第二节　脊柱组织的生物力学特性

一、椎骨结构

椎骨可近似地看作为弹性材料，椎体（如松质骨）的弹性模量一般是在2.2×105至3.5×105ps之间。椎骨网状结构的功能是抵抗轴向应力（R）（载荷）和弯矩（M）。宏观上，作用力是通过骨小梁传递，而在微观上，作用力是通过骨小梁中原子的聚集而传递的。骨骼对所加载弯矩的抵抗能力，取决于这种物质的弹性模量。弯矩使得骨内产生应力或应变梯度。载荷应力使得骨骼发生变形。

1.椎体

椎体在承受压缩负荷方面起重要作用，不同椎体承受负荷所占体重的百分比均有所不同，总的趋势是自上而下逐渐增大，由腰1~腰5，分别为50%、53%、56%、58%和60%。椎体的强度随年龄增长而减弱，尤其是40岁以后表现得更为明显。当椎体骨量减少25%时，其抗压强度可减低50%，而这一变化与椎体松质骨抗压强度的变化基本平行。

椎骨依赖其先天性的构造来抵抗各种应力的作用。从本质上讲，椎骨几乎全部是由松质骨构成，只是其外部包裹着一层坚硬的骨外壳。椎骨的骨小梁呈细小的杆状结构，是抵抗强大的由上至下的轴向应力（R）的组织结构。骨小梁的功能类似于屋架，这种束样结构在于将作用于椎体各个面上的力量均匀地分散开来。

扫描电镜（SEM）显示椎骨骨小梁的形态呈片杆状结构，也有人称之为束样结构。椎骨的骨小梁依据力线的作用方向而呈3个方向的排列（图3-7）。由于椎骨的轴向应力最大，因此在垂直方向上的骨小梁最为坚硬。骨小梁依正常应力的轨迹方向（轴心力）而排列，以发挥其最大的生物力学功能。也就是说80%的椎骨表面载荷是通过其骨小梁传递的。呈水平走行的骨小梁起着侧方支架的作用，以防呈垂直状的骨小梁弯曲变形。

椎体皮质骨与松质骨承受压缩负荷的比例与年龄有关：40岁以前分别为45%和55%，40岁以后则达到65%和35%。松质骨在被破坏前可压缩9.5%，而皮质骨仅有2%，这说明皮质骨在压缩负荷作用下更容易发生骨折。骨小梁结构的强度与垂直小梁的厚度和水平小梁之间的距离密切相关，而向心性的凹陷圆形的终板分散了局部应力可使腰椎承载1000kg或更多。谭氏等认为：①皮质骨的薄壳结构具有承重和分散应力的作用；②松质骨的三维结构有利于均匀承载来自终板的压应力；③椎体中部位于向心性凹陷的皮质骨和轴心致密皮质骨间的横行骨小梁对椎体轴向承重具有动力性强化作用；④皮质骨形成的封闭腔室可加强多孔材料的硬化效应。

椎体在40岁之前可承受大约8000N的压缩负荷，40~60岁时降低至55%。60岁以后则进一步降低到45%，当椎体因压缩而破坏时，终板总是首当其冲。其骨折形式可分为三种类型：中央型骨折、边缘型骨折及全终板骨折。终板及其附近松质骨的骨折可影响其本身的通透性，从而破坏椎间盘髓核的营养供给。即使骨折愈合后通透性仍然受到妨碍，从而导致椎间盘的退变。这一薄弱区域也可能被髓核穿过向椎体内凸，形成所谓Schmorl结节。

从机械学上讲，骨骼的组成不仅包括弯矩、压力和张力这一对力偶，而且还包括应力和应变。拉应力和压应力也被称为是正常应力，因为这种分散外力垂直地作用于受力面上。如果受力面呈倾斜状，那么作用于骨骼上的应力将被分解为两部分，一是正常应力；另一个是切线应力或称为剪力。另一方面，如果骨干的形态发生了变化，则称之为应变。应变可以作为一个衡量骨骼变形程度的尺度。在骨骼中，应变率改变很少超过3%。剪切应变的定义是：当加载后，骨骼相邻界面间的角度从90°变至β角，以测量弧度的变化。

