脊柱運動的生物力學

脊柱運動的生物力學脊柱運動的生物力學脊柱運動的生物力學V:1.0精細整理，僅供參考脊柱運動的生物力學日期：20xx年X月脊柱疾病和損傷與脊柱受力的異常有明確關系，而康復治療和預防也需要對脊柱運動的生物力學有清楚的了解。本文旨在為臨床和治療技術人員提供相關的基礎知識。1、結構特征：脊柱是人體運動的主軸。由多個椎體、多重關節(jié)(椎間“關節(jié)”、椎小關節(jié))、眾多肌肉和韌帶緊緊圍繞、生理彎曲，以滿足脊柱的堅固性和可動性(柔韌性)。其活動有三維方向(前后、左右、旋轉(zhuǎn))和六個自由度(3個平動、3個轉(zhuǎn)動)。2、位置特征：頸段支撐頭顱，重心處于頸部前2/3和后1/3的交界處;胸段重心偏后(胸廓前后徑的后1/4)，與胸廓共同分解胸以上軀體的重量。腰段居中，甚至前凸，以支撐體重。3、解剖特征：(1)椎管：椎骨構成一個可褶曲的有效管腔以容納延髓和脊髓。(2)椎骨：由椎體、椎弓、上下關節(jié)突、棘突、橫突構成。椎體是橢圓形短扁骨，一圈致密的骨皮質(zhì)包圍海棉狀的髓質(zhì)(松質(zhì)骨)，上下骨皮質(zhì)中有較厚的軟骨板襯墊，邊緣由較厚的環(huán)形襯板構成。椎體的骨小梁除按應力線斜行交叉外;還可看到一組從椎體上面向后延伸，至椎弓根水平時呈扇形分布于下關節(jié)突與棘突，另一組則從椎體下面向后延伸到椎弓根水平時呈扇形分布于下關節(jié)突與棘突。椎體前緣最薄弱，易于發(fā)生壓縮性骨折。橫突和棘突作為脊柱肌肉的附著點，是脊柱動態(tài)穩(wěn)定性的基礎之一。(3)椎間盤：內(nèi)部為髓核，外部為纖維環(huán)。髓核為半液態(tài)，由富親水性的葡萄糖胺酸聚糖的膠狀凝膠所組成。除了下腰椎的髓核位置偏后外，髓核均位于椎間盤的正中。纖維環(huán)為多層致密的結締組織彼此斜行交織而成，自邊緣向心分布，致密的纖維環(huán)開始是垂直的，越接近中心越傾斜，到中心接觸髓核時，幾乎近水平走向，并圍繞髓核成橢圓形。椎間盤受壓時，髓核承受75%的壓力，其余25%的壓力分布到纖維環(huán)。髓核還同時具有穩(wěn)定脊柱運動的功能，在伸展運動時，上方椎體向后移位，縮減了椎間隙后緣，髓核受擠向前方偏移。在前屈運動時，正好相反，從而使椎體獲得較強的自穩(wěn)性。椎間盤總厚度約為脊柱全長的25%。白天站立和行走的壓力使髓核喪失少量水分，而在睡眠或休息時由于髓核壓力減小，水分又得到重儲存。因此早晚身高有2厘米的差異。20歲以后髓核對水分重儲存能力減退。由于提重物和年齡增長產(chǎn)生的微損傷使纖維環(huán)纖維成分增加，而能復原的彈性成分相對減少。因此30-50歲的成年人纖維環(huán)易遭受損傷，繼后髓核脫出而壓迫神經(jīng)根。(4)椎小關節(jié)：椎小關節(jié)由相臨椎體的上下關節(jié)突構成，和椎間盤的載荷分配隨脊柱位置而異，一般承受0~30%的脊柱載荷。脊柱過伸位時小關節(jié)突承載力顯著增加。(5)脊柱韌帶：有前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶和黃韌帶。韌帶主要作用于脊柱的靜態(tài)穩(wěn)定性。大多數(shù)脊柱韌帶由延伸度較小的膠原纖維構成。黃韌帶含有較高比例的彈力纖維。韌帶還作用于拉伸載荷在椎體間的傳遞，使脊柱在生理范圍內(nèi)以最小的阻力進行平穩(wěn)運動。