出场同步信号，输送到安放在标本旁边的电子计数器中，作图像与力同步用。材料试验机衰减倍数设为2 ，传感器量程为50N ，加载速度为10 ～布云n ，计数器回零，然后同时开动试验机和计算机自动采图程序，开始测试。一直将肌键又重新拉开为止。重复上述方法，将用四种缝合方法缝合的8 条肌健全部做完。用专用计算机软件处理图像计算出位移的，重而绘出应力一应变曲线。
（赵卫东）
第七节腰椎三维有限元模型的建立及应用
有限元法是在生物力学中解决众多问题的数学分析技术。在50 年代同时兴起于数学和工程领域，60 年代末开始应用与生物力学的研究，对于人类脊柱已经建立起各种数学模型，包括连续模型（? tinuo model 劝离散和集中参数模型（di 买茂te 一曲dl 帅1 冰1 一p ? etern 策刁－击）。
第一个真正的椎间盘椎体的三维有限元模型是由Lin 等人建立的，他们应用最佳系统（在实验数据和有限元模型变形的推算之间减低到最低误差）得到腰推间盘9 个弹性模量，其后，Spiker 等在二维对称有限元模型的基础上，完成了三维有限元模型，在复杂的三维有限元模型方面，成为真正的突破。接下来shi ～一Adl 及其同事进行了大量的研究，成为椎间盘一推体- 4 创）-
应力分析的里程碑。
Shirazj 一Adl 在计算机的有限元程序上分析了比一l 一椎体和推间盘的复杂的有限元模型，模型的几何形状是由聚合体树脂铸形的尸体标本进行4 ～的切片后得到的，他们首先把纤维环看成纤维和基质的混合体，仅在纤维的轴向加载一个应力，纤维环纤维呈放射交叉排列，与水平面呈290 角，纤维大约占纤维环的19 ％的体积，具有压力和张力的非线性特征，纤维环包埋在被认为均质的基质中，髓核被看成是不可压缩的物质。模型进行了均一的轴向的位移，直到加大最大的加载3 以刃习。得到如下不同情况：椎间盘内部压力的变化，髓核切除，椎间盘退变，纤维角度的变化，椎间盘后部形态的改变，其主要结果如下：随着加载压力的增加，椎间盘推体单位呈现一种加强效应（。tiffi 眼effect ）。髓核压力下降导致轴向刚度下降，模仿髓核切除术，去除髓核因素，可以使轴向刚度下降，降低纤维环角度29 ’一24 ’一19 ’可以使轴向刚度增加。稚间盘刚度随着压缩负载增加而加大，随着椎间盘压力的下降而降低，在正常的椎间盘，最大膨胀在后部，然而，没有髓核的椎间盘却在前部，对于同样的椎间盘加载幅度，除了向后面的膨出，正常的椎间盘膨出与髓核切除后的向四周膨出不同，减低纤维排列的角度，可以降低除后部以外的膨出的程度。椎间盘内部的压力与加载负荷的变化几乎呈线形关系，变化的斜率与核间盘最初的压力几乎无关，但随着纤维排列角度的降低有所增高。加载的负荷3 000N 时，正常椎间盘纤维环总是保持伸张应变，并表现出从内层到外层的下降。在无髓核椎间盘，当轴向加载在1 75ON 时，只有纤维环外层纤维表现出伸张应变。在同样的加载条件下，止常椎间盘纤维的最伸张应变比没有髓核的椎间盘大得多。在正常椎间盘和切除髓核的椎间盘中，纤维环基质水平方向的应变是向各个方向伸张的。然而，压应力两者基本相同，在切除髓核的椎间盘中，大的伸张应变是可以预测的，即：压缩荷载1 75ON 时，30 ％向放射方向。
在轴向荷载的条件下，在正常椎间盘椎体终板的形变是向外凸起的，最大的终板的形变是在中间，在边界上则下降为零。在切除髓核的椎间盘中，中央部分的终板形变也是向外突起的，但最大形变的程度则比正常椎间盘小得多，在正常椎间盘椎体的松质骨，最大的压缩应力在临近髓核的部分，而在切除髓核的椎间盘中则在纤维环的附着部位。在相同的压缩荷载下，切除髓核的椎间盘松质骨的最大压应力下降50 % ，而皮质骨则升高35 ％。