应力与相应应变的比率被称作弹性模量。研究发现，假如没有超过待测物质的弹性极限，那么这一比率将是恒定的。应力与应变的线性关系被称作Hooke定律。弹性以Young模量来表示，其内容是拉应力与应变的比率以及压应力与应变的比值相等。

2.后关节

后关节是后柱的最重要结构，对维持节段稳定性具有重要的作用。后关节的生物力学作用如下。

（1）载荷作用：

关节突关节的生物力学功能主要是承受压缩、拉伸、剪切、扭转等不同类型的负荷，并在此基础上提供一定范围的生理活动。

腰椎小关节在水平方向缺乏光滑的关节面，生理上并不是用来承受压缩负荷。Shirazi报道通过小关节面的轴向压力为2%~3%，且与运动节段的屈伸-旋转的程度有关。Kim通过对腰椎节段的有限元分析测得小关节的承受力为轴向负荷的4%~10.9%，且小关节载荷的增加与节段的屈伸-旋转运动的减弱有关。当脊柱最大前屈时小关节的承载为最小，中立位时达3%~30%，最大后伸时承载比例可上升到原来的2~3倍。

关节突关节承受拉伸负荷主要发生在腰椎前屈时，此时上、下关节突可相对滑动5~7mm，关节囊所受拉力为600N左右，而正常青年人关节囊的极限拉伸负荷一般在1000N以上，大约相当于人体重量的两倍。关节囊受到牵拉后，其应力-应变曲线表现为两个波峰，这可能是因为关节囊由不同长度的纤维组成，以适应不同类型的负荷。一般认为，腰椎受到过屈暴力时先受损伤的是棘上韧带和棘间韧带，而在侧屈暴力作用下则以关节囊首当其冲。

后关节对前屈载荷的抵抗主要由关节囊韧带提供。腰椎前屈时，关节囊承受39%的拉伸负荷，椎间盘为29%，棘上和棘间韧带为19%，黄韧带为13%。小关节囊韧带主要由胶原纤维组成，短而坚强，不易拉伸。Cyron研究证实小关节囊韧带十分坚硬。Hedman研究发现，当小关节囊被切除后，负荷400N时，关节活动度增大20%~35%。研究证实，当关节突关节被切除后，腰椎活动节段所承受的极限压缩负荷有明显的减低。另外还有人证明关节突关节在动态条件下也承受压缩负荷。

腰椎小关节对后伸载荷的抵抗作用众说不一。Sharma研究发现，后伸运动开始时，椎间盘对抗后伸起主要作用（96.8%），而至极度后伸时小关节起较大作用（39.7%）。李慧友发现，单侧小关节切除范围超过1/2将导致脊柱失稳；董凡研究认为一侧小关节切除对后伸运动无明显影响，但是全椎板切除或后部结构全部破坏后，常常导致后伸运动明显增大。

（2）导向作用：

在腰椎运动节段中，上椎体的下关节突与下一椎体的上关节突相咬合，从而引导和限制了该节段的运动。由于其关节软骨间的咬合以及关节囊内外脂肪垫及小关节面之间的可移动性，使腰椎小关节适宜于轴向旋转运动。Mcfadden等还观察到小关节上下关节突之间还有矢状面上的滑动，但是报道的关于腰椎旋转运动范围的数据相差甚远。侯筱魁指出腰椎的旋转运动并非是单纯的轴向旋转运动，而是侧弯和前屈或后伸综合在一起的组合运动。

腰椎关节突关节的轴向旋转范围很小，大约在1°左右。实验表明，当轴向旋转范围超过1°~3°时即可造成关节突关节的破坏。一些作者提出，限制腰椎的轴向旋转活动是腰椎关节突关节的主要功能。

