脊柱的组成及其力学性能.ppt

脊柱的组成及其力学性能 广东省中医院骨一科孔畅 引言 脊柱基本组成及相应的力学特性腰椎运动学腰椎动力学 脊柱基本组成和运动特征 结构特征位置特征解剖特征运动特征肌肉作用胸腰筋膜 结构特征 人体运动的主轴 由多个椎体和多重关节 椎间关节 椎小关节 组成 众多肌肉和韧带围绕 并有生理弯曲 以满足脊柱的坚固性和可动性 其活动有三维方向 前后 左右 旋转 和6个自由度 位置特征 脊柱的颈段支撑头颅 重心处于颈部前2 3与后1 3的交界处 胸段重心偏后 胸廓前后径的后1 4 与胸廓共同分担胸以上躯体的重量 腰段居中 甚至前凸 以支撑体重 解剖特征 椎管椎骨椎间盘椎小关节脊柱韧带 椎管 由椎孔连结而成 上接枕骨大孔和颅腔相通 下延续为骶管而止于骶管裂孔 椎管的前壁由椎体后部 椎间盘后缘和后纵韧带构成 后壁是椎板和黄韧带 两侧壁为椎弓根和椎间孔 每个椎孔可分为中央区 侧区和后区 椎管内容有脊髓和马尾 脊神经根 脊髓的三层被膜 膜间隙及其内的脑脊液等 椎骨 椎骨由椎体 椎弓 上下关节突 棘突 横突组成 椎体椭圆形短扁骨 致密的骨皮质包围海绵状的髓质 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 椎体前缘最薄弱 易发生椎体骨折 椎体中部和后部的骨折多涉及椎管 椎间盘 椎间盘是由纤维环 髓核和软骨终板三部分构成 纤维环由同心胶原纤维层组成 层内纤维平行排列 层间纤维排列则相互交叉 相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为 30 纤维环内是透明凝胶状的髓核 约占椎间盘横截面积的50 60 软骨终板指椎间盘上 下两面的透明软骨板 厚1mm左右 位于椎体终板表面的凹面关节之间 IVD在脊柱中形成最重要及独一无二的关节系统 允许脊柱在多个面上运动 这些纤维软骨的复合结构约占整个脊柱长度的1 4 从C2 3椎体间至L5 S1椎体间均有椎间盘 颅骨 C0 与寰椎 C1 间没有间盘 寰枢椎 C1 C2 间也没有真正的间盘 在每一个板层内 胶原纤维的排列方向与水平面呈30度角 由于每两个相邻板层的排列方向相反 导致胶原纤维的方向在两个相邻的板层间有120度的角度变化 胶原的交错排列使其张力强度大增 同时也允许多平面的运动 间盘的结构类似于辐射状的汽车轮胎 有很好的强度 同时抗压及抗张能力也很强 椎间盘纤维环内 外层纤维的组成与排列均有所不同 总的来看 纤维环中II型胶原含量高于I型胶原 但由内向外I型胶原所占比例逐渐增加 更重要的区别则在于外层纤维与椎体相联结 内层纤维则逐渐在形态上向软骨终板过渡 于是 纤维环的内层纤维就与软骨终板形成严密包容髓核的容器 椎间盘内压的测定 早在1932年 Gocke就发现将髓核浸入液体后其重量增加1倍 以后其他学者陆续证实这一现象 并注意到髓核通过吸收液体使自身内部压力升高 并认为这可能是引起腰椎间盘突出的原因 1960年由Nachemsom证实正常与接近正常的椎间盘髓核均呈流体静压状态 他采用一种针式传感器从主应力的三个方向来测定椎间盘内压 