在正常椎间盘的终板，最大的张应力出现在临髓核空间接近于松质骨，而在无髓核的终板，应力出现在同一部位，但接近于髓核。在相的荷载下，终板的最大的张应力在切除髓核的椎间盘下降35 ％。在皮质骨，最大张应力上升50 ％。
比较所预测出的模型不同材料的压力和张力，根据经验得出结论，在压缩的荷载下，正常椎间盘一椎体单位中，最薄弱的单位是松质骨和临近髓核的终板，此计算结果与在非退变椎间盘中频繁出现Schnlorl 氏节结相关联。而在切除髓核的椎间盘中，最薄弱的环节出现在纤维环周围的基质，通过计算此处承受最大的伸张形变。这个结果与退变椎间盘周缘的破裂有关系。同时，松质骨和终板的应力尽管显著的下降，但仍然在纤维环的附着区存在足够高的应力导致破裂。
Rao 和Eham 愁应用切片和矢状平面的对称性，建立了L5 一sl 稚间盘和椎体的复杂的三维有限元模型。模型中包括6 种材料（皮质骨，松质骨，软骨终板，髓核，周围基质及胶原纤维）决定了模型中椎间盘一椎体的不同生物力学的效应。结果显示：周围基质的杨氏弹性膜量和泊松比对椎间盘生物力学的反应的推算有重要的影响，而皮质骨，松质骨，软骨终板，髓核的影一491 一
l 轰白：, . 1 夕二引r ．乃l ' J 』 1 日，
二，一口口日
响则较小。Natali 发展了椎间盘一椎体单位有限元模型，计算了椎间盘髓核的超弹性和几乎不可压缩性的有限元公式。他用这个方法使椎间盘的髓核有部分的压缩性以模拟退变的椎间盘，由于储核内部很高的水分含量决定了其压缩性，部分可压缩的髓核代表了与部分脱水的髓核有关系。
还有一些学者建立和发展了包括脊柱后部成分的一个运动节段的有限元模型。地kim 和KingS 首先共同建立了包括椎体后部结构的复杂的有限元模由于椎体的对称性，其矢状面以半面椎体表示即可，椎体的核心部分以块状单元（b 五ckel ? ents ）建模，软骨终板和皮质骨各自以片状单元和薄壳状单元（plateel ? nt 。朋d thin Plateel ? ts ）建模。同以后所建的模型相比，椎体后部结构所用的单元较少，其6 面体单元椎弓为2 个单元，椎板为6 个单元，小关节为3 个单元，棘突为3 个单元，横突为1 个单元，椎体位于一个线形弹力的底座上，以模仿椎间盘轴向阻力．剪切和扭转的荷载作用，上小关节的轴向荷载作为节点力而输人，弹力单元模仿下小关节，其轴向和剪切刚度为1 050 . 8N . ～。对模型进行了静力和动力的荷载，推体几个区域的应变结果与实验数据相比，验证了这个模型。
以后对这个模型进行了一系列扩展的研究，玫坛二br ? nium 等应用此模型研究了椎板切除术的结果。Ra 。也进行了椎板切除术和Ha 币ngton 棒手术的研究。Yang 和Ki 吧扩展了这个模型成为一个完整的运动节段，研究了小关节传递轴向荷载的作用，此模型中，棘上韧带和棘间韧带由线形弹性单元代表。
Shir 韶j 一Adl 等发展了包括腰椎后部结构的有限元模型，应用均一固体单元建立脊柱后部（稚弓、椎板、关节面、横突和棘突）的单元。在后部单元中，皮质骨与松质骨没有区别，这些单元中的弹性模量、剪切模量和泊松比，取皮质骨与松质骨的中间值，韧带（前纵韧带、后纵韧带、关节囊、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带和棘上韧带）及以纤维走行方向一轴向张力建模。关于小关节的动态接触的问题，以无摩擦和非线性模型处理。当关节面垂直距离小于最初的间隙时，力量的传导通过关节，作者对这个模型进行单纯矢状面的屈伸并检验了椎体的应力。在对应的研究中Shiraz 玉一胡1 还研究了轴向的扭力和轴向的扭力结合压力的结果及其他复杂应力下的结果。
