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1、脊柱的生物力学脊柱的生物力学 基础理论 - 生物力学 脊柱是人体的中轴，由脊椎骨、椎间盘、椎间关节和椎旁各关节、韧带及肌肉紧密连结而成。椎管是各脊椎的椎孔连贯而成，内容脊髓。成人整个脊椎从正面观为一直线，从侧面观分为四个弯曲，颈部向前屈凸，胸部向后凸，腰部向前凸，骶部向后凸。这些弯曲是适应人体直立行走的姿势，在生长发育的过程中逐步形成。初生婴儿脊柱是向后凸成弧形的，随着可以抬头及起坐，颈部前凸即逐步出现，胸部后凸也显得明显，等到学会行走后，颈部和腰部的向前弯曲才显著发展形成。脊柱的功能为：支撑体重、传递重力；保护脊髓和神经根；参与形成胸腔、腹腔及骨盆腔；支持和附着四肢与躯干联系的肌肉和筋膜。脊
2、椎的生理生物力学 脊椎有前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的运动功能。髓核成为杠杆作用的支点。由于生理弯曲的存在，胸椎椎间盘髓核在中间，而颈椎及腰椎髓核偏后。其髓核前方纤维环较后侧强而厚，前纵韧带亦较后纵韧带强而有力，当仰头伸腰时，椎间盘后方受挤压，髓核向前移动，反之，低头弯腰时，髓核向后推挤。如用力过度，后纵韧带和后方纤维环易发生损伤破裂，而使髓核发生突出，尤其在椎间盘发生蜕变的基础上更易发生椎间盘突出。由于脊椎各段的关节面排列方向不同，其旋转轴心亦各异。后关节面颈椎近似水平面，胸椎呈冠状面，而腰椎呈矢状面。同时由于各段椎间盘中髓核位置不同，在脊柱运动时颈部和腰部旋转的轴心位于椎管后部和椎板联合
3、处，胸椎的旋转轴位于椎间盘中心。脊椎的病理生物力学整条脊柱以颈、腰段活动度最大，故较易受伤。因胸椎有肋骨胸廓的支撑，受伤机会相对较少，但人们用双臂劳动，肩胛区软组织劳损则相对较多。当老年颈椎胸椎椎间盘蜕变而引起椎间失稳时，肩胛区软组织劳损即加剧，下颈上胸段脊椎失稳易发生脊椎错位，继而引起内脏功能障碍。颈椎处于负担较大重量的头颅与活动较少的胸椎之间，活动度大又要支持头部平稳，故易致劳损，由以下位颈椎多见。腰椎亦处于较稳定的胸椎与骨盆之间，为人体之中点，在运动中受剪性应力最大，并在脊柱形似宝塔的结构中处于基底部位，承受重力最大，故亦易受劳损。其发病率以下腰椎椎为多见，因腰椎做伸屈运动时，其运动范围
4、月75%发生在第五间隙，20%发生在第二间隙，只有5%发生在第13间隙。 由此可见，各段椎体在传递重力及旋转运动中，由于各段后关节方向不同，当用力过度或用力不当，较易损伤脊椎各段交界处。临床常见的枕寰关节错位引起头晕头痛，颈胸交界处错位引起颈肩综合征，胸腰交界处错位引起肠功能紊乱。1 脊柱运动的生物力学平衡 人体脊柱是一个“稳定”的轴，脊柱被稳定在一个静态平衡的功能位置，或被稳定在一个能 发挥良好功能的动态平衡的功能位置。1.1 肌肉的力学平衡作用：肌肉是维持脊柱平衡、稳定的重要因素。在脊柱的前、后、左 、右均有力量相等、方向相反的力量来维持这种平衡。脊柱的屈肌（如腹直肌、腹内肌、外 斜肌、腰
5、方肌和腰大肌等）与脊柱的伸肌（如骶棘肌、多裂肌等）相互平衡，脊柱两侧的屈 肌也维持着这种力学的平衡。在脊柱的运动过程中，这两种平衡的力学因素相配合，协调地 完成脊柱的生理功能。1.2 脊柱周围韧带和关节突关节的力学作用：脊柱韧带的功能主 要是为相邻脊柱提供恰当的生理活动，同时也可产生所谓“预应力”以维持脊柱的稳定。当 肌肉使脊柱屈伸时，韧带作为肌肉的后备力量，补充肌肉力量的不足，同时可防止脊柱的过 屈、过伸、发挥其控制和保护功能。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。其中腰椎 关节突关节承受的压缩负荷占腰椎总负荷的。它的
6、轴向旋转范围大约在左右，超 过即可造成关节突关节的破坏。因此限制腰椎的轴向旋转活动是腰椎关节突关节的主要 功能。同时，这种限制作用可以保护椎间盘免受损伤。1.3 椎间盘的力学调节作用：椎间盘位于两椎体之间，能缓冲外力、吸收震荡。髓核是椎 间盘结构中的重要组成部分，尤其当椎间盘在承受负重时更为重要。椎间盘的负荷是复杂的 ，负重或运动时，椎间盘所承受的力有压缩力、屈曲力和剪切力。髓核有粘、弹、塑等力学 特性，主要表现在蠕变性和滞后性方面。粘弹性减退将衰减对抗冲击与吸收震荡的能力，滞 后性特性与椎间盘的年龄有密切关系，越是年轻，滞后特性越好。当脊柱承载负荷时，腰椎间盘的髓核将承受最大压缩应力。腰椎间