椎间盘内压实验方法是将一个微型压力传感器装在一个特制的针尖上 当针刺入髓核后 压力便通过传感器反映出来 结果见右图椎间盘中的基质是髓核 由弹性凝胶组成 其中80 是水份 人在10 19岁间由血液供养 但20 29岁变窄逐渐失去血管 靠骨端板淋巴渗透来供养极富弹性和韧性 受力最频繁也最复杂 承受3倍体重的压力也不会破裂 椎间盘内压及生理特点 体重的百分数 相当体重的3倍 结果显示 正常椎间盘内压为轴向压缩载荷的1 3 1 5倍 当外载荷达到2000N之前 椎间盘内压与外载荷呈线性关系 并计算出垂直压应力大约为外载荷的50 而切向应力与张应力却高达外载荷的4 5倍 黄韧带的预张力使椎间盘在不受载时即具有0 05MPa的所谓预压强 同时 对腰椎间盘在剪切 扭转 前屈和后伸等载荷作用时椎间盘内压的变化及其髓核含水量的关系进行研究表明 当承载量相同时 椎间盘内压从上腰椎到下腰椎逐渐减小 椎间盘内压活体测量及人体各姿势及完成各种动作时椎间盘内压变化的观察 将椎间盘内压与腰背肌的肌电信号 腹内压作了比较 从而求出各种位置和动作时 椎间盘内压的相对比例 以直立为100 椎间盘力学特性 受压特性 受压后纤维四周膨出 脊柱运动节段的试验 首先破坏的是椎体而不是间盘 临床上的突出 多数是盘内应力分布不均 不单是由于受压受拉特性 椎间盘无论受压还是受拉其纤维环总是承受张力 纤维环在不同方向强度 刚度不同 沿纤维走向强度是竖向的3倍 受弯特性 变弯椎间盘膨出 前屈前膨 后屈后膨 即都在凹侧膨出 因而凹侧受压 凸侧受拉 受扭特性 大的椎间盘能承受较大扭矩 但扭转角超过20o则发生断裂受剪特性 椎间盘水平剪切强度大约为260N mm2 260MPa 是个很高的值 所以临床很少发现单纯剪切暴力导致纤维环破裂 其破裂多为弯 扭 拉组合作用时产生 椎间盘的压缩特性 压缩载荷通过终板作用于椎间盘的髓核和纤维环 髓核内部产生的液压使纤维环有向外膨胀的趋势 外层纤维环承受了最大张应力 内层纤维环承受的张应力较外层小 但承受一部分压应力 严重退变的椎间盘中 由于髓核脱水 压缩载荷在椎间盘内的分布发生较大的变化 表现为终板中心的压力减小 周围的压力增高 相应的纤维环纤维承受了更大的应力 椎间盘的压缩 典型的椎间盘压缩试验标本应具有完好的前后纵韧带与毗邻的椎体 即所谓的 功能单位或运动节段 典型的压缩载荷 变形曲线呈 S 形 表现三个特征阶段 即在低载荷时 曲线上升平缓 刚度值小 提供脊柱的柔韧性 随着载荷加大 曲线变陡 刚度值变大 当载荷增大到某一临界值时 曲线不再上升 刚度值下降 因此高载荷时提供脊柱的稳定性 椎间盘承受压缩载荷时 髓核内的压力为外压力的1 5倍 纤维环承受的压力为0 5倍 而后部纤维环的张应力是外压力的4 5倍 压缩载荷通过终板作用于椎间盘的髓核和纤维环 髓核内部产生的液压使纤维环有向外膨胀的趋势 外层纤维环承受最大的张应力 内层纤维环承受的张应力较外层为小 但承受一部分压应力 退变的椎间盘中 由于髓核脱水 压缩载荷在椎间盘内的分布发生较大的变化 表现为终板中心的压力减小 周围的压力增高 