4、運動節(jié)段：由兩個相臨的椎體、椎間盤和縱韌帶形成節(jié)段的前部。相應的椎弓、椎間關節(jié)、橫突和棘突以及韌帶組成節(jié)段的后部。椎弓和椎體形成椎管以保護脊髓。運動節(jié)段是脊柱的最小功能單元。(1)前部：椎體的設計主要是為了承擔壓縮負荷，上部身體的重量加大時，椎體就相應變得更大，因此腰椎的椎體比胸椎和頸椎的椎體要高，其橫截面積也大一些。腰椎椎體的尺寸增大，是它們能承受這部分脊柱所需的較大負荷。(2)后部：后部控制運動節(jié)段的運動。運動的方向取決于椎間小關節(jié)突的朝向。第1、2頸椎小關節(jié)突朝向橫面，其余頸椎的椎小關節(jié)突均與橫面呈450夾角而與額面平行，從而能夠屈曲、伸直、側彎和旋轉(zhuǎn)。胸椎小關節(jié)突的朝向與橫面呈600，與額面呈200夾角，使其能側彎、旋轉(zhuǎn)和少許屈伸。腰區(qū)椎小關節(jié)突的朝向與橫面呈直角，與額面呈450，使其能屈伸和側彎，但不能旋轉(zhuǎn)。腰骶小關節(jié)突的朝向和形狀使之能有某些旋轉(zhuǎn)活動。5、脊柱偶連運動：脊柱運動一般是幾個節(jié)段的聯(lián)合動作，稱之為偶聯(lián)運動。影響偶聯(lián)運動的骨性結構有胸廓和骨盆，胸廓限制胸椎運動，骨盆傾斜可以增加軀干的運動。脊柱運動的正常范圍變異很大，有較強的年齡因素。脊柱整體屈曲50°~60°起始于腰椎。骨盆前傾和髖部屈曲增加脊柱前屈范圍，胸椎的作用有限。雖然胸椎小關節(jié)的形狀有利于側彎，但肋骨限制其活動。脊柱旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在胸椎和腰骶部，腰椎的旋轉(zhuǎn)十分有限。6、脊柱負荷：腰椎是脊柱主要承重部位。放松直立位時，椎間盤壓力來自于椎間盤內(nèi)壓、被測部位以上的體重和作用在該運動節(jié)段的肌肉應力。軀干屈曲和旋轉(zhuǎn)時椎間盤的壓應力和拉應力均增加。腰椎載荷在放松坐位高于放松直立位，有支撐坐位小于無支撐坐位。仰臥位時脊柱承載最小。仰臥位膝伸直時，腰肌對脊柱的拉力可以在腰椎上產(chǎn)生載荷。髖和膝關節(jié)有支撐屈曲時，由于腰肌放松使腰椎前凸變直，載荷減小;附加牽引時載荷可以進一步減小?；颊哐雠P、髖和膝關節(jié)支撐下屈曲、脊柱前凸變平，牽引力可更為均勻地分布到整個脊柱。攜帶重物時，物體重心與脊柱運動中心之間的距離越短，阻力臂越短，脊柱載荷越小。身體前屈位拿起重物時，除了物體重力外，上身重量也產(chǎn)生脊柱剪力，增加脊柱載荷。舉例：體重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牛頓(約為65%體重)。②物體重力(P)200牛頓。③豎棘肌收縮力(M)。腰椎發(fā)生兩個力矩，即力W和力P以及它們與瞬時運動中心的距離(力矩WLw和PLp)。反向平衡力矩(力矩MLM)由力M以肌與它瞬時中心的距離產(chǎn)生，力W的力臂(力與瞬時中心的垂直距離)為0.25米，力P的力臂為0.4米，力M的力臂為0.05米。身體處于平衡狀態(tài)時，作用在腰椎上的力矩之和必須為0(把順時力矩規(guī)定為正，逆時針力矩為負)。Σ力矩=0;(W×Lw)(P×Lp)-(M×Lm)=0(450N×0.25m)(200N×0.4m)-(M×0.05m)=0M×0.05m=112.5Nm80NmM=3850Nm作用在椎間盤上的總壓縮力(力C)可用三角形法計算。