另一完整的运动单元的有限元模型由U ～应用ANSYS 软件建成完整的以一L5 三维有限元模型，模型包括韧带、脊柱后部结构、椎体终板、不可压缩的髓核和纤维环，腰椎小关节应用三维间隙单元建模，作者椎间盘纤维环建模的方法与Shi ? i 一Adl 相似，但椎间盘一椎体单位的非线形位特征是最初的几何非线性而不是材料的非线性。这一点的发现是基于有限元模型与实验结果的一致性，有限元模型在压缩，屈曲和伸展模拟运动有良好的一致性，此模型在研究预先压缩荷载的以～L5 单元轴向扭力方面具有开拓性。
G 关1 等是应用CT 扫描几何形状输人模型建立复杂的三维有限元模型的最早的研究者，由于CI ’扫描的结果作为基础可以直接产生有限元模型网格，此模型是具有真实几何形状（相对于理想形状）的模型。模型的身体形状通过CT 对尸体脊柱进行l ～的连续扫描切片得到，有限元模型由ANSYS 商用软件包生成。材料系数取白文献，此真实的模型包括了脊柱所有的重要的生物力学结构，如椎间盘髓核、纤维环周围基质、纤维环纤维、小关节和关节囊。模型与实验的数据有很好的一致性。在基本模型的基础上，给予完整的椎间盘和去除髓核的椎间盘的条件，研究了轴向压迫、前曲后伸、侧曲和轴向旋转等应力的分析。此基本模型后续进行了临床问题的一系列研究如：椎间盘的退变、脊柱损伤、融合和测量等。
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学者们也对椎间盘一椎体单元中各种成分在不同荷载下的各自的反应进行了研究。小关节：在轴向的压力下，椎间盘承受大部分的荷载，小关节只承受一小部分。然而在更高的荷载下，下位小关节的关节面可以接触到椎体后的椎板下面。这种现象是由Yang 和Kiog 在实验中发现的，他们认为这是小关节承载的主要形式，结合关节面接触椎板下面的有限元模型的研究也支持他们的观察。即在大的压缩荷载下，小关节在承载压力方面起重要作用，小关节在过伸位承载高的负荷并有可能碰撞到椎板。这与段hendel 等应用应变计测量人尸体腰椎小关节负荷的结果是一致的，在伸展运动4 一6 Nm 时，L1 小关节的顶端可接触到L2 的椎板，在轻微的屈曲运动时，小关节不承载负荷。当运动节段屈曲超过7 一8 度时，大的接触的负荷与过伸的负荷一样，是可计算出的，负荷主要来源于水平方向，轴向负荷几乎可以忽略。压缩载荷的增加可以在伸展时增加接触的负荷，而在屈曲时则无变化。由于这些原因，过大的屈曲负荷和过大的伸展负荷一样都可能是导致小关节损伤和退变的原因。轴向的扭矩可以产生最大的负荷，依据关节间隙的不同及荷载水平的不同，小关节变得前后向排列时，运动节段前后运动增加了。例如，当小关节角度从400 增加到600 ，向前滑移增加了34 . 7 ％。关节面的空间的方向也对通过关节面的荷载有明显的影响，伴随着向横面倾斜的减少，其荷载是增加的。
韧带：在屈曲时韧带是传递负荷的工具，伸展时负荷的传递是通过椎弓、椎板和关节突。在有预先加载的压缩荷载下，旋转角度小于3 。时，韧带在扭矩下的作用是减小扭转，当旋转角度大于3 。时关节囊韧带承受大部分的张力。
髓核：在单纯压缩的节段，椎间盘内部压力与外在荷载是成比例的，在屈曲时，产生相对大的椎间盘内部压力，而在单纯压力升高，计算的结果为压力只有很小幅度的增加，在生理范围的旋转角度＜3 ．时，髓核压力升高，但较附加轴向荷载时要低得多。
