脊柱的生物力學
基礎理論 - 生物力學
脊柱是人體的中軸，由脊椎骨、椎間盤、椎間關節和椎旁各關節、韌帶及肌肉緊密連結而成。 椎管是各脊椎的椎孔连贯而成，内容脊髓。椎管是各脊椎的椎孔連貫而成，內容脊髓。 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。成人整個脊椎從正面觀為一直線，從側面觀分為四個彎曲，頸部向前屈凸，胸部向後凸，腰部向前凸，骶部向後凸。 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。這些彎曲是適應人體直立行走的姿勢，在生長發育的過程中逐步形成。 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。初生嬰兒脊柱是向後凸成弧形的，隨著可以抬頭及起坐，頸部前凸即逐步出現，胸部後凸也顯得明顯，等到學會行走後，頸部和腰部的向前彎曲才顯著發展形成。
脊柱的功能為：支撐體重、傳遞重力；保護脊髓和神經根；參與形成胸腔、腹腔及骨盆腔；支持和附著四肢與軀幹聯繫的肌肉和筋膜。 脊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。脊椎的生理生物力學脊椎有前屈、後伸、左右側屈及左右旋轉的運動功能。 髓核成为杠杆作用的支点。髓核成為槓桿作用的支點。 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。由於生理彎曲的存在，胸椎椎間盤髓核在中間，而頸椎及腰椎髓核偏後。 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。其髓核前方纖維環較後側強而厚，前縱韌帶亦較後縱韌帶強而有力，當仰頭伸腰時，椎間盤後方受擠壓，髓核向前移動，反之，低頭彎腰時，髓核向後推擠。 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。如用力過度，後縱韌帶和後方纖維環易發生損傷破裂，而使髓核發生突出，尤其在椎間盤發生蛻變的基礎上更易發生椎間盤突出。 由于脊椎各段的关节面排列方向不同，其旋转轴心亦各异。由於脊椎各段的關節面排列方向不同，其旋轉軸心亦各異。 后关节面颈椎近似水平面，胸椎呈冠状面，而腰椎呈矢状面。後關節面頸椎近似水平面，胸椎呈冠狀面，而腰椎呈矢狀面。 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处，胸椎的旋转轴位于椎间盘中心。同時由於各段椎間盤中髓核位置不同，在脊柱運動時頸部和腰部旋轉的軸心位於椎管後部和椎板聯合處，胸椎的旋轉軸位於椎間盤中心。 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。脊椎的病理生物力學整條脊柱以頸、腰段活動度最大，故較易受傷。 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。因胸椎有肋骨胸廓的支撐，受傷機會相對較少，但人們用雙臂勞動，肩胛區軟組織勞損則相對較多。 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。當老年頸椎胸椎椎間盤蛻變而引起椎間失穩時，肩胛區軟組織勞損即加劇，下頸上胸段脊椎失穩易發生脊椎錯位，繼而引起內臟功能障礙。 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。頸椎處於負擔較大重量的頭顱與活動較少的胸椎之間，活動度大又要支持頭部平穩，故易致勞損，由以下位頸椎多見。 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。腰椎亦處於較穩定的胸椎與骨盆之間，為人體之中點，在運動中受剪性應力最大，並在脊柱形似寶塔的結構中處於基底部位，承受重力最大，故亦易受勞損。 其发病率以下腰椎椎为多见，因腰椎做伸屈运动时，其运动范围月75%发生在第五间隙，20%发生在第二间隙，只有5%发生在第1~3间隙。其發病率以下腰椎椎為多見，因腰椎做伸屈運動時，其運動範圍月75%發生在第五間隙，20%發生在第二間隙，只有5%發生在第1~3間隙。 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。由此可見，各段椎體在傳遞重力及旋轉運動中，由於各段後關節方向不同，當用力過度或用力不當，較易損傷脊椎各段交界處。 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。臨床常見的枕寰關節錯位引起頭暈頭痛，頸胸交界處錯位引起頸肩綜合徵，胸腰交界處錯位引起腸功能紊亂。 1 脊柱运动的生物力学平衡 1 脊柱運動的生物力學平衡 2 腰痛的发生与脊柱生物力学的改变 2 腰痛的發生與脊柱生物力學的改變 3 腰痛的预防 3 腰痛的預防
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。人體脊柱是一個“穩定”的軸，脊柱被穩定在一個靜態平衡的功能位置，或被穩定在一個能發揮良好功能的動態平衡的功能位置。