（3）抗剪力作用：

大多数学者认为，作用于腰段脊柱的剪力主要由小关节来阻抗，而椎间盘则主要承受轴向压力。实验表明，在剪切力为100N时，小关节抗剪切力作用占总载荷的0.63%，在剪切力为370N时，则占总载荷的41%。实验还发现小关节抗剪切力的能力，随关节面与矢状面夹角的增大而减少。当腰椎承受剪切负荷时，关节突关节大约承受了总负荷的1/3，其余2/3则由椎间盘承受。但由于椎间盘的黏弹性受负载后发生蠕变和松弛，这样几乎所有的剪切负荷均由关节突关节承受，而附着于椎弓后方的肌肉收缩使上、下关节突相互靠拢，又在关节面上产生了较大的作用力。还有人认为关节突关节仅承受向后的剪切力，而在承受向前的剪切负荷时不起主要作用。承受剪切应力时，由于椎间盘存在蠕变和负荷松弛效应，因此小关节承受的剪切负荷逐渐增大。同时由于附着在椎板后部肌肉的收缩，小关节相互靠拢，产生很高的作用力。

腰椎关节突关节的不对称也可引起腰背疼痛。据统计，76名正常人中，21人存在腰4、5，或腰5、骶1关节突关节的不对称，占27.6%；而在73名腰椎手术患者中关节突关节不对称者84例，占48.6%，其比例明显高于正常对照组，提示关节突关节不对称与某些腰椎疾患特别是腰椎间盘突出症可能有一定联系。Farfan和Sullivan观察了78名腰椎间盘突出症患者，其中有76人存在关节突关节的不对称，一侧方向偏冠状位而另一侧偏矢状位。他们还注意到这些患者中有94.7%的椎间盘突出发生于关节面方向偏冠状位的那一侧，认为关节突关节对腰椎轴向旋转活动的作用可保护椎间盘免受损伤，而关节突关节的不对称使冠状位的关节面受到较大剪力，因而该侧椎间盘纤维环容易被撕裂。Cyron和Hutton用尸体腰椎标本完成的实验表明，当关节突关节不对称的腰椎活动节段承受扭转负荷时，其轴向旋转总是更倾向于关节面呈矢状方向的那一侧，从而推测该侧关节面受力较大以至发生退行性改变。而此时关节软骨及软骨下骨如存在有不连续或不平滑则可使这一趋势加剧，一方面可导致腰椎不稳，另一方面也会引起疼痛。Murtagh等还发现在腰椎退变性疾患病人中关节突关节不对称者比例高达50%。

3.椎弓

对于椎弓的生物力学特性目前知之甚少。一些力学实验表明，椎弓的破坏多发生于椎弓根及椎弓峡部，有人采用三维有限元方法进行分析，证实这两个部位均为应力集中区域。但椎弓根部的损伤临床上非常少见，多数椎弓峡部裂患者亦无明确外伤，故目前多数意见认为腰椎椎弓峡部裂实质上系由局部应力异常增高所导致的疲劳骨折。

4.椎板

椎板在脊柱生物力学方面的认识主要来自对医源性脊柱失稳症的研究。Eiselsbery于1930年首次报告了一例因T9-12全椎板切除手术后1年的病人出现了明显的脊柱后凸，从而椎板切除术后并发脊柱失稳及畸形逐渐引起人们的关注。

脊柱稳定性的维持主要靠骨性结构及韧带结构的完整及肌肉组织。这些结构破坏或失去功能，可出现椎体间的病理活动。椎板切除尤其是全椎板切除，去掉了棘突及椎板。在年轻个体，可能使后部结构的生长发育失去平衡；在成人则可使这些维持稳定的结构受到破坏而出现失稳或畸形，同时还可能使肌肉失去起止点，减弱或丧失肌肉的外源性稳定作用。实验表明，椎板结构对椎体角度位移稳定起较大作用。