纤维环及其基质：在扭矩下，只有一半的纤维环参与作用，因此，与压力相比，纤维环的作用是低的。在轴向扭矩时，纤维环外层一侧的纤维的应力是最高的，纤维环周围基质的复合应力接近于水压，剪切应力在这里可以忽略。因此，在没有骨折的情况下，扭矩似乎并不是椎间盘后方或侧后方破裂的原因，如果椎间盘在扭矩下破裂，通过有限元分析其侧面是最薄弱的。小关节面的不对称纤维环的应变没有明显的影响，因此，对于特殊的小关节几何形状，左右的椎间盘后方切除术没有区别，尽管经验上通常认为应有高水平的应力和应变。
椎体的应力和应变：正常的与去除椎间盘的关节面接触应力、椎体的应力及一个运动节段的后部单元，相比较有明显的不同：在压缩荷载条件下，完整椎间盘比去除椎间盘的终板中央的最大～Mises 应力高出62 ％。在屈曲运动中，在邻近椎间盘的松质骨的中央和前部压缩应力在已发表的压缩力量的范围之内，这些发现与实验所观察到的在过伸时出现推体前部压缩后部骨折的情况相一致。大部分的扭矩荷载是通过椎体的皮质骨而不是通过椎体的松质骨，因此，在扭矩下，椎体的皮质骨更容易因剪力破裂。剪切应力在椎体的前缘和后缘是高的，而在推间盘则较低，在完整的椎间关节中，椎体与椎弓的连接处存在高强度的剪切应力与基本应力。比较所计算出的运动节段中不同机构的应力和应变，参考所报道各种材料的应力与应变的范围，得出的结论是：正常运动节段中，在压力荷载下，最薄弱的单元是皮质骨和邻近髓核部分的终板，在扭矩下，最薄弱的单元是椎体的后部结构，包括椎体与推弓的连接处及小关节。近年来，一些学者模仿临床的嗜况，也建立了相应的有限元模型，Y 甲M . Lu 建立了L2 一工3 运动节段的粘弹性有限元模型，并研究了椎间盘内不同量的液体丢失对其的影响，及不同液体一493 一
丢失比例的对粘弹性的影响。结果显示，椎间盘的粘弹性在很大程度上取决于液体丢失的比例，其内的材料的性质只在压缩荷载的早期起作用；轴向的张力增加时，椎间盘内部的压力和向后方膨出的程度随着液体丢失程度的增加而降低。
腰椎小关节对腰椎运动是提供刚度并能保护椎间盘，特别在扭距损伤时。全部或局部的腰椎小关节切除术，将会降低腰椎运动节段的力学刚性，并使椎间盘处于潜在损伤的危险状况中。R . N . Natarajan 等应用有限元模型分析了在运动节段稳定性方面腰椎小关节的作用，小关节的模型用面来表示接触区域而不是用点，当切除任何一侧小关节的75 % ，在施加扭距时，腰椎的旋转运动，有一个大的突然的变化。应用扭距荷载可以在完整的腰推运动节段产生一个连动的伸展运动，在双侧完全腰推小关节后，此运动也有一个大的变化。研究的结果显示，临床上外科单侧或, , 双侧切除小关节后，为降低扭转运动可能需要进行融合治疗。总之，白从有限元模型在腰椎建立以来，已经建立了多种模型，并很好地模拟了各种临床状态，为生物力学研究提供了一个很好的手段。
（毕胜）
第八节腰椎推拿手法生物力学测试
推拿疗法是治疗腰椎间盘突出症等下腰痛疾患常见的非手术疗法，其中常用的有斜扳手法、坐位旋转手法和牵扳手法。
（一）材料和方法
共用7 例腰椎标本。腰椎自然解冻后，标本上下椎体用聚甲基丙烯酸甲脂包埋，仅露出中间的L3 一4 、以～5 、场一助三个椎间隙，将制备好的标本固定于生物力学材料实验机（二toi - altestingsystem , M 卫粥58Min ? taUSA ）应用计算机定量控制，模拟三种手法治疗时的状态。斜扳手法无任何荷载3 腰推单位单纯进行旋转15 。。坐位旋转手法腰椎前屈15 . ，纵向压力400N （体重一半）, 3 腰椎单位旋转巧”。牵扳手法腰椎前屈巧。。，纵向牵引力400N , 3 腰椎单位旋转15 ’。髓核内穿刺椎间盘内注水与医用三通管的压力传感器相连，再与SYll 型智能生理压力测试仪（徐州无线电机厂‘）相连，观测出模拟手法时椎间盘内压力变化的情况。扩大椎间孔于推间盘与相邻神经根之间放置引伸仪（exten 驹l 们Leter 623 , 32f 一02 ) ，与MTS 上计算机相连，观测出模拟手法时椎间盘与神经根之间是否有滑移及滑移的方向与大小。切开关节囊于小关节之间放置压敏片（日本富士公司），模拟手法后，取出压敏片，应用扫描仪扫描后，应用计算机程序计算出灰度，根据事先标定的结果测出腰椎小关节的应力。