相应纤维环外层的张应力减小 压应力增高 但纤维环承受了更大的应力 椎间盘的压缩特性 用腰椎活动节段所得到的载体 变形曲线呈S形 这提示椎间盘在低载荷时主要提供脊柱的柔韧性 并随载荷增加而加大刚度 当高载荷时则提供脊柱的稳定性 有人发现虽然高载荷可造成椎间盘的永久形变 但并不能造成纤维环的破裂和髓核突出 即使在纤维环的后外侧作一切口也无济于是 Brown通过静加载试验比较椎间盘与椎体的抗压强度 发现先发生破坏的总是椎体 而破坏的方式又取决于椎体本身情况 至于椎间盘正常与否并不影响椎体的破坏载荷 Farfan证明已发生退变的椎间盘在抗压强度上实际高于正常的椎间盘 他用椎间盘造影方法观察压缩负荷下腰椎间盘髓核的运动情况 试验中首先听到破裂声表明软骨板骨折 髓核进入椎体内 形成Schmorl s结节 表明虽然Schmorl s结节是由压缩载荷引起的 但过度的压缩载荷并不造成椎间盘突出 虽然压缩载荷并未能造成髓核的突出 但在实验中却发现椎间盘承受压载时纤维环向外膨出 且膨出以前方最为明显 纤维环的板层结构可对抗机械应力 防止脊柱结构单位异常运动 纤维环的板层结构可对抗机械应力 防止脊柱结构单位异常运动 内部高压力特性与汽车轮胎极其相似 终板相对于髓核类似于代谢泵 纤维环失神经支配导致不稳与疼痛 失神经的髓核 水肿的凝胶层 环形撕裂 外层纤维环撕裂 椎间盘的拉伸特性 无论脊柱承受何种载荷 其纤维环的某一部分总会产生张应力 承受轴向压载时纤维环的外层纤维沿纤维排列方向产生较大的张应力 而轴向张应力却比较小 与外层纤维相比 内层纤维的应力类型相同但量值却小的多 Brown将椎间盘作成标准试件进行拉伸试验 结果发现纤维环的前部和后部抗拉强度最高 而侧方相对较低 最低的是纤维环的中央部分与髓核 Galante从各相异性角度测定纤维环的抗拉强度和抗拉刚度 观察到其抗拉强度和刚度随加载方向不同而相差悬殊 Markolf观察到椎间盘的抗拉应力小于抗压应力 并认为这是椎间盘内压作用所致 椎间盘的弯曲特性 弯曲载荷对椎间盘亦有影响 Roaf观察到纤维环的膨出 总是发生在弯曲脊柱的凹侧 前屈时膨出在前 后伸时膨出在后 而髓核的位置与形状无改变 Reuber发现腰椎以向侧方弯曲时纤维环膨出最为明显 Adams在实验中使腰椎活动节段过度前屈 首次造成在下腰椎实验中纤维环破裂与髓核的突出 而这一现象在退行性改变的椎间盘中就更加明显 椎间盘的剪切特性 Markolf在椎间盘的剪切实验中测定其剪切刚度为260N mm 据此认为剪切载荷一般不致引起纤维环的破裂 而可能是弯曲 扭转和拉伸复合作用的结果 椎间盘的扭转特性 扭转是引起椎间盘损伤的诸负荷中最主要类型 扭转载荷在椎间盘的水平面和垂直面上产生剪切应力 其应力大小与距旋转轴的距离成正比 椎间盘的扭转特性 Farfan根据对腰椎活动节段作扭转试验的结果 提出扭转是引起椎间盘损伤诸应力中最主要类型 他所记录的扭矩 转角曲线呈S形 完成0 3 的轴向旋转仅需很小扭矩 而转角由3 12 这一阶段二者基本成线性关系 若要造成破坏 则转角一般需达到20 左右 破坏后椎体及软骨终板并未发现有骨折 