二、椎间盘

椎间盘由中央的髓核、周围的纤维环及上下端的软骨终板所组成。椎间盘在腰椎三维运动中起到类似于滚珠轴承的作用，并在承受突然外力的情况下，起到吸收震荡的作用。

1.髓核

髓核前缘最厚，左、右缘次之，后缘最薄。胶原、蛋白多糖和水构成了椎间盘髓核基质的主要成分。蛋白多糖以水化的凝胶状态填充在胶原纤维构成的网眼中，其分子体积可压缩到疏松状态的20%。从流体静力学角度来说，这种胶状基质是均质各向同性材料，具有黏滞流体的特征，可产生一个抗压强度，使髓核具有弹性和膨胀性能，维持髓核在压力中作用下不被压缩。Nachemson（1981年）的研究结果显示：椎间盘具有预应力，在不同载荷和不同的体位姿势下，椎间盘内压也不尽相同。正常的髓核都起到向各方向均匀传递应力的作用，以避免纤维环某一方向过多的承受应力；髓核摘除后腰椎节段的压缩，剪切和扭转刚度及扭转强度均有明显的降低，在递增的负荷下水平位移显著增加，三维运动范围明显增大。

2.纤维环

纤维环是一种多板层构筑，使其能承受各种方向的运动，但是各板层的厚度并不均匀一致，各板层的胶原束的排列也松紧不一。胶原含量纤维环内层低于外层；后外侧低于前外侧，特别是后外侧内层胶原含量明显降低。弹力纤维存在于椎间盘与椎体的连接组织内，纤维环弹力纤维分成多个细支以不同的方向结合于软骨终板或以夏皮纤维形式结合于椎骨骨小梁上。弹性蛋白是椎间盘重要的组成成分，与胶原及终板构成密闭的弹性容器，完成椎间盘对外力的缓冲作用。当椎间盘承受压缩负荷时纤维环将产生张应力，无论脊柱承受的是哪一种类型的负荷，其纤维环的某一部分总会有张应力产生。椎间盘被压缩后纤维环外层纤维沿纤维排列方向产生较高张应力，而轴向张应力却比较小。与外层纤维相比，内层纤维的应力类型相同但量值却要小得多。一般来讲，纤维环的前方和后方抗拉强度最高，而侧方相对较低，抗拉能力最弱的是纤维环的中央部分纤维与髓核。

3.终板

终板构成了椎间盘上、下面的外层，中央较薄，边缘增厚隆起，形成一环状骨突。终板边缘是真正意义的皮质骨，而中央部分菲薄、多孔，是由融合骨小梁组成的薄膜样结构。终板提供了纤维环的锚定部分，并对松质骨小梁有着结构上的支持作用，特别当椎体骨矿物质含量减少时作用更为明显。

腰椎间盘在压缩负荷作用下所得的负荷-变形曲线呈S形，这提示椎间盘在低负荷时主要提供脊柱的柔韧性，并随负荷增加而加大刚度；当高负荷时则提供脊柱的稳定性。虽然高负荷可造成椎间盘的永久变形，却无法造成纤维环的破裂与髓核的突出，即使切开后外侧纤维环亦无济于事。当加大压缩负荷直至超过极限，最先发生破坏的始终是椎体，而与椎间盘正常与否无关。

椎间盘还具有黏弹性，主要表现为蠕变和松弛。所谓蠕变系指在一段时间内在负荷持续作用下所导致的持续变形，也就是变形程度因时间而变化。而应力松弛或负荷松弛则指材料受负载后变形达一定程度时应力或负荷随时间而减低。椎间盘的黏弹性使其自身能够有效地缓冲和传递负荷，负荷量越大，所产生的变形就越大，蠕变率也就越高。已有研究发现，腰椎的前屈范围在正常情况下傍晚要比早晨大5°左右，而向尸体腰椎活动节段施加前屈蠕变负荷以模拟一天的活动时发现其抵抗前屈的能力明显减弱。这说明前屈负荷在早晨所产生的应力更大，腰椎也因此更容易受到损伤。

椎间盘的退行性改变对其自身的黏弹性亦有明显的影响。当椎间盘发生退变后，蠕变率与初始松弛率均增加，达到平衡所需时间也相应缩短，达到平衡时的负荷也将减低。这说明椎间盘发生退行性改变后缓冲和传递负荷的功能相应减弱。