（二）实验结果
椎模拟斜扳手法与坐位旋转手法时，髓核内压力均升高；牵扳手法时髓核内压力降低或轻度变化。模拟三种手法时神经根与腰椎间盘之间的位移差异无显著性意义，位移变化范围分别为，斜扳手法1 . 238 士O , 758 ? ，坐位旋转手法l . 4n 士0 . 769 ? ，牵扳手法1 . 4n 士0 . 769n 那1 。模拟三种手法时腰椎小关节内最大应力与平均应力差异无显著性意义。（三）机制探讨
腰椎间盘突出症等腰腿痛疾病大多数可经非手术治疗而好转，其中推拿手法是非手术治- 494 -
疗的重要治疗手段，国内学者虽然进行了一些生物力学的研究，但并没有完全阐明手法的作用机制。对于手法治疗腰椎间盘突出症的机制，在相当长的时间内，认为是手法治疗后突出的髓核“还纳复位”，实际仁并没有手法治疗后突出的的髓核“还纳复位”的确凿证据。有关腰稚间盘突出压迫神经根的机制主要有以下学说，牵张性机制：当椎间盘突出时，突出的椎间盘将神经根向后顶起，使得神经根的上下产生一定的张力，从而导致神经根病变，引起疼痛；压迫性机制：突出的椎间盘将神经根顶到狭窄的侧隐窝后壁上，产生挤压性压迫，造成患者的神经疼痛和神经症状。对于椎间盘突出物对神经根的压迫时的压力，Takah . hi K ．等进行了34 例患者的术中测量，压力范围为，一256 mn1Hg ，平均为53 ? Hg 。表明在椎间盘突出时活体的确有压迫神经根的证据。
笔者模拟不同的腰部推拿手法时，发现椎间盘与相邻的神经根有一个位移，出现位移后突出物不能将神经根向后顶起，去除了张力和对神经根的压力，解除了突出物与神经根之间的粘连，从而解除了患者的症状。对于有椎管狭窄的患者，由于有压迫性机制的存在，手法治疗时，神经根无缓冲的空间，这可解释椎管狭窄的患者治疗效果不理想。同时不同的旋转方向位移的方向也不同，腰椎旋前时，稚间盘相对神经根向前外方向滑移，腰稚旋后时，椎间盘相对神经根向后内方向滑移，对临床上不同类型的椎间盘突出选择合适的旋转方向和角度有一定的指导意义。三种手法的位移距离经统计分析没有明显的差异，在临床上都有一定的效果。对腰椎核内压的测量，国外学者在活体和尸体都进行了一些研究。但都是关于腰椎屈伸状态或不同负荷的研究，没有涉及腰椎的旋转状态。从本实验的结果看，模拟斜扳手法和坐位旋转手法时，椎间盘髓核内压力均升高，不支持髓核还纳的观点，在应用这二种手法时，应选择好适应证，防止出现意外。三种手法中，牵扳手法由于有纵向的牵引力，模拟此手法作用时，髓核内压略有下降或不变，从本实验的结果来看，牵扳手法治疗腰间盘突出症时，较为安全。关于腰椎旋转时小关节的作用的研究，UenoK 和匕un 咬应用三维有限元模型，模拟腰椎轴向旋转。当腰椎小关节完整时，施加的扭力距10 ％一40 ％通过小关恃传送，并且角位移较小，扭转时旋转轴心后移，小关节有减轻椎间后部纤维环应力的作用。当上位椎体按顺时针方向扭转时，只是从下椎体到上椎体顺时针走向的纤维处于张力下，抗扭转的环状纤维只有50 % ，纤维环应力在外层侧最易受损，这与临床显然不符，因此在无小关节损伤时，扭转未必是
椎间盘突出的原因。至于小关节损伤后，附着在脊椎后部结构上的韧带可能在抗扭转中起更大的作用。Kerin 叮等应用生物力学的方法，观测关节软骨骨折的限度，发现关节软骨表层骨