因而他认为是纤维环发生了损伤 另外正常椎间盘的破坏扭矩要比退变椎间盘高出25 但破坏转角小于退变椎间盘 纤维环承受扭转载荷的能力较弱是由其解剖学特点决定的 如前所述 纤维环的纤维与椎间盘水平面成 30角 因此当其被扭转时承载的仅仅是其中一部分纤维 强度远远低于承受压载与拉载时 同样 外层纤维所受的扭力要大于内层纤维 因而也就更容易发生断裂 退变椎间盘的破坏扭矩比正常椎间盘小25 椎间盘的粘弹性 椎间盘的粘弹性主要表现为蠕变与松弛 所谓蠕变 系指在一段时间内由低载荷持续作用所导致的逐渐形变 也就是形变程度因时间而变化 应力松弛或载荷松弛则指材料受载后形变达一定程度时 应力载荷随时间而减低 椎间盘的粘弹性使其自身能够有效地缓冲和传递载荷 载荷量越大 所产生的变形越大 蠕变率也就越高 已有研究发现 腰椎的前屈范围在正常情况下傍晚要比早晨大5左右 而向尸体腰椎活动节段施加前屈蠕变载荷以模拟一天的活动时 发现其抵抗前屈的能力明显减弱 这说明前屈载荷在早晨所产生的应力要大得多 腰椎受损伤的危险性也大 椎间盘的退行性变对其本身的粘弹性有明显的影响 当椎间盘发生退变后 蠕变率与初始松弛率均增加 达到平衡所需时间也相应缩短 达到平衡时的载荷也减低 这说明椎间盘发生退变后 缓冲和传递载荷的功能相应减弱 椎间盘的粘弹性还表现为具有滞后特性 系指粘弹性材料在加载与卸载过程中的能量丢失现象 卸载后载荷 变形曲线如低于加载时则表现有滞后现象出现 通过滞后这一过程 椎间盘可有效地吸收能量而使人体免受伤害 椎间盘的滞后程度还与年龄 载荷量及节段有关 椎弓根和关节突 椎弓根是椎体外侧面和后面交界处上部向后突出的短而厚的圆柱 因而椎弓根弧状的椎上切迹较椎下切迹浅 颈椎的椎弓根的形态学变异较大 对不同的个体和不同的节段 进行椎弓根固定须行个体化设计 总的来说 椎弓根的高度大于宽度 胸椎椎弓根上缘与椎体上面的终板相平行 其上下缘位于椎体的上2 3处 椎弓根的长轴中心线向下倾 其矢状径大于横径 腰椎椎弓根短小 容易辨认 椎弓的破坏多发生于椎弓根和椎弓峡部 采用三维有限元方法分析亦证实这两个部位均为应力集中区域 但椎弓根部的损伤临床上非常少见 多数椎弓峡部裂患者亦无明显外伤 目前多数意见认为腰椎椎弓峡部裂实质上系由局部应力异常增高所致的疲劳骨折 脊柱的节段的活动类型取决于椎间小关节面的取向 而小关节面取向在整个脊柱上有一定的变化 下颈椎的小关节面与冠状面平行 与水平面呈45 允许颈椎发生前屈 后伸 侧弯和旋转活动 胸椎的小关节面与冠状面呈20 与水平面呈60 允许侧弯 旋转和一定程度的屈伸 腰椎的小关节面与水平面垂直 与冠状面呈45 允许前屈 后伸和侧弯 但限制旋转运动 关节突除引导节段运动外 还承受压缩 拉伸 剪切 扭转等不同类型的负荷 其承受负荷的多少因脊柱的不同运动而变化 后伸时关节突的负荷最大 占总负荷的30 另外70 由椎间盘负荷 前屈并旋转时关节突的负载也较大 另外关节突关节所承受的压缩负荷占腰椎总负荷的18 关节突关节承受拉伸负荷主要发生要腰椎前屈时 当腰椎前屈至最大限度时所产生的拉伸负荷有39 由关节突关节承受 