椎间盘的黏弹性还表现为具有滞后特性（图3-8）。滞后系指黏弹性材料在加载与卸载过程中的能量丢失现象：卸载后负荷-变形曲线如低于加载时，则表示有滞后现象出现。通过滞后这一过程，椎间盘可有效地吸收能量而使人体免受伤害。椎间盘的滞后程度还与年龄、负荷量及节段有关。

对椎间盘的应力分析表明，纤维环的切向应力由内向外逐渐增大。而压应力以髓核为最大，向外逐渐减小并转为拉应力。研究证实，在人体腰椎间盘纤维环的后侧及后外侧有一应力集中区域，这恰好与临床上腰椎间盘纤维环破裂、髓核突出的好发部位相吻合。从生物力学的角度分析，腰椎间盘的前侧及左右两侧均较厚，比较薄弱的突破口是在后侧与后外侧，其厚度仅及前方和两侧部分的1/2，承负能力也相对较弱。这样，尽管纤维环在轴向压缩负荷下一般并不会发生破裂，但长期持续的负荷可造成纤维环后侧的损伤从而使其结构相对薄弱，此时即使是相对较小的负荷也可能导致纤维环的撕裂。

三、韧带

绝大多数的生物组织都呈非线性应力应变关系，尤其是软组织更表现为非线性弹性。而各向异性是指同一材料沿着不同方向上的力学性能存在着明显的差异。黏弹性是指该材料的卸载曲线与加载曲线不重合，当生物组织发生变形时有能量散失。

几乎所有的医学院校的解剖学教材都将韧带组织描述成非常简单的组织结构，而事实上韧带的组织结构极其复杂，以完成韧带的复杂生理功能。可以将韧带组织分为两大类：①运动系统中的骨连结韧带；②内脏器官的支持韧带。

大部分骨连接韧带呈条索状、片状或囊状结构。显微镜下观察显示，韧带是由单个纤维构成，这些纤维束由众多的胶原和呈长细扁平状的成纤维细胞或纤维细胞紧密排列所构成；纤维间相互平行延续，大量的纤维在一起聚合成为更大的纤维束。组织切片显示韧带为规则的、由波浪状细胞和基质所构成组织结构，组织学将其称之为“皱褶”的矩形结构。这种呈皱褶状的组织结构在韧带拉伸和收缩时充当减压器的作用，与韧带的机械力学功能关系密切。然而，当皱褶被拉伸超过其生理限度时，将发生不可逆性损伤。此时，韧带的力学结构受到破坏。

骨连接韧带中大约2/3的重量是水，剩下重量中的1/3是胶原。其中90%以上的胶原组织为Ⅱ型胶原，Ⅲ型胶原只占很小的比例。这些胶原纤维和纤维束被横向的链状胶原和弹性蛋白束缚在一起。尽管胶原的性质很稳定，但也会逐渐发生退变，可被其他组织所取代。除了弹性蛋白外，大约0.5%的韧带干重部分是葡糖胺聚糖（以前称为黏多糖）。葡糖胺聚糖可以与水分子结合，以维持韧带的黏弹特征。

1.韧带的基本生物力学性质

脊柱韧带主要有三个基本功能：①机械力学作用；②向心传递韧带中的张力信号；③疼痛发生中的刺激神经作用。尽管脊柱韧带与脊柱的退行性变、脊柱不稳及脊背疼痛有关，但目前对其所知甚少。脊柱韧带的机械特征与体位姿势的变化有关。

（1）韧带结构及其应力-应变曲线：

韧带的基本生物学特性是它的黏弹性，而其黏弹性又取决于损伤时间和病史，所有韧带的机械力学特性均由以下3点所决定：①胶原纤维和弹性纤维的各种机械力学特性；②胶原纤维与弹性纤维在韧带中的相对比例；③纤维的走行方向。例如，在韧带变形达到6%~8%的时候，其胶原纤维的力学结构可发生破坏。而弹性纤维则可耐受最高达到20%的拉伸变形。但弹性纤维能耐受的应力仅为胶原纤维所能耐受应力的20%。同样，韧带的大小、形状以及载荷速度等都可影响到韧带的强度，这可以用在达到韧带力学结构损伤时的应力总和来表达，而韧带的弹性能力随年龄增加而减弱。

