背景:脊柱是人体的主要承重结构和躯干的活动枢纽,在承受极大压力的同时还需要保持一定的活动度,在人体力学结构中起到重要作用,而日常生活中人们不恰当的负重和活动会导致椎旁肌的劳损并加速腰椎的退变。目的:研究在无负重和使用双肩包、单肩包及手提包时,随着重量的变化,椎旁肌收缩力的变化、腰椎椎间压力的变化以及腰椎椎体、椎间盘应力分布情况的改变,进而评估随着负重重量的变化,不同负重方式对腰椎的生物力学影响。方法:构建无负重和使用双肩包、单肩包及手提包时的人体骨骼肌肉模型和腰椎三维有限元模型。将质量为体重5%、10%、15%、20%的负重分别添加在各个骨骼肌肉模型中,进行反向运动学计算,对比随着负重重量的增加3种负重方式下椎旁肌收缩力和椎间压力的变化。将椎旁肌收缩力和T12-L1椎间压力添加到腰椎有限元模型中进行仿真计算,分析椎体、椎间盘和韧带随负重重量的增加的应力变化。结果:与无负重相比,使用双肩背包时各椎旁肌收缩力的增加较小且左右均衡,使用单肩包时负重侧椎旁肌收缩力更大,而使用手提包时非负重侧收缩力最大。3种负重方式下从头侧到尾侧的腰椎椎间压力依次增加。随着屈曲角度的增加,三种负重方式下的椎旁肌收缩力和椎间压力均增加,使用双肩包时两者的增量最小,而使用单肩包时最大。负重的重心越偏向一侧,左右侧肌肉收缩更加不平衡,总体肌肉收缩力更大;但是肌肉的收缩同时对抗了不平衡的重心,使得即使在单肩包和手提包时,髓核和纤维环的应力分布依然保持左右对称。在直立时腰椎间盘的应力集中于其后部,纤维环应力集中于其前部,腰椎椎体的应力集中于椎弓根及椎体前部。随着负重重量的增加,腰椎髓核和纤维环的峰值应力在使用双肩包和单肩包时大致呈线性增长,而在使用双肩包时呈指数形式增长。结论:相同负重重量下,使用双肩背包时各椎旁肌的整体收缩力最小,椎体及椎间盘的应力分布更加均匀,且峰值应力更小;随着背包重量的增加,使用双肩包时的肌肉收缩力、纤维环和髓核的峰值应力增加也最少。使用手提包时椎旁肌收缩力、椎体及椎间盘的峰值应力最大,对腰椎产生更大的负荷。当手提包的重量大于体重的15%时,纤维环和髓核的应力激增。因此在日常生活中携带重量超过体重15%的物品时,应尽量避免采用手提的方式,可以有效减少腰椎的负荷。