若椎間盤與橫面傾斜350，力C為作用在椎間盤上壓縮力之和，包括：①上身重量(W)所產(chǎn)生的力，它作用在350傾斜的椎間盤上(W×cos350)。②物體重量(P)產(chǎn)生的力，它作用在傾斜的椎間盤上(P×cos350)。③豎棘肌(M)產(chǎn)生的力，呈直角作用于傾斜的椎間盤。椎間盤(C)總壓縮力也可通過平衡公式求出。Σ力=0;(W×cos350)(P×cos350)M-C=0(450N×cos350)(200N×cos350)3850N-C=0C=365.5163.83850(N)C=4382N表1腰(L3)椎間盤所受的力(Jayson,1987)牛頓(N)仰臥位仰臥清醒250半臥位100腰麻或截癱80被動牽引30秒250被動牽引3分鐘<100自體牽引500仰臥上肢練習(手握20N重物)600仰臥起坐(大范圍)1200雙腿抬起800仰臥起坐(小范圍，等長收縮)600頭低位床面傾斜10°300坐位直坐(無支持)700坐位100°，腰部靠墊4cm450坐位100°，有扶手400坐位100°，有靠背和腳踏板500坐辦公椅內(nèi)500起坐無扶手1000起坐有扶手700坐辦公椅握20N重物700腰前屈每手握100N重物1400上舉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°，旋轉(zhuǎn)20°，每手握50N重物2100上舉100N，跪、軀干挺直1700前平舉100N腰椎前屈屈膝伸直1900前平舉100N1900腰椎前屈30°，前平舉每手40N重物1700腰圍支持下腰椎前屈30°，每手舉40N重物12007、運動對腰椎載荷的影響：所有運動都會增加腰椎載荷。豎棘肌和腹肌運動訓練應在脊柱載荷適合的條件下進行。雙腿直腿上抬時腰方肌的活動最大，并使脊柱前凸。屈髖、膝限制腰肌活動后再行仰臥起坐可以有效地訓練腹肌，但也使腰椎間盤壓力增加。若活動范圍僅限于軀干屈曲，頭和肩只抬高到肩胛帶離開桌面的位置，以排除腰椎運動，使腰椎載荷減小。胸前抱膝運動使腹外斜肌和腹直肌活動。8、骶髂關節(jié)：骶髂關節(jié)的韌帶損傷、多動或少動、炎癥等是下腰疼痛的主要原因。骶髂關節(jié)為平面關節(jié)。骶骨關節(jié)面覆有透明軟骨，而髂骨關節(jié)面表面為纖維軟骨;關節(jié)腔內(nèi)有滑液,并有關節(jié)囊。隨年令增長，骶髂關節(jié)的骨贅和關節(jié)強直的發(fā)生率很高，主要在男性，女性發(fā)生率極低。骶髂關節(jié)運動范圍平均4°。骶髂關節(jié)的骨性結構和強厚廣泛韌帶的結合形成了關節(jié)的自鎖機制。當壓力增加導致骶骨在髂骨表面向下運動和后韌帶緊張,將兩側髂骨向中間靠攏，像鉗子一樣將骶骨夾得更緊阻止髂骨的下降。9、肌肉作用：頭、頸和軀干肌在中線兩側成對排列，兩側肌收縮產(chǎn)生矢狀面上的前屈和后伸運動。一側肌收縮則在額狀面或橫斷面產(chǎn)生側屈或旋轉(zhuǎn)運動。承受重力、附肢肌收縮以及地面的反作用力時，頸肌和軀干肌協(xié)同收縮穩(wěn)定椎骨。(1)頭和脊柱平衡：相關的肌肉包括：前：枕下肌、頭長肌、頸長肌、斜角肌、胸鎖乳突肌、腹直肌、腹內(nèi)斜肌、腹外斜肌和腰大肌。后：枕下肌、橫突棘肌和豎棘肌。外側：斜角肌、胸鎖乳突肌、腰方肌、腰大肌、腹內(nèi)斜肌和肋間肌。