脊柱运动的生物力学.docx

脊柱疾病和损伤与脊柱受力的异常有明确关系，而康复治疗和避免也需要对脊柱运动的生物力学有清晰的理解本文旨在为临床和治疗技术人员提供有关的基本知识 　　1、构造特性：脊柱是人体运动的主轴由多种椎体、多重关节(椎间“关节”、椎小关节)、众多肌肉和韧带紧紧环绕、生理弯曲，以满足脊柱的结实性和可动性(柔韧性)其活动有三维方向(前后、左右、旋转)和六个自由度(3个平动、3个转动) 　　2、位置特性：颈段支撑头颅，重心处在颈部前2/3和后1/3的交界处;胸段重心偏后(胸廓前后径的后1/4)，与胸廓共同分解胸以上躯体的重量腰段居中，甚至前凸，以支撑体重 　　3、解剖特性： 　　(1)椎管：椎骨构成一种可褶曲的有效管腔以容纳延髓和脊髓 　　(2)椎骨：由椎体、椎弓、上下关节突、棘突、横突构成椎体是椭圆形短扁骨，一圈致密的骨皮质包围海棉状的髓质(松质骨)，上下骨皮质中有较厚的软骨板衬垫，边沿由较厚的环形衬板构成椎体的骨小梁除按应力线斜行交叉外;还可看到一组从椎体上面向后延伸，至椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突，另一组则从椎体下面向后延伸到椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突椎体前缘最单薄，易于发生压缩性骨折。

横突和棘突作为脊柱肌肉的附着点，是脊柱动态稳定性的基本之一 　　(3)椎间盘：内部为髓核，外部为纤维环髓核为半液态，由富亲水性的葡萄糖胺酸聚糖的胶状凝胶所构成除了下腰椎的髓核位置偏后外，髓核均位于椎间盘的正中纤维环为多层致密的结缔组织彼此斜行交错而成，自边沿向心分布，致密的纤维环开始是垂直的，越接近中心越倾斜，到中心接触髓核时，几乎近水平走向，并环绕髓核成椭圆形椎间盘受压时，髓核承受75%的压力，其他25%的压力分布到纤维环髓核还同步具有稳定脊柱运动的功能，在伸展运动时，上方椎体向后移位，缩减了椎间隙后缘，髓核受挤向前方偏移在前屈运动时，正好相反，从而使椎体获得较强的自稳性椎间盘总厚度约为脊柱全长的25%白天站立和行走的压力使髓核丧失少量水分，而在睡眠或休息时由于髓核压力减小，水分又得到重储存因此早晚身高有2厘米的差别20岁后来髓核对水分重储存能力减退由于提重物和年龄增长产生的微损伤使纤维环纤维成分增长，而能复原的弹性成分相对减少因此30-50岁的成年人纤维环易遭受损伤，继后髓核脱出而压迫神经根 　　(4)椎小关节：椎小关节由相临椎体的上下关节突构成，和椎间盘的载荷分派随脊柱位置而异，一般承受0~30%的脊柱载荷。

脊柱过伸位时小关节突承载力明显增长 　　(5)脊柱韧带：有前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和黄韧带韧带重要作用于脊柱的静态稳定性大多数脊柱韧带由延伸度较小的胶原纤维构成黄韧带具有较高比例的弹力纤维韧带还作用于拉伸载荷在椎体间的传递，使脊柱在生理范畴内以最小的阻力进行平稳运动 　　4、运动节段：由两个相临的椎体、椎间盘和纵韧带形成节段的前部相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及韧带构成节段的后部椎弓和椎体形成椎管以保护脊髓运动节段是脊柱的最小功能单元 　　(1)前部：椎体的设计重要是为了承当压缩负荷，上部身体的重量加大时，椎体就相应变得更大，因此腰椎的椎体比胸椎和颈椎的椎体要高，其横截面积也大某些腰椎椎体的尺寸增大，是它们能承受这部分脊柱所需的较大负荷 　　(2)后部：后部控制运动节段的运动运动的方向取决于椎间小关节突的朝向第1、2颈椎小关节突朝向横面，其他颈椎的椎小关节突均与横面呈450夹角而与额面平行，从而可以屈曲、伸直、侧弯和旋转胸椎小关节突的朝向与横面呈600，与额面呈200夹角，使其能侧弯、旋转和少量屈伸腰区椎小关节突的朝向与横面呈直角，与额面呈450，使其能屈伸和侧弯，但不能旋转。

