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脊柱运动的生物力学基础

  脊柱疾病和损伤与脊柱受力的异常有明确关系,而康复治疗和预防也需要对脊柱运动的生物力学有清楚的了解。本文旨在为临床和治疗技术人员提供相关的基础知识。

  1、结构特征:脊柱是人体运动的主轴。由多个椎体、多重关节(椎间“关节”、椎小关节)、众多肌肉和韧带紧紧围绕、生理弯曲,以满足脊柱的坚固性和可动性(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、位置特征:颈段支撑头颅,重心处于颈部前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、解剖特征:

  (1)椎管:椎骨构成一个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,边缘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。椎体前缘最薄弱,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础之一。

  (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。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。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,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厘米的差异。20岁以后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加,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,和椎间盘的载荷分配随脊柱位置而异,一般承受0~30%的脊柱载荷。脊柱过伸位时小关节突承载力显著增加。

  (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。韧带主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。黄韧带含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,使脊柱在生理范围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组成节段的后部。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,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,其余颈椎的椎小关节突均与横面呈450夹角而与额面平行,从而能够屈曲、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、旋转和少许屈伸。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:脊柱运动一般是几个节段的联合动作,称之为偶联运动。影响偶联运动的骨性结构有胸廓和骨盆,胸廓限制胸椎运动,骨盆倾斜可以增加躯干的运动。脊柱运动的正常范围变异很大,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加脊柱前屈范围,胸椎的作用有限。虽然胸椎小关节的形状有利于侧弯,但肋骨限制其活动。脊柱旋转主要发生在胸椎和腰骶部,腰椎的旋转十分有限。

  6、脊柱负荷:腰椎是脊柱主要承重部位。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加。腰椎载荷在放松坐位高于放松直立位,有支撑坐位小于无支撑坐位。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,增加脊柱载荷。

  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。身体处于平衡状态时,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,包括: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

  仰卧清醒 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(大范围) 1200

  双腿抬起 800

  仰卧起坐(小范围,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:所有运动都会增加腰椎载荷。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加。若活动范围仅限于躯干屈曲,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主要原因。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,主要在男性,女性发生率极低。骶髂关节运动范围平均4°。骶髂关节的骨性结构和强厚广泛韧带的结合形成了关节的自锁机制。当压力增加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,像钳子一样将骶骨夹得更紧阻止髂骨的下降。

  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:相关的肌肉包括: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主要功能是脊柱后伸时协同稳定脊柱。闭链运动中腰大肌是主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(主要是腘绳肌)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,肌电图可见竖脊肌突然抑制现象,一直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加。

  (4)蹲起和蹲下:从地面上提起物体的一种方法是屈膝、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,肌电活动大于屈曲位,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,竖脊肌的肌电活动减弱和抑制。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。这些运动的主动肌是肘关节屈肌(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。当脊髓损伤造成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)和腰方肌(T12-L1)提供强大作用力使骨盆接近臂或胸廓。站起和坐下,深屈膝,上楼或下楼均有相似肌活动的形式。从坐或蹲位上站立或上一级楼梯都需股四头肌的向心收缩来伸膝以及伸髋肌特别是腘绳肌的向心收缩来伸髋。竖脊肌相关的等长收缩来保持和头和脊柱的直立位。下降身体去坐或蹲下或下一级楼梯则需股四头肌和腘绳肌的离心收缩来屈膝、屈髋以及竖脊肌的等长收缩。开链运动中股四头肌和腘绳肌有拮抗关系,但在支持、抬高或下降身体的闭链运动中改变为协同收缩。推或拉物体(抽屉或门)需躯干高度稳定,以产生有效的推拉力。推的动作使腹肌和屈髋肌活动,这样躯干不能伸直,而拉则背和髋伸肌活动所以躯干不能屈。俯卧撑的撑上期主要动作肌为伸肘肌、盂肱关节的内收肌和伸肌以及肩胛骨的外展肌的向心收缩。为了维持挺直的躯干,前面有腹肌、屈髋肌和伸膝肌的等长收缩。除竖脊肌保持颈部伸直外,其他的背肌相对不活动。上肢的肌离心收缩,躯干前部的肌和小腿肌继续等长收缩,来使躯体回到原来的位置。

  10、胸腰筋膜(胸背筋膜):是非常强健的结缔组织,连结肋、椎骨、髂骨和骶骨以及韧带系统和躯干肌,作用于提举重物越过头和用高速投掷物体时稳定躯干。胸腰筋膜有前、中、后三层。前层最深,附于腰椎横突向外覆盖腰方肌。中层由强健的横行纤维组成,内侧附于腰椎横突,外侧附于第12肋和腹横肌。后层覆盖于背部,内侧附于棘突和棘上韧带,上方与夹肌的筋膜交织,下方附于骶骨,并与臀肌的筋膜交织,外侧附于肋和髂骨;在外侧中央成为腹内斜肌的起点。胸腰筋膜后层可进一步分为深浅两层。浅表为背阔肌的腱膜,其纤维从背阔肌附着的外侧缝向内下到达棘突;深层与浅层融合,其纤维以相反方向与浅层交叉。这二层共同形成强健的三角形结构。此外胸背筋膜还作为支持带包裹竖躯干肌和多裂肌。胸腰筋膜、肌肉和韧带系统共同参与胸腰活动的控制。