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。 1.1 肌肉的力學平衡作用：肌肉是維持脊柱平衡、穩定的重要因素。 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。在脊柱的前、後、左、右均有力量相等、方向相反的力量來維持這種平衡。 脊柱的屈肌（如腹直肌、腹内肌、外斜肌、腰方肌和腰大肌等）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。脊柱的屈肌（如腹直肌、腹內肌、外斜肌、腰方肌和腰大肌等）與脊柱的伸肌（如骶棘肌、多裂肌等）相互平衡，脊柱兩側的屈肌也維持著這種力學的平衡。 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。在脊柱的運動過程中，這兩種平衡的力學因素相配合，協調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。 1.2 脊柱周圍韌帶和關節突關節的力學作用：脊柱韌帶的功能主要是為相鄰脊柱提供恰當的生理活動，同時也可產生所謂“預應力”以維持脊柱的穩定。 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。當肌肉使脊柱屈伸時，韌帶作為肌肉的後備力量，補充肌肉力量的不足，同時可防止脊柱的過屈、過伸、發揮其控制和保護功能。 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。 關節突關節的生物力學功能主要是承受壓縮、拉伸、 剪切、扭轉等不同類型的負荷，並在此基礎上提供一定範圍的生理活動。 其中腰椎关节突关节承受的压缩负荷占腰椎总负荷的１８％。其中腰椎關節突關節承受的壓縮負荷佔腰椎總負荷的１８％。 它的轴向旋转范围大约在１°左右，超过３°即可造成关节突关节的破坏。它的軸向旋轉範圍大約在１°左右，超過３°即可造成關節突關節的破壞。 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。因此限制腰椎的軸向旋轉活動是腰椎關節突關節的主要功能。 同时，这种限制作用可以保护椎间盘免受损伤。同時，這種限製作用可以保護椎間盤免受損傷。
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。 1.3 椎間盤的力學調節作用：椎間盤位於兩椎體之間，能緩衝外力、吸收震盪。 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。髓核是椎間盤結構中的重要組成部分，尤其當椎間盤在承受負重時更為重要。 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。椎間盤的負荷是複雜的，負重或運動時，椎間盤所承受的力有壓縮力、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。髓核有粘、彈、塑等力學特性，主要表現在蠕變性和滯後性方面。 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。粘彈性減退將衰減對抗衝擊與吸收震蕩的能力，滯後性特性與椎間盤的年齡有密切關係，越是年輕，滯後特性越好。
当脊柱承载负荷时，腰椎间盘的髓核将承受最大压缩应力。當脊柱承載負荷時，腰椎間盤的髓核將承受最大壓縮應力。 腰椎间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１／２，承负能力也相对较弱。腰椎間盤前側及左右兩側均較厚，而後側與後外側的厚度僅為前方和兩側部分的１／２，承負能力也相對較弱。 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。長期持續的負荷可造成纖維環後側的損傷，導致纖維環撕裂，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。 1.4 脊柱弧度的形成及其力學意義：脊柱弧度的形成是為了適應功能的需要。 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）。從正面看， 脊柱是直的；從側面看，脊柱有四個弧度（頸椎向前凸，胸椎向後凸，腰椎向前凸，骶椎向後凸）。 弧度的功能是为了承受负荷压力。弧度的功能是為了承受負荷壓力。 根据机械力学的原理，阻尼越大，承受负荷的能力越大。根據機械力學的原理，阻尼越大，承受負荷的能力越大。 弧形柱的阻尼（Resistance）等于弧数（Ｎ）的平方加１，即Ｒ＝Ｎ2＋１，呈正比例关系。弧形柱的阻尼（Resistance）等於弧數（Ｎ）的平方加１，即Ｒ＝Ｎ2＋１，呈正比例關係。 脊柱是一弧形柱，假如是一直的脊柱，其阻尼是1（Ｒ＝02＋1＝1）；有三个弧度时，其阻尼是１０（Ｒ＝32＋1＝10），即１０倍于直立的脊柱。脊柱是一弧形柱，假如是一直的脊柱，其阻尼是1（Ｒ＝02＋1＝1）；有三個弧度時，其阻尼是１０（Ｒ＝32＋1＝10），即１０倍於直立的脊柱。
在日常的生活和劳动中，人体经常处于力学动态状态。在日常的生活和勞動中，人體經常處於力學動態狀態。 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。當姿勢不良、外傷或出現老年性退化改變時，脊柱某些部位的功能將發生障礙。 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。從力學角度來看，其結果是人體必然出現保護性反應抵抗衝擊，即以“不平衡”來調節“不平衡”，以達到一種“病理平衡”，其與“生理平衡”有質的區別，它實際上還是一種脊柱力學平衡的失穩，會發生脊柱功能的紊亂而引起疼痛，同時因為腰段脊柱所承受的載荷遠大於脊柱的其它部位，所以腰痛的發生也就較為常見。