放松坐位或直立位時，這些肌肉僅有與姿勢擺動有關的小量周期性活動。頭部或頭、軀干、上肢的重心移動或推拉軀干可直接激活肌收縮使軀干恢復平衡。(2)軀干運動和椎骨穩(wěn)定：橫突棘肌和豎脊肌的主要功能是脊柱后伸時協(xié)同穩(wěn)定脊柱。閉鏈運動中腰大肌是主要動作肌和軀干固定肌。軀干肌的重要功能是固定胸廓、骨盆和脊柱，使肢體運動時可穩(wěn)定頸部、肩部和髖部肌肉的起點。(3)前屈和抬高(膝伸直)：當人站立屈髖去觸腳趾時，發(fā)生伸髖肌(主要是腘繩肌)和豎脊肌的離心收縮來控制屈髖和脊柱的向前彎曲。這些肌肉的向心收縮，使軀干恢復直立位。當軀干前屈全程的2/3時，肌電圖可見豎脊肌突然抑制現(xiàn)象，一直持續(xù)到軀干恢復直立位的1/3，稱為“臨界點”，其平均值為屈軀干81°。Kippers等(1984)發(fā)現(xiàn)此值發(fā)生在最大屈髖的60%和最大屈脊柱的90%。當將重物放下去或從地面提起時，臨界點的角度稍有增加。(4)蹲起和蹲下：從地面上提起物體的一種方法是屈膝、屈髖以及背屈踝關節(jié)。蹲起可用二種骨盆和脊柱的位置：①腰部脊柱前凸位的骨盆前傾;②脊柱后凸位的骨盆后傾。根據(jù)軀干的位置，在提物時豎脊肌的肌電活動是不同的。當軀干在脊柱前凸位，肌電活動大于屈曲位，最大肌電活動在提物開始時。蹲下則需小腿三頭肌、股四頭肌和伸髖肌的離心收縮，當脊柱前凸位時還伴有豎脊肌的等長收縮。當脊柱在后突位膝伸直屈髖時，豎脊肌的肌電活動減弱和抑制。如在脊柱后凸位提物時豎脊肌在提物開始時無肌電活動，而峰值在提物的中段。雖然在背前屈時提物可減輕對椎間盤的壓力而背伸時提物肌控制提供了對關節(jié)突關節(jié)的保護，但哪一位置好并沒有統(tǒng)一意見。(5)肢體功能性活動：用上肢來抬高身體的動作有引體向上，俯臥撐，從坐位推起，拐杖行走等。這些運動的主動肌是肘關節(jié)屈肌(引體向上)、肘關節(jié)伸肌(推起)、肩關節(jié)內(nèi)收肌和伸肌以及降肩胛骨肌的向心收縮，腹肌和軀干伸肌的等長收縮也同樣重要。當脊髓損傷造成腹肌和軀干肌麻痹時，不管患者的手臂有多強健也不能抬高軀體。在手臂固定的閉鏈運動中，背闊肌(C3-C6)和腰方肌(T12-L1)提供強大作用力使骨盆接近臂或胸廓。站起和坐下，深屈膝，上樓或下樓均有相似肌活動的形式。從坐或蹲位上站立或上一級樓梯都需股四頭肌的向心收縮來伸膝以及伸髖肌特別是腘繩肌的向心收縮來伸髖。豎脊肌相關的等長收縮來保持和頭和脊柱的直立位。下降身體去坐或蹲下或下一級樓梯則需股四頭肌和腘繩肌的離心收縮來屈膝、屈髖以及豎脊肌的等長收縮。開鏈運動中股四頭肌和腘繩肌有拮抗關系，但在支持、抬高或下降身體的閉鏈運動中改變?yōu)閰f(xié)同收縮。推或拉物體(抽屜或門)需軀干高度穩(wěn)定，以產(chǎn)生有效的推拉力。推的動作使腹肌和屈髖肌活動，這樣軀干不能伸直，而拉則背和髖伸肌活動所以軀干不能屈。俯臥撐的撐上期主要動作肌為伸肘肌、盂肱關節(jié)的內(nèi)收肌和伸肌以及肩胛骨的外展肌的向心收縮。為了維持挺直的軀干，前面有腹肌、屈髖肌和伸膝肌的等長收縮。除豎脊肌保持頸部伸直外，其他的背肌相對不活動。上肢的肌離心收縮，軀干前部的肌和小腿肌繼續(xù)等長收縮，來使軀體回到原來的位置。10、胸腰筋膜(胸背筋膜)：是非常強健的結締組織，連結肋、椎骨、髂骨和骶骨以及韌帶系統(tǒng)和軀干肌，作用于提舉重物越過頭和用