腰骶小关节突的朝向和形状使之能有某些旋转活动 　　5、脊柱偶连运动：脊柱运动一般是几种节段的联合动作，称之为偶联运动影响偶联运动的骨性构造有胸廓和骨盆，胸廓限制胸椎运动，骨盆倾斜可以增长躯干的运动脊柱运动的正常范畴变异很大，有较强的年龄因素脊柱整体屈曲50°~60°起始于腰椎骨盆前倾和髋部屈曲增长脊柱前屈范畴，胸椎的作用有限虽然胸椎小关节的形状有助于侧弯，但肋骨限制其活动脊柱旋转重要发生在胸椎和腰骶部，腰椎的旋转十分有限 　　6、脊柱负荷：腰椎是脊柱重要承重部位放松直立位时，椎间盘压力来自于椎间盘内压、被测部位以上的体重和作用在该运动节段的肌肉应力躯干屈曲和旋转时椎间盘的压应力和拉应力均增长腰椎载荷在放松坐位高于放松直立位，有支撑坐位不不小于无支撑坐位仰卧位时脊柱承载最小仰卧位膝伸直时，腰肌对脊柱的拉力可以在腰椎上产生载荷髋和膝关节有支撑屈曲时，由于腰肌放松使腰椎前凸变直，载荷减小;附加牵引时载荷可以进一步减小患者仰卧、髋和膝关节支撑下屈曲、脊柱前凸变平，牵引力可更为均匀地分布到整个脊柱携带重物时，物体重心与脊柱运动中心之间的距离越短，阻力臂越短，脊柱载荷越小身体前屈位拿起重物时，除了物体重力外，上身重量也产生脊柱剪力，增长脊柱载荷。

　　举例：体重70公斤，提起20公斤重物，脊柱前屈350，作用在腰骶部及腰椎的力：①上身重力(W)450牛顿(约为65%体重)②物体重力(P)200牛顿③竖棘肌收缩力(M)腰椎发生两个力矩，即力W和力P以及它们与瞬时运动中心的距离(力矩WLw和PLp )反向平衡力矩(力矩MLM)由力M以肌与它瞬时中心的距离产生，力W的力臂(力与瞬时中心的垂直距离)为0.25米，力P的力臂为0.4米，力M的力臂为0.05米身体处在平衡状态时，作用在腰椎上的力矩之和必须为0(把顺时力矩规定为正，逆时针力矩为负) 　　Σ力矩=0;(W×Lw) (P×Lp)-(M×Lm)=0 　　(450N×0.25m) (200N×0.4m)-(M×0.05m)=0 　　M×0.05m=112.5Nm 80Nm 　　M=3850Nm 　　作用在椎间盘上的总压缩力(力C)可用三角形法计算若椎间盘与横面倾斜350，力C为作用在椎间盘上压缩力之和，涉及：①上身重量(W)所产生的力，它作用在350倾斜的椎间盘上(W×cos350)②物体重量(P)产生的力，它作用在倾斜的椎间盘上(P×cos350)③竖棘肌(M)产生的力，呈直角作用于倾斜的椎间盘。

椎间盘(C)总压缩力也可通过平衡公式求出 　　Σ力=0;(W×cos350) (P×cos350) M-C=0 　　(450N×cos350) (200N×cos350) 3850N-C=0 　　C=365.5 163.8 3850(N) 　　C=4382 N 　　表1 腰(L3)椎间盘所受的力(Jayson, 1987)牛顿(N) 　　仰卧位 　　仰卧苏醒 250 　　半卧位 100 　　腰麻或截瘫 80 　　被动牵引30秒 250 　　被动牵引3分钟 <100 　　自体牵引 500 　　仰卧上肢练习(手握20N重物) 600 　　仰卧起坐(大范畴) 1200 　　双腿抬起 800 　　仰卧起坐(小范畴，等长收缩) 600 　　头低位床面倾斜10° 300 　　坐位 　　直坐(无支持) 700 　　坐位100°，腰部靠垫4cm 450 　　坐位100°，有扶手 400 　　坐位100°，有靠背和脚踏板 500 　　坐办公椅内 500 　　起坐无扶手 1000 　　起坐有扶手 700 　　坐办公椅握20N重物 700 　　腰前屈每手握100N重物 1400 　　上举50N重物 1400 　　站立位 　　放松站立 500 　　咳嗽 700 　　挺胸大笑 700 　　平跳 700 　　腰椎前屈20° 700 　　腰椎前屈40° 1000 　　腰椎前屈20°，每手握100N重物 1200 　　腰椎前屈20°，旋转20°，每手握50N重物 2100 　　上举100N，跪、躯干挺直 1700 　　前平举100N腰椎前屈屈膝伸直 1900 　　前平举100N 1900 　　腰椎前屈30°，前平举每手40N重物 1700 　　腰围支持下腰椎前屈30°，每手举40N重物 1200 　　7、运动对腰椎载荷的影响：所有运动都会增长腰椎载荷。