体外实验研究得知，韧带的应力-应变具有非线性特点，其应力-应变曲线图的起始段开口向上，表明随着应变的增加，曲线的坡度也增大；而后曲线渐成直线，最后在韧带的力学结构破坏后，其应力-应变曲线的开口向下（图3-9）。Frank等将韧带的大体结构和微细结构变化与韧带的应力-应变的S形应变曲线中的不同部分联系起来进行研究。在图中的1点到2点之间，当韧带被逐渐拉伸时，越来越多的韧带纤维受到牵拉，而变得紧张，韧带中的纤维皱褶也被慢慢地拉伸变直，而以前较直的韧带纤维，此时在拉伸力的作用下，变得更直。由于韧带纤维皱褶变直的先后顺序不同，因而可出现韧带的应力-应变曲线的S形起始段开口向上，随着更多的韧带纤维被拉伸紧张，韧带内应力逐渐增加到韧带纤维的满载荷量，也就是说，此时的韧带应力-应变（载荷变形）曲线成为直线形，这是图3-9中所示的点2与点3之间的一段直线。当显微镜下观察到韧带纤维开始撕裂时（此时，韧带纤维的力学结构受到破坏），S曲线升至最高点4点。而后，当韧带纤维的力学结构受到完全破坏时，应力-应变曲线变得开口向下。应力-应变曲线的平均斜度与韧带材料的强度有关，其曲线的峰值所表示的是材料应力的指数。韧带撕裂的部位随韧带的不同（如结构特点等）以及载荷量的差异而有所不同。

韧带于骨骼附着点处的组织结构较韧带本身要更加复杂，骨骼韧带不是简单地通过Sharpeys纤维附着在骨骼之上，Sharpeys纤维的带孔纤维只是整个韧带附着体的一小部分，大部分的骨骼韧带是逐渐穿过多层纤维软骨和钙化的纤维软骨后抵达并附着到骨骼组织当中的，有些附着纤维直接连接到骨膜上。韧带这种有组织的附着方式可防止因应力集中所造成的韧带纤维附着处软组织界面或骨界面被撕裂现象的发生，将应力分散于较大三维面积上，以避免应力的集中，因而可有效地降低韧带损伤的发生率。应变率表达可阐明在快速载荷作用时，韧带中部纤维较其两端纤维容易被撕裂的原因，韧带在高载荷作用下会变得更加坚硬和有力。

（2）韧带的应力松弛效应：

当韧带在张力作用下达到一定长度时会出现应力松弛状态，一定时间后，韧带内的应力较作用初期明显地降低。同样，如果韧带被循环（反复）载荷至某一长度时，其最大应力值会明显地减少。

（3）韧带的预应力：

Nachemson和Evans注意到在正常体位时，黄韧带对椎间盘构成一定的前置压力，这种在韧带纤维中固有的张力叫预应力。Hukins等人认为前纵韧带和后纵韧带与其他韧带纤维相同，都具有保持正常体位的预应力。一般认为，这种预应力在椎间盘承受内部压力增大时起到稳定和平衡的作用。应用数学计算公式，可以计算出韧带的这种预应力。

（4）韧带的结构强度：

到目前为止，未见有关脊柱不同韧带的强度详细研究，但Sances等注意到寰枕部和腰部的韧带最有力。1988年，Myklebust等认为前纵韧带和小关节囊韧带最坚韧。最薄弱的韧带是后纵韧带和棘间韧带。在韧带全长上，后纵韧带在腰段最有力；而黄韧带在中颈段最薄弱，在下胸段最坚韧。脊柱小关节囊韧带的载荷-变形曲线在胸腰交界和颈胸交界段的应力值最大，表现为两个峰值。棘间韧带是所有脊柱韧带中最薄弱的，且只有第7颈椎至第1骶椎段才有棘上韧带。

