第七节
脊柱的生物力学

脊柱是一个整体，是人体的主轴，它必须协调坚固性和可动性（柔韧性）这两个相互矛盾的力学要求，而这个目的正是通过脊柱本身的综合结构来实现。每一块椎体的结合是其可动性的基础，周围的肌肉使各个椎体活动自如，众多椎体、肌肉和韧带紧紧围绕着脊柱维持其坚固性。

所有的椎骨均有类似的结构，由椎体、椎弓、上下关节突、棘突、横突构成。椎体是椭圆形不规则骨，一圈致密的骨密质包围海棉状的髓质（骨松质），上下骨密质中有较厚的软骨板衬垫，边缘由较厚的环形衬板（第二骨化中心）构成，衬板通常在14～15岁时与椎体融合成明显的骨框，异常的骨化过程中可能会导致骨骺炎。在椎体的矢状切面，除了可以看到按应力线相互斜行交叉的骨小梁，还可看到另两组骨小梁：一组从椎体上面向后延伸，至椎弓根水平时呈扇形分布于上关节突与棘突；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。以上两组骨小梁构成一个抗折力量最大的区域（图1-33C中实线所示）和最弱的三角形区域（图1-33C中虚线所示），这就解释了椎体前缘易于发生压缩性骨折的原因。

脊柱从侧面看有4个生理弯曲（即颈、腰前凸和胸、骶尾后凸），呈“S”形（图1-34），这是在人类进化过程中发展而来，在个体发育中也可以见到类似的改变。换言之，即在个体发育过程中重演种系发生的演变。从纵轴看，脊柱并非完全处于中轴位置：胸段偏后，即处于胸廓前后径的后1/4，这一改变也可以从局部因素加以解释，即为了扩大胸腔容量以适应心、肺需要，让肺可以有较大的膨胀空间及不妨碍心脏搏动；颈段为了支撑头颅，需要尽量靠近中轴，即处于颈部前2/3和后1/3的交界处；腰段为了支撑整个上半身的重量也必须居中；骶尾部向后，可以容纳腹腔与盆腔脏器。此外，脊柱还需要保护椎管内的脊髓和神经，即从枕骨大孔开始，椎骨构成一个可褶曲的有效管腔以容纳延髓和脊髓，但它所提供的保护作用并非绝对的，有时脊髓和神经根可以受到损害。

一、解剖学基础

脊柱包括7个颈椎、12个胸椎、5个腰椎、5个骶椎、4个尾椎，其中骶椎和尾椎成年后分别融合为一个骶骨和尾骨。脊柱上韧带主要有前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带。颈段前方肌肉主要包括胸锁乳突肌、斜角肌、颈长肌、头长肌、头前直肌、头侧直肌，其中胸锁乳突肌有一部分肌纤维也在颈段后侧，而后方肌纤维主要包括斜方肌、头夹肌、颈夹肌、肩胛提肌、颈半棘肌、头半棘肌、棘突间肌、横突间肌、头后大直肌、头后小直肌、头上斜肌、头下斜肌；胸腰段后方主要包括背阔肌、髂肋肌、最长肌、棘肌、半棘肌、多裂肌、回旋肌、棘突间肌、横突间肌，前方主要包括腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌、腹横肌、腰大肌；腰段侧方主要包括腰方肌。

二、脊柱的功能单位

脊柱的功能单位是运动节段（图1-35），它由两个脊椎和介于它们之间的软组织组成。两个叠在一起的椎体、椎间盘和前纵韧带形成节段的前部，相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突及韧带组成节段的后部，椎弓和椎体形成椎管以保护脊髓组成节段的中部。