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。 2.1 脊柱的靜力平衡失調腰痛：人體站立時，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。這種靜力平衡可因某些因素而破壞。 如某些肥胖患者，腹壁脂肪较多，脊柱的屈肌－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。如某些肥胖患者，腹壁脂肪較多，脊柱的屈肌－腹壁前部肌肉可因長久日重力牽扯而受損，日久勢必造成一定程度日減損，從而破壞伸屈肌的力平衡，導致腰背肌的伸肌力量相對增強，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。另外，若長期挺直端坐，可使腰段脊柱的載荷降低，使骨盆前傾，也會導致腰椎前凸增加。 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。這樣可使小關節相互擠壓，使椎體間的力量傳遞（外力、重力等）過多地通過椎體和椎間盤的後部，久之必然導緻小關節損傷以及關節面和關節滑膜勞損。 椎弓峡部也会因为应力的增大增加其峡部裂发生的机会。椎弓峽部也會因為應力的增大增加其峽部裂發生的機會。 椎体、椎间盘过早退变，会衰减其对抗冲击，吸收震荡的能力。椎體、椎間盤過早退變，會衰減其對抗衝擊，吸收震蕩的能力。 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。腰椎後伸會使椎間盤纖維環後外側的應力升高，椎間盤發生退行性改變，纖維環出現破裂的重要原因。
反之，人体如果长期负重弯腰，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。反之，人體如果長期負重彎腰，或者經常伏案工作，就會造成脊柱伸肌的勞損，使屈肌力量增強，腰椎生理前凸減小甚至消失，使脊柱的阻尼減小，其承受負荷的能力也將降低，這樣就相對增加了椎體、椎間盤、後關節等的負荷壓力，同時也加快了其勞損和退變的發生過程。 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。椎體周圍的各種韌帶亦可因此出現鬆弛、損傷，結果使脊柱失穩。 这种恶性循环，相互影响，最终必导致腰痛的发生。這種惡性循環，相互影響，最終必導致腰痛的發生。
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。 2.2 脊柱動力學的改變與腰痛：提重物是脊柱動力學中最常見的形式，也是多種腰痛的誘發因素。 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。提重物是一種外來負荷，提物的重量和提物的方式均會影響脊柱的負荷。 贴近身体提重物时，腰椎的屈曲力距比远离时要小。貼近身體提重物時，腰椎的屈曲力距比遠離時要小。 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，弯曲力距的量值就越小，腰椎负荷也越低。越是貼近身體，與脊柱活動中心之間的距離越近，力臂就越短，彎曲力距的量值就越小，腰椎負荷也越低。 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。另外，從體位來看，如果在脊柱前屈時提重物，使腰椎間盤既省力，又有保護作用。 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。腰部活動中的不良姿勢如長期得不到糾正，就會使其輕微損傷積累起來。 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。最終將累及椎間盤，使纖維環出現一定程度的磨損，使髓核部分水分丟失。 由量变到质变后，最后导致椎间盘变性。由量變到質變後，最後導致椎間盤變性。 椎间隙变窄。椎間隙變窄。 从而影响腰段脊柱的力学平衡。從而影響腰段脊柱的力學平衡。 出现一系列的病理改变。出現一系列的病理改變。 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。如腰椎間隙增粗，小關節勞損，椎體骨質增生，這在臨床表現的為腰痛或是腰痛加重。
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。以上只是從脊柱的生物力學的角度簡單分析了一下腰痛的發生的2個機制，當然，腰痛亦涉及到神經系統，泌尿系統等其它方面的機理，本文不再贅述。
如前所述，脊柱的力学失衡最终将导致腰痛的发生或加重。如前所述，脊柱的力學失衡最終將導致腰痛的發生或加重。 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。而這種失衡往往是由於平時坐、 立、行的姿勢不端正以及長期從事某種固定體態的專業性工作，或者扭、挫、撞、摔等外傷，或老年性退化改變的等因素造成，因此，人們在日常生活中，應盡可能的避免上述因素以預防腰痛的發生。
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