（5）韧带的应变：

从1982年以来，一些研究人员在不同的体位姿势下对脊柱韧带的功能进行了测量，Myklebust等对所有脊柱韧带的力学结构进行破坏检测，Panjabi等首次利用三维的方法，检测了脊柱韧带在维持体位时的应变。由于韧带的位移很小（通常在任何方向上的位移小于±2mm），因而，他们提出力矩主要引起旋转，这种旋转更具有临床意义，轴向旋转可使小关节囊韧带产生明显的变形，而对其他韧带则无明显的影响；前纵韧带只有在脊柱后伸时发生变形。

（6）韧带的本体感觉反馈作用：

韧带引导着脊柱关节面的正常运动，使关节在其运动极限范围内活动，可防止关节的非生理性脱位。然而，韧带还在活体内起到固定和稳定关节的作用，使关节面保持一定的压力并具有维持关节本体感受器的反馈作用。韧带的这些功能在关节的发育和生长过程中起着非常重要的作用，如对关节软骨的保护作用、控制关节液的分泌和中枢神经系统所需的关节位置的信息反馈等。由于脊柱韧带具有这些重要的生物力学性质和特殊解剖学特征，使得脊柱能够完成复杂的运动生理功能。

2.不同韧带的特性

（1）前、后纵韧带：

脊柱的前部和后部均有坚强的长韧带——前后纵韧带包裹，对前、后纵韧带所作生物力学测定发现两者的破坏应力相近，分别为21MPa和20MPa，但预张力和破坏负荷却均相差很远：前纵韧带的预张力是1.8N，破坏负荷为340N；而后纵韧带的预张力是3.0N，破坏负荷为180N。前、后纵韧带均能限制脊柱的过屈活动。

（2）黄韧带：

黄韧带的椎板间部分弹力纤维为头尾走向纵行排列，关节囊部分则在颈段无弹力纤维，而在胸段和腰段弹力纤维均为斜向排列。黄韧带中弹力纤维的比例高达60%~80%，几乎完全呈现出弹性特性（图3-10）。黄韧带的应力-应变曲线与弹力纤维相近，其产生的预张力可防止韧带本身在脊柱后伸时产生皱褶或弯折而凸入椎管，从而使脊髓、马尾及神经根在脊柱的充分屈伸活动中得到保护。当黄韧带发生退行性改变后，弹力纤维含量明显减少，而胶原纤维含量则相应增加，甚至成为黄韧带的主要成分，由此可导致黄韧带弹性的明显降低，容易出现皱褶或折叠而凸入椎管。

四、肌肉

腹壁肌肉与膈肌的共同收缩可使腹内压增高，腹压的增高可使腰椎后伸从而使后伸所需的背肌活动相应减少，而且腹肌的收缩同时也产生前屈弯矩。据计算腹内压升高时所产生的后伸弯矩要大于前屈弯矩，这一机制在提物活动具有十分重要的意义：随着躯干前屈和所提重物的增加，腹内压也增加，这对稳定脊柱与减轻椎间盘压缩负荷起了重要作用。有人提出运动员在举重时由于腹内压的升高可使因骶棘肌收缩而产生的腰椎负荷降低40%。

脊柱的运动及不同姿势需要肌肉的外源性支持。据研究，去肌肉的尸体脊柱在所承受的压缩负荷超过20N时就会发生弯曲。神经与肌肉的共同协同不仅提供了脊柱的生理活动，而且维持其稳定。主动肌引发并进行活动，而拮抗肌控制和调节脊柱的活动。

放松直立时腰椎后方的肌肉活动通常较弱，腹肌虽然亦有较微弱的活动，但一般不与背肌活动同时进行。这说明站立并不意味着绝对的静止，身体重心向前、后侧方的移动均需要相应的肌肉间歇活动来维持。即使身体处于良好的平衡状态，重心的移位也将导致弯矩的产生，因而需要肌肉活动的平衡。除骶棘肌外，腹肌亦经常参与维持躯干的直立姿势。肌肉活动的强弱程度因人而异并取决于脊柱的解剖形态，例如腰椎的前凸程度等。