竖棘肌和腹肌运动训练应在脊柱载荷适合的条件下进行双腿直腿上抬时腰方肌的活动最大，并使脊柱前凸屈髋、膝限制腰肌活动后再行仰卧起坐可以有效地训练腹肌，但也使腰椎间盘压力增长若活动范畴仅限于躯干屈曲，头和肩只抬高到肩胛带离开桌面的位置，以排除腰椎运动，使腰椎载荷减小胸前抱膝运动使腹外斜肌和腹直肌活动 　　8、骶髂关节：骶髂关节的韧带损伤、多动或少动、炎症等是下腰疼痛的重要因素骶髂关节为平面关节骶骨关节面覆有透明软骨，而髂骨关节面表面为纤维软骨;关节腔内有滑液,并有关节囊随年令增长，骶髂关节的骨赘和关节强直的发生率很高，重要在男性，女性发生率极低骶髂关节运动范畴平均4°骶髂关节的骨性构造和强厚广泛韧带的结合形成了关节的自锁机制当压力增长导致骶骨在髂骨表面向下运动和后韧带紧张,将两侧髂骨向中间靠拢，像钳子同样将骶骨夹得更紧制止髂骨的下降 　　9、肌肉作用：头、颈和躯干肌在中线两侧成对排列，两侧肌收缩产生矢状面上的前屈和后伸运动一侧肌收缩则在额状面或横断面产生侧屈或旋转运动承受重力、附肢肌收缩以及地面的反作用力时，颈肌和躯干肌协同收缩稳定椎骨 　　(1)头和脊柱平衡：有关的肌肉涉及：前：枕下肌、头长肌、颈长肌、斜角肌、胸锁乳突肌、腹直肌、腹内斜肌、腹外斜肌和腰大肌。

后：枕下肌、横突棘肌和竖棘肌外侧：斜角肌、胸锁乳突肌、腰方肌、腰大肌、腹内斜肌和肋间肌放松坐位或直立位时，这些肌肉仅有与姿势摆动有关的小量周期性活动头部或头、躯干、上肢的重心移动或推拉躯干可直接激活肌收缩使躯干恢复平衡 　　(2)躯干运动和椎骨稳定：横突棘肌和竖脊肌的重要功能是脊柱后伸时协同稳定脊柱闭链运动中腰大肌是重要动作肌和躯干固定肌躯干肌的重要功能是固定胸廓、骨盆和脊柱，使肢体运动时可稳定颈部、肩部和髋部肌肉的起点 　　(3)前屈和抬高(膝伸直)：当人站立屈髋去触脚趾时，发生伸髋肌(重要是腘绳肌)和竖脊肌的离心收缩来控制屈髋和脊柱的向前弯曲这些肌肉的向心收缩，使躯干恢复直立位当躯干前屈全程的2/3时，肌电图可见竖脊肌忽然克制现象，始终持续到躯干恢复直立位的1/3，称为“临界点”，其平均值为屈躯干81°Kippers等(1984)发现此值发生在最大屈髋的60%和最大屈脊柱的90%当将重物放下去或从地面提起时，临界点的角度稍有增长 　　(4)蹲起和蹲下：从地面上提起物体的一种措施是屈膝、屈髋以及背屈踝关节蹲起可用二种骨盆和脊柱的位置：①腰部脊柱前凸位的骨盆前倾;②脊柱后凸位的骨盆后倾。

根据躯干的位置，在提物时竖脊肌的肌电活动是不同的当躯干在脊柱前凸位，肌电活动不小于屈曲位，最大肌电活动在提物开始时蹲下则需小腿三头肌、股四头肌和伸髋肌的离心收缩，当脊柱前凸位时还伴有竖脊肌的等长收缩当脊柱在后突位膝伸直屈髋时，竖脊肌的肌电活动削弱和克制如在脊柱后凸位提物时竖脊肌在提物开始时无肌电活动，而峰值在提物的中段虽然在背前屈时提物可减轻对椎间盘的压力而背伸时提物肌控制提供了对关节突关节的保护，但哪一位置好并没有统一意见 　　(5)肢体功能性活动：用上肢来抬高身体的动作有引体向上，俯卧撑，从坐位推起，拐杖行走等这些运动的积极肌是肘关节屈肌(引体向上)、肘关节伸肌(推起)、肩关节内收肌和伸肌以及降肩胛骨肌的向心收缩，腹肌和躯干伸肌的等长收缩也同样重要当脊髓损伤导致腹肌和躯干肌麻痹时，不管患者的手臂有多强健也不能抬高躯体在手臂固定的闭链运动中，背阔肌(C3-C6)和。