（一）运动节段的前部

椎体的设计主要是为了承担压缩负荷，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，其横截面积也大一些。腰椎椎体的尺寸增大，使其能承受这部分脊柱所需的较大负荷。椎间盘在力学和功能上均极为重要，它由两种结构组成，内部为髓核，外部为纤维环。髓核是一种液态物质，它由富亲水性的葡萄糖胺酸聚糖的胶状凝胶组成。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织而成，自边缘向中心分布，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，并围绕髓核成椭圆形。青少年时期，这些纤维呈交织状，足可以避免任何髓核脱出的情况发生。以后，随着反复应力因素的影响，纤维环出现裂隙，凝胶状的髓核就可以从裂隙膨出。当椎间盘受压时，髓核承受75%的压力，其余25%的压力分布到纤维环。事实上，髓核及纤维环还会通过本身变形转移部分压力到纤维环上。髓核中心的压力永远不会是零，即使在完全无负荷下也是如此。其压力的来源是其涵水能力，使它在这个不可膨胀的范围内膨大，这就是“预应力”概念在人体内的表现，其目的在于增加抗压能力。随着年龄的增加，髓核的涵水能力削减，预应力作用消失，因此老年人的椎体缺乏弹性。髓核还同时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，左右侧亦然，从而使椎体获得较强的自稳性。

（二）运动节段的后部

运动节段的后部控制运动节段的运动，也参与一定的自稳性。运动的方向取决于关节突关节面的朝向。整个脊柱中，关节突关节面的朝向在水平面和矢状面上会逐渐改变。除了最上面两个颈椎的小关节突关节面接近水平面外，其余颈椎的关节突关节面与水平面大约呈45°夹角。这些颈椎关节突关节（C _3～7 ）的排列使它能够屈曲、伸直、侧弯和旋转。胸椎关节突关节面的朝向与水平面大约呈60°夹角，这种排列使其在胸区能侧弯、旋转和屈伸。腰椎关节突关节面与其他关节不同，该部位关节突关节面与水平面大约呈90°夹角，这种朝向和形状使之旋转活动的范围很小。值得提出的是，此处提供的只是每个部位均值的近似值，因为关节突关节面在每个节段是变化的，而且个体内或个体间均有差异。以前认为关节突关节主要是控制运动节段的活动，只具有有限的承载功能，但最近的研究表明，它们的承载功能较为复杂。关节突关节和椎间盘之间的载荷分配随脊柱位置而异，一般能承受0～30%的载荷。当脊柱处于过伸位时，关节突关节的承载能力最为明显。在脊椎滑脱或关节缺损时，椎体有向前移位的风险，这一事实说明椎弓和椎间关节在抗剪切力方面具有的重要性。由于关节突关节承载能力和其可能的活动范围，从而使其易受损伤，是引起疼痛的原因之一。横突和棘突作为脊柱肌肉的附着点，为脊柱的运动功能提供基础并为脊柱提供外在的稳定性。

（三）脊柱的韧带

脊柱的韧带有前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带和横突间韧带。韧带装置为脊柱提供部分内在的稳定性，分别附着于运动节段的前部、中间、后部。大多数脊柱韧带由延伸较小的胶原纤维构成。纵向连接椎弓的黄韧带是个例外，它含有较高比例的弹性纤维，黄韧带的弹性使其能在脊柱伸直时变短，而在屈曲时变长，因此，这种韧带在拉伸或缩短中处于动态平衡中；由于它远离椎间盘运动中心，这种拉伸或缩短常可使椎间盘受到预应力，即产生一个间盘内压力，为脊柱提供内在支持。韧带的另一功能是把不同载荷从一个椎体传递到另一椎体，并使脊柱在生理范围内以最小的阻力进行平稳运动。

三、脊柱的节段运动

脊柱的运动是由神经和肌肉的协调动作所产生。主动肌发动并开始运动，而拮抗肌则对运动进行控制和修正。脊柱的运动范围随脊柱部位的不同而不同，它取决于每一部位椎间关节小关节突的朝向。两个脊椎间的运动很小，并不能单独发生，脊柱运动往往是几个节段的联合动作。影响脊柱运动的骨性结构有肋骨架和骨盆，肋骨架限制胸椎运动，骨盆的倾斜则可以增加躯干的运动。

脊柱有6个自由度，即绕额状轴、矢状轴和垂直轴的侧弯、屈伸、旋转活动。脊柱单个节段的运动范围在不同的研究中有差异，但对脊柱不同部位的相对运动量还是有一致认识的。以下为几个节段的参考值，可以用来比较胸、腰椎不同部位的运动。上胸椎运动节段的屈伸范围参考值为4°，中胸段为6°，下胸段为12°。腰椎运动节段中的屈伸范围逐渐增大，在腰骶部位达到最高，为20°，事实上是通过增加关节和骨盆的倾斜活动来实现的。但最近有相反报道，即随着年龄的增加，活动范围递减。在总的活动中以腰段最大，愈至上部愈小。颈段脊柱的侧弯范围最大，达8°～9°，上胸段的侧弯范围为6°。除了腰骶部只有3°侧弯外，腰节段也有6°侧弯。胸椎上段的旋转最大，运动范围为9°，运动范围向尾部方向逐渐减小，在下腰节段为2°，但在腰骶段再度增加到5°。