此时上下关节突可相对滑动5 7mm 关节囊所受的拉力为600N左右 而正常青年人关节囊的极限拉伸负荷一般在1000N以上 大约相当于人体重量的两倍 当腰椎承受剪切负荷时 关节突关节大约承受了总负荷的1 3 其余2 3则由椎间盘承受 但由于椎间盘的粘弹性受负荷后产生蠕变和松弛 这样几乎所有的剪切负荷均由关节突关节承受 需附着于椎弓后方的肌肉收缩使上下关节突相互靠拢 又在关节面上产生较大的作用力 亦有人认为关节突关节只承受向后的剪切力 而在承受向前的剪切负荷时不起主要作用 腰椎关节突关节的轴向旋转范围很小 大约在1度左右 实验表明 当轴向旋转范围超过1 3时即可造成关节突关节的破坏 因此有人提出 限制腰椎的轴向旋转活动是腰椎关节突关节的主要功能 韧带 韧带属胶原组织 主要由胶原纤维 弹力纤维 网状纤维和基质四种成份组成 但其比例及构成方式不仅与肌腱 皮肤等其他胶原组织不同 而且还因不同的韧带而有所差异 韧带力学性能 脊柱的韧带 1 保证准确的生理运动及固定相邻椎体的位置姿势 2 限制过度的活动以保护脊髓 3 在快速高载荷的创伤环境中保护脊髓 因而需要吸收突然施加的大量能量 一 前纵韧带和后纵韧带是人体内两条最长的韧带 对于稳定椎体起着重要的作用 其力学强度随着年龄的增长而降低 同时吸收能量的能力也下降 前纵韧带的强度是后纵韧带的两倍 二 黄韧带黄韧带主要由弹性纤维构成 可以允许较大范围的活动而不发生永久变形 这一点有很重要的临床意义 当脊柱从完全屈曲突然变成完全背伸时 高弹性的黄韧带可以减少脊髓的损伤 三 韧带的生物力学机能前纵韧带 后纵韧带和黄韧带 它们的载荷 变形曲线均为非线性 随着载荷的增加而坡度变陡 韧带在脊柱的功能活动中起着两种相当重要的作用 以最小的抵抗及能量的消耗保证脊柱在功能范围内的一些和缓运动 而在创伤环境中则为脊髓提供最大的保护 胶原纤维使韧带具有一定的强度和刚度 弹力纤维则赋予韧带在负荷作用下延伸的能力 韧带大多数纤维排列近乎平行 故其功能多较为专一 往往只承受一个方向的负荷 脊柱韧带的功能主要是相邻脊椎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 脊柱的离体标本在牵拉负荷作用下仍保持一定的椎间盘内压 这种预应力在相当程度上来源于韧带的张力 以黄韧带最为突出 所有韧带无具有抗牵张力的作用 但在压缩力作用下疲劳很快 韧带的强度与韧带的截面积密切相关 实验研究表明 韧带的疲劳曲线呈典型的三相改变 在初始相 施加轴向载荷就很容易牵拉韧带 此相是韧带的中性区 阻力很小就可以出现形变 接着随载荷增大 韧带出现变形的阻力也增大 此相为弹性区 最后 在第三相 随着载荷增大 韧带迅速出现变形 此相发生邻近破坏之前 在脊柱韧带中 腰椎韧带的破坏强度最高 另一点必须考虑韧带与骨的界面 界面部的破坏由这两种结构的相对强度决定 在严重骨质疏松病人 骨质破坏比韧带破坏更容易出现 脊柱的韧带承担脊柱大部分牵张载荷 它们作用方式如橡胶筋 当载荷方向与纤维一致时 韧带承载能力最强 当脊柱运动节段承受不同的力和力矩时 相应的韧带被拉伸 并对运动节段起稳定作用 