折开始应力范围为14 一59 MPa ，平均为35 7 Nlpa 。在本实验的条件下，应用压敏片测量小关
节内的应力，模拟不同手法时，各个对应腰椎小关节内最大应力和平均应力差异无显著性，但其最大应力小于14 MPa ，腰椎小关节不会发生小关节内骨折，在此旋转角度下，手法是安全的凸
总之，经系统模拟不同腰部手法的生物力学实验
位移，但由于活体的实际情况更为复杂
，发现稚间盘与相邻神经根之间有一相对
例如还应考虑炎症的因素，这只叮能是推拿手法治疗
腰椎间盘突出症等腰腿痛疾病治疗视制的一种有实际证据的解释升高，应注意其安全性。
，有的手法作用时髓核内压
（毕胜）- 495
第九节三维正脊仪的原理及临床应用
三维正脊仪是在原“成角旋转式多功能牵引床”的基础上开发研制的系列产品。该产品由北京中天普科技开发有限责任公司研制生产，并于1998 年10 月由卫生部科技发展中心组织通过技术鉴定。该仪器综合了普通牵引和传统医学正骨手法的优点，能自动实现牵引、斜扳、屈、伸、旋转复位等多项组合动作，同时配合医生的顶推、按压等手法，形成独特的三维正脊疗法，纠正病变椎间三维方向的变位，从而达到治疗腰椎间盘突出症的目的。
三维正脊仪的主要特点：
( l ）距离快速牵引，不引起人体伤害力的时间效应，病人基本上无痛苦。
< 2 ）定方向定角度的成角旋转，其剪切力和扭转力既能纠正病态椎间的旋转移位，又可起到松解局部组织粘连的作用。
( 3 ）共轨双向连续交替旋转，明显提高一次治愈率。
( 4 ）实现定病变节段治疗。使力的作用集中于病变区域，提高治疗效果。
操作方法：
根据患者的身高、体重、性别、年龄、发病部位、病变状态等确定牵引距离、成角方向、旋转度数，捆绑松紧度等数据，指令输人电脑。然后令患者俯卧于三维正脊仪，按照指令自动完成三维正脊治疗。治疗后按脊柱骨折搬运要求将病人送回病床。绝对平卧硬板床6 小时，三至五天内限制腰部活动。
针对三维正脊仪有关科研人员进行了一系列的生物力学实验。采用西门子双C 形臂X 线机即时电影记录人体在三维正脊仪牵引、成角、旋转的治疗中脊柱椎问隙动态变化的数据，并进行了人体实际定力情况恻定，以验证三维正脊仪所设定牵引距离的安全性。测试中三维正脊仪是根据患者身高，体重等设定的牵引距离，最小56 nml ，最大61 加扭。通过双C 形臂电影记录证实三维正脊仪所设定的牵引距离实际作用在人体使稚间隙增宽不超过2 ? , （实测最大增宽1 . 7 ～。）根据己有研究成果正常人体椎间隙在增宽2 ～以内不会造成伤害，正脊仪的牵引是在100 一300 此内完成，这种快速动荷载不会产生对人体伤害的里的时间效应。所以三维正脊仪根据患者情况所设定的牵引距离的O 一70 巾旧是安全的数据。三维正脊仪所设定的牵引力为3 600 一4 800N 。通过测力结果显示，仅在数毫秒的时间内作用于人体的力较大，但均不超过1 420N ，不会对腰椎造成伤害。
将新鲜尸体腰椎固定于生物材料实验机上，模拟三维正脊仪动作时的状态，采用引伸仪、压力感受器、压敏片等精密测量工具，观察正脊仪治疗腰椎间盘与神经根位置变化，小关节内压力变化。实验结果表明：在前屈、轴向牵引与旋转复合应力作用下，使椎间盘突出物产生一偏离神经根的位移，松解突出的间盘与神经根之间的炎性粘连，通过神经根相对位移来减轻或消除髓核突出物对神经根的刺激与压迫，从而达到改善或解除疼痛症状。
三维正脊仪在临床中使用治疗腰椎间盘突出症等腰椎病变取得了良好的效果，经30 余家医院的临床应用，有效率在90 ％以上。是一种较为理想的治疗腰椎间盘突出症的非手术治疗手段。
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参考文献