7、盘前侧及左右两侧均较厚 ，而后侧与后外侧的厚度仅为前方和两侧部分的，承负能力也相对较弱。长期持续的 负荷可造成纤维环后侧的损伤，导致纤维环撕裂，髓核突出。1.4 脊柱弧度的形成及其力学意义：脊柱弧度的形成是为了适应功能的需要。从正面看， 脊柱是直的；从侧面看，脊柱有四个弧度（颈椎向前凸，胸椎向后凸，腰椎向前凸，骶椎向 后凸）。弧度的功能是为了承受负荷压力。根据机械力学的原理，阻尼越大，承受负荷的能 力越大。弧形柱的阻尼（Resistance）等于弧数（）的平方加，即2，呈 正比例关系。脊柱是一弧形柱，假如是一直的脊柱，其阻尼是1（0211）；有三 个弧度时，其阻尼是（32110），即倍于直立的
8、脊柱。2 腰痛的发生与脊柱生物力学的改变 在日常的生活和劳动中，人体经常处于力学动态状态。当姿势不良、外伤或出现老年性退化 改变时，脊柱某些部位的功能将发生障碍。从力学角度来看，其结果是人体必然出现保护性 反应抵抗冲击，即以“不平衡”来调节“不平衡”，以达到一种“病理平衡”，其与“生理 平衡”有质的区别，它实际上还是一种脊柱力学平衡的失稳，会发生脊柱功能的紊乱而引起 疼痛，同时因为腰段脊柱所承受的载荷远大于脊柱的其它部位，所以腰痛的发生也就较为常见。2.1 脊柱的静力平衡失调腰痛：人体站立时，脊柱的伸、屈肌力量相等，方向相反 。这种静力平衡可因某些因素而破坏。如某些肥胖患者，腹壁脂肪较多，脊柱
9、的屈肌腹壁 前部肌肉可因长久日重力牵扯而受损，日久势必造成一定程度日减损，从而破坏伸屈肌的力 平衡，导致腰背肌的伸肌力量相对增强，腰椎生理前凸增大。另外，若长期挺直端坐，可使 腰段脊柱的载荷降低，使骨盆前倾，也会导致腰椎前凸增加。这样可使小关节相互挤压，使 椎体间的力量传递（外力、重力等）过多地通过椎体和椎间盘的后部，久之必然导致小关节 损伤以及关节面和关节滑膜劳损。椎弓峡部也会因为应力的增大增加其峡部裂发生的机会。 椎体、椎间盘过早退变，会衰减其对抗冲击，吸收震荡的能力。腰椎后伸会使椎间盘纤维环 后外侧的应力升高，椎间盘发生退行性改变，纤维环出现破裂的重要原因。 反之，人体如果长期负重弯腰，
10、或者经常伏案工作，就会造成脊柱伸肌的劳损，使屈肌力量 增强，腰椎生理前凸减小甚至消失，使脊柱的阻尼减小，其承受负荷的能力也将降低，这样 就相对增加了椎体、椎间盘、后关节等的负荷压力，同时也加快了其劳损和退变的发生过程 。椎体周围的各种韧带亦可因此出现松弛、损伤，结果使脊柱失稳。这种恶性循环，相互影 响，最终必导致腰痛的发生。2.2 脊柱动力学的改变与腰痛：提重物是脊柱动力学中最常见的形式，也是多种腰痛的诱 发因素。提重物是一种外来负荷，提物的重量和提物的方式均会影响脊柱的负荷。贴近身体 提重物时，腰椎的屈曲力距比远离时要小。越是贴近身体，与脊柱活动中心之间的距离越近 ，力臂就越短，弯曲力距的量
11、值就越小，腰椎负荷也越低。另外，从体位来看，如果在脊柱 前屈时提重物，使腰椎间盘既省力，又有保护作用。腰部活动中的不良姿势如长期得不到纠 正，就会使其轻微损伤积累起来。最终将累及椎间盘，使纤维环出现一定程度的磨损，使髓 核部分水分丢失。由量变到质变后，最后导致椎间盘变性。椎间隙变窄。从而影响腰段脊柱 的力学平衡。出现一系列的病理改变。如腰椎间隙增粗，小关节劳损，椎体骨质增生，这在 临床表现的为腰痛或是腰痛加重。 以上只是从脊柱的生物力学的角度简单分析了一下腰痛的发生的2个机制，当然 ，腰痛亦涉及到神经系统，泌尿系统等其它方面的机理，本文不再赘述。3 腰痛的预防 如前所述，脊柱的力学失衡最终将导致腰痛的发生或加重。而这种失衡往往是由于平时坐、 立、行的姿势不端正以及长期从事某种固定体态的专业性工作，或者扭、挫、撞、摔等外伤 ，或老年性退化改变的等因素造成，因此，人们在日常生活中，应尽可能的避免上述因素以 预防腰痛的发生。