四、脊柱的功能运动

不能在临床上测量节段运动，脊柱的任何运动都是数个运动节段的联合动作。脊柱运动的正常功能范围值并不存在，因为在不同个体中有很大差异。运动范围还随性别而异，并有较强的年龄依赖性，从青年到老年运动范围可以减少50%。脊柱屈曲开始的50°～60°发生在腰椎上。骨盆前倾可以加大屈曲，髋部屈曲从整体上又增加了整个脊柱前屈的范围。胸椎由于关节突关节面的朝向，以及棘突和肋骨架对运动的约束，它们在整个脊柱屈伸中范围比较小。屈曲由腹肌和腰肌的脊柱部分引起，身体上部的重量产生进一步的屈曲。随着力矩的增加，竖棘肌的活动逐渐增大，控制这部分的屈曲。髋后方肌肉及腘绳肌主动控制着骨盆前倾。但在充分屈曲时，竖棘肌不活动。在此位置下，前屈力矩可由后方韧带被动平衡，原来松弛的后方韧带，在此时因脊柱伸长拉紧而稳稳紧固在骨盆上。躯干从充分屈曲到直立位可见相反顺序，最先是腘绳肌收缩使骨盆后倾，然后臀肌，最后是腰背肌，使脊柱伸直。有些研究发现，使躯干直立时肌肉所做的向心作功比屈曲时肌肉所做的离心作功要大。在直立位后伸躯干，背部肌肉在运动初期积极活动，以后逐渐减小，而腹部肌肉变得主动。在极度过伸或强迫伸直时，再次需要伸肌活动。躯干侧弯时，胸椎或腰椎的运动显著。虽然胸椎关节突关节面的形状有利于侧弯，但由于肋骨架的限制使其受到不同程度的影响。运动时腰椎椎间关节、关节突关节均发生改变，这两个因素影响运动范围。竖棘肌及腹肌在脊柱侧弯时均起作用，这些肌肉的同侧肌群收缩引起侧弯运动，对侧肌群收缩则向对侧侧弯。旋转总是与侧弯联合发生，这种复合运动以上部肌肉最为明显，旋转和侧弯的复合形式也存在于腰椎。旋转发生在颈胸和腰部位，由于关节突的朝向关系，腰椎的旋转范围很小。旋转时，同侧和对侧的背部、腹部肌肉协同作用于脊柱两侧。骨盆运动对增加躯干功能性旋转的范围是必需的，功能性躯干运动不仅是脊柱各部位的联合运动，而且还依靠骨盆配合。任意部位的运动受限时，其他部位的运动就增加，因此配戴支具以限制胸椎和腰椎的运动，其结果是把运动转移到腰骶部位。