脊柱韧带有许多功能 首先韧带的存在既允许两椎体间有充分的生理活动 又能保持一定姿势 并使维持姿势的能量消耗降至最低程度 其次通过将脊柱的运动限制在恰当的生理范围内以及吸收能量 对脊柱提供保护 在高载荷高速度加载外力下 通过限制位移 吸收能量来保护脊髓免受损伤 上述功能特别是能量吸收能力 随年龄的啬而减退 一般认为 前纵韧带甚为坚强 与后纵韧带一起能够阻止脊柱过度后伸 但限制轴向旋转 侧屈的作用不明显 小关节囊韧带在抵抗和侧屈时起作用 棘间韧带对控制节段运动的作用不明显 而棘上韧带具有制约屈曲活动的功能 研究表明棘上韧带具有很高的破坏强度 实际上结合它们与旋转瞬间轴的距离 此韧带在脊柱的稳定性方面发挥重大的作用 横突间韧带在侧屈时承受最大的应力 该韧带与侧屈活动的IAR相距较远 杠杆臂较长 故有良好的机械效益 在所有脊柱韧带中 黄韧带在静息时的张力最大 单纯节除黄韧带不会引起脊柱的不稳定 但动态运动条件下尤其是屈曲和后抻时其确切作用尚不清楚 有一点可以明确 脊柱不稳定促进黄韧带的退变和骨化 对脊柱的前纵韧带 后纵韧带 关节囊韧带 黄韧带和棘间韧带进行的破坏试验显示 前纵韧带和小关节囊最强 棘间韧带和后纵韧带最弱 破坏载荷的范围为30 500N 腰段脊柱的韧带数值最大 刚度最大的结构是后纵韧带 棘上韧带有最大的破坏前变形量 而前纵韧带和后纵韧带的破坏变形量最小 肌肉 在休息和活动中 没有完整的椎旁肌作用 脊柱动态的稳定性就无法保持 肌力为保持姿位的必需条件 神经和肌肉的协同作用产生脊柱的活动 主动肌引发和进行活动 而拮抗肌控制和调节活动 与脊柱活动有关的肌肉可根据其所处位置分为前后两组 位于腰椎后方的肌肉又可进一步分为深层 中间层和浅层三组 深层肌肉 包括起止于相邻棘突的棘间肌 起止于相邻横突的横突间肌以及起止于横突和棘突的回旋肌等中间层肌肉 主要指起于横突 止于上一椎体棘突的多裂肌浅层肌肉 即骶棘肌 自外向内可分为髂肋肌 最长肌和棘肌三组 前方的肌肉包括腹外斜肌 腹内斜肌 腹横肌和腹直肌等 放松站立时 椎体后部肌肉的活动性很低 特别是颈 腰段 据报告 这时腹肌有轻度的活动 但不与背肌活动同时进行 腰大肌也有某些活动 支持身体重量的脊柱在中立位具有内在的稳定性 躯体重心在水平面移动 要求对侧有一效的肌肉活动以维持平衡 因此 躯体重心在前 后 侧方的移位分别需要有背肌 腹肌和腰大肌的活动来促进 前屈包括脊柱和骨盆两部分运动 开始60 运动由腰椎运动节段完成 此后25 屈曲由髋关节提供 躯干由屈曲位伸展时 其顺序适与上述相反 先是骨盆后倾 然后伸直脊柱 腹肌和腰肌可使脊柱的屈曲开始启动 然后躯干上部的重量使屈曲进一步增加 随着屈曲亦即力矩的增加 骶棘肌的活动逐渐增强 以控制这种屈曲运动 而髋部肌肉可有效地控制骨盆前倾 脊柱完全屈曲时 骶棘肌不再发挥作用 被拉长而绷紧的脊柱后部韧带使向前的弯矩获得被动平衡 在后伸的开始和结束时 背肌显示有较强活动 在中间阶段 背肌的活动很弱 而腹肌的活动随着后伸运动逐渐增加 以控制和调节后伸动作 但作极度或强制性后伸动作时 需要伸肌的运动 