五、脊柱的负荷

由于腰椎承受的负荷远比其他脊柱部位要大得多，且其临床表现亦最令人关注，因此以下重点就腰椎负荷进行分析。

（一）身体位置对腰椎负荷的影响

腰椎是脊柱主要的承重部位，因此主要计算这个部位的脊柱载荷。在放松直立位时，椎间盘压力是由于间盘内压、被测部位以上的体重和作用在该运动节段的肌肉活动应力等的影响。躯干屈曲是由于前弯力矩增大而使负荷增加，脊柱前屈使椎间盘向背侧膨出，而在腹侧回缩，因此，压应力和拉应力均增加。若有旋转运动，则又增加了扭转载荷，使椎间盘上的应力进一步增加。在放松而无支撑的坐位时，腰椎所承受的载荷比放松直立位时要大。放松无支撑坐位下，骨盆后倾，腰前凸变直，原本位于腰椎腹侧的身体上部重力线进一步移向腹侧，使躯干重量所产生力的力臂增大，并进一步使腰椎的力矩加大。若躯干前屈，此力矩会进一步加大。此外，腰肌的活动也使腰椎承载。挺直位时，骨盆前倾和腰椎前凸的增加可减少腰椎上的载荷，但仍然比放松直立时要大。有支撑坐位时，由于上部身体的重量有一部分由靠背支持，故腰椎上的载荷小于无支撑坐位时。靠背的后倾连同腰椎的支持物，进一步减少载荷。但是在胸区的支撑会把胸椎和躯干向前推，形成脊柱前凸与靠背保持接触，使腰椎上的载荷增加。仰卧位时，因没有体重产生的载荷，脊柱承载量最小。仰卧位膝伸直时，腰肌对脊柱的拉力可以在腰椎上产生一些载荷。在髋和膝关节有支撑下屈曲时，由于腰肌放松使腰椎前凸变直，载荷减小。牵引下，载荷可以进一步减小。在患者仰卧、髋和膝关节在有支撑下屈曲、脊柱前凸变平的情况下，与腿伸直而保持腰椎前凸的情况相比，牵引所产生的力更为均匀地分布到整个脊柱上。

（二）提举或携带物品对于脊柱的影响

提举或携带物品是脊柱承受外界载荷最常见的情况，在这些活动中影响脊柱载荷的几个因素有：①与脊柱运动中心有关的物体位置；②脊柱屈曲和旋转的程度；③物体的特性、尺寸、形状、重量和密度。贴近身体而不是远离身体持物体，可以减少作用在腰椎上的弯曲力矩，因为此时物体重心与脊柱运动中心之间的距离减到最小。已知物体重量所产生重（阻）力的力臂越短，弯曲重（阻）力矩就越小，因此，腰椎负荷也越小。所携带物体的尺寸、形状及重量和密度均影响脊柱上的载荷。若所持物体的重量相等、形状相同、密度均匀，但尺寸不同，则尺寸较大的物体重量所产生的重力臂就较长，腰椎上的载荷也较大。在身体前屈位拿起重物时，不仅物体重量会产生力，而且上部身体的重量也将在椎间盘上产生弯曲力矩，其结果就是在脊柱上增加了载荷，这个弯曲重（阻）力要比直立时产生的要大。提举重物时，一般都推荐屈膝进行工作，以减少脊柱上的负荷，但这种方法只有在正确使用时才有效。屈膝提举时若把物体紧靠身体提起（如果物体不大），结果物体较接近脊柱的运动中心，但如果在身体前方，远离运动中心提起物体，载荷并不能减少，即使屈膝，也只会增加而不会减少弯曲力矩。

六、运动对腰椎载荷的影响

几乎身体上所有的运动都会增加腰椎上的载荷，包括慢走和轻度旋转时均可轻度增加，某些运动则可导致载荷显著增加。在做增强竖棘肌和腹肌的运动时，脊椎上的受载情况是人们极为感兴趣的一个动力学问题。这些运动应该有利于增强相关的肌肉，但应在脊柱所受载荷适合个人背部的条件下进行。飞燕式的俯卧位过度背伸大大激活了竖棘肌的活动，在此体位下，脊柱的载荷在脊柱结构上产生的应力比向中心施加的载荷要大，这种过伸活动应予避免，所以在做增强竖棘肌训练时脊柱保持在较为平行的起始位置才是最可取的。

直腿位仰卧起坐常用来作为增强腹肌的运动，但这种运动很少能活动腹肌，却是腰肌（腰方肌、腰大肌）的活动最大，并使骨盆前倾。以屈髋、屈膝来限制腰肌活动后再行仰卧起坐可以有效地活动腹肌，但也使腰椎间盘的压力大为增加。若锻炼的活动范围仅限于躯干屈曲，头和肩只抬高到肩带离开床面的位置，以排除腰椎运动，即可使腰椎上的载荷减小。做这种改良康复运动会对肌肉中的运动单位激活更多，使整个腹外斜肌和腹直肌均活动。

【复习思考题】

1.简述不同载荷方式下的骨的生物力学特征。

2.关节软骨的润滑作用主要包括哪些方式？

3.从力学角度解释人体软组织的应力松弛和蠕变反应。

4.简述运动单位的组成及其存在的意义。

5.简述周围神经的结构与功能。 wezKDGsDtoS5FSCIm/U/0Ix9dRMhXPGdu/mDVkLjsHR1LFUlX+NWdo8MeJm3hGkT