脊柱侧屈时骶棘肌及腹肌都产生动力 并由对侧肌肉加以调节 在腰椎完成轴向旋转活动时两侧的背肌和腹肌均产生活动 同侧和对侧肌肉产生协同作用 腰椎运动学 腰椎的活动有6个自由度冠状轴 X轴 屈曲 伸展和左右侧向平移纵轴 Y轴 轴向压缩 轴向牵拉和顺 逆时针旋矢状轴 Z轴 左 右侧屈及前 后平移 运动节段 运动节段是脊柱的最小运动单位由两个相邻的椎体 椎间盘和纵韧带形成运动节段的前部 相应的椎弓 椎间关节 横突 棘突 韧带组成运动节段的后部 运动节段 前部 承担压缩负荷 上部身体重量加大时 椎体相应变得更大 因此腰椎的椎体比颈椎和胸椎的椎体高 其横截面积也大一些 运动节段 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颈椎的小关节突朝向横断面 其余颈椎的小关节突与横断面呈45度角而与额状面平行 从而能够多方位活动 胸椎小关节突的朝向与横断面呈60度角 与额状面呈20度夹角 使其能侧弯 旋转和少许屈伸 腰部小关节突的朝向与横断面呈直角 与额状面呈45度角 使其能屈伸和侧弯 但不能旋转 腰椎的生理活动及其范围 对于腰椎的生理活动范围研究资料很少 且不够详尽系统 又由于测量方法的准确程度以及个体之间差异等因素的影响 各家报告的正常值亦相差很大 在矢状面 新生儿的脊柱在其全长范围内呈现出一个柔和的突同后方的弯曲 这个突向后方的弯曲称为脊柱后凸 随着发育孩子们获得了控制头部运动的能力 并能够保持头部直立 颈部直立的姿势使颈椎出现继发性弯屈 形成突向前方的弯曲 称为颈椎前 四足动物的脊柱皆具有这种相同的矢状面上的弯曲 当孩子们开始直立坐着且行走时 脊柱形成另一个继发性 称为腰椎前凸 相对固定的胸椎和骶椎在矢状面上的弯曲是原发性弯曲 来源于新生儿其脊柱的姿势 椎体结构上的楔变促成胸椎和骶椎后凸的大部分 另一方面 颈椎和腰椎的前是继发性的 一般来说 不是由于骨质的楔变 而是由于相仿的椎节相互成角造成的 即是椎间盘楔变而非椎体楔变 矢状面上的弯曲具有吸收能量功能 从而避免了损伤 改变方向的弯曲确有吸收能量的潜力 但新生儿脊柱后也具有近似的潜力和 原始的新生儿后允许内部的各系统有巨大的容积 在幼儿早期发育过程中 脊柱前保持了头部向上的位置 提供了稳定的两足行走 White综合他人与自已的研究成果得出腰椎活动生理范围估计值 从表中看出 腰椎活动节段的屈伸范围由上至下逐渐增大 而侧弯范围除腰骶关节外大致相等 轴向旋转范围又以腰骶关节为最大 但总的来看明显小于屈伸和侧弯 这主要是关节突关节面方向所决定的 腰椎关节突关节与颈胸椎有所不同 其关节面并非平面 且与横截面成90角 与冠状面成45角 如此排列方式使腰椎几乎不能轴向旋转 而只能屈伸和侧弯 腰椎的轴向旋转主要发生在骶髂关节 脊柱前屈的最初50 60主要出现在下腰椎 而骨盆的前倾则允许脊柱的进一步前屈 由于关节突关节的关节面向前倾斜 棘突几乎完全垂直 再加上肋骨的限制等原因 使整个胸段脊柱不能前屈 脊柱的前屈始于腹肌和腰肌椎体部分的作用 然后躯干上部的重量使前屈进一步加大 但随力矩加大骶棘肌的活动也逐步增强使前屈受到控制 当脊柱前屈时髋后部肌肉可有效地控制骨盆的前倾 但在达到充分屈曲后骶棘肌即不起作用 处于这一位置时原本松弛的脊柱后部韧带因受拉伸而绷紧 从而使向前的力矩获得被动性平衡 当躯干完全前屈转为直立位时则恰好顺序相反 骨盆出现后倾 然后脊柱后伸 有些研究发现在躯干伸展时 肌肉所作的向心收缩功要大于屈曲时肌肉所作的离心收缩功 其机理尚不清楚 腰椎活动的耦合性 脊柱活动不是单方向的 而是多方向的耦合 屈伸活动 X轴旋转 与侧弯活动 Z轴旋转 的耦合在脊柱的颈胸腰段均存在 此外腰椎还有另外两种类型的耦合即Y轴旋转与平移的耦合 以及Y轴旋转与Z轴旋转的耦合 这一耦合在病理情况下常可见到 如脊柱侧凸患者不仅表现为明显的脊柱侧凸畸形 Z轴旋转 同时大多数伴有轴向旋转畸形 Y轴旋转 脊柱的任何耦合运动均可用三维坐标的六个自由度以数字的方式表示 在脊柱椎间运动中 平动较少 幅度也较小 旋转和弯曲较多 且每一运动节段的运动范围也有差异 影响偶联运动的骨性结构有胸廓和骨盆 运动的正常范围变异很大 为明显的年龄因素脊柱的整体屈曲50 60度起始于腰椎骨盆前倾和髋部屈曲能增加脊柱的前屈范围 胸椎的作用有限 胸椎小关节利于侧弯 但肋骨限制其活动 脊柱的旋转主要发生于胸椎和腰骶部 腰椎的旋转有限 表面关节活动 对相邻两节段脊椎表面之间的活动一般采用瞬时旋转中心来表示 一般认为 屈伸活动 X轴旋转 的瞬时中心位于椎间盘内 侧弯活动 Z轴旋转 时瞬时中心一般位于椎间盘的右侧 即向左侧弯时则位于椎间盘的左侧 轴向旋转 Y轴 的瞬时旋转中心位于椎间盘的后部 在病理情况下 瞬时旋转中心的轨迹发生异常改变 这提示瞬时旋转中心的测量可能有助于腰椎疾患的诊断 当椎间盘退变之后瞬时旋转中心会发生改变 其轨迹范围增大 这使关节突关节及有关韧带所受剪力增加 所以瞬时旋转中心的改变是退变性腰椎不稳的早期特征 腰椎的生理曲度 脊柱曲度的生物力学意义在于增加脊柱抵抗纵向压缩载荷的能力 这一抵抗能力于脊柱曲度值的平方成正相关 即R N2 1其中R为有曲度脊柱的抵抗能力 N为脊柱的曲度 人体的腰椎曲度为第三外曲度 即N 3 计算可知腰椎所能承受的压缩载荷为腰椎平面以上体重的10倍 脊柱的曲度还可用Delmas指数表示 Delmas指数 脊柱高度 脊柱长度X100 正常Delmas指数为94 称动力型脊柱 当脊柱曲度小时 指数大于96 称为静力型脊柱 站立不同姿势及维持因素 人体的不同姿势需要肌肉的外源性支持 去肌肉的脊柱在所承受的轴向压缩载荷超过20N就发生弯曲 躯干的重力线通常在第4腰椎的腹侧通过 这说明重力线通常位于脊柱所有活动节段的X轴的腹侧 从而使活动节段获得向前的弯矩 重力线的任何移位都将产生弯矩 因而需要肌肉的间歇活动来维持 骨盆的倾斜度改变也影响腰椎前凸程度 从而影响肌肉的活动 不同姿势腰椎载荷变化 当放松直立时 腰3平面承载几乎为该平面以上体重的2倍 而当身体前屈时由于向前弯矩的增加使腰椎承载也随之增大 当无靠背端坐时 腰椎承载将超过放松直立时 有靠背坐时 腰椎承载将较无靠背时减低 这主要由于靠背承受了一部分身体上部的重量 当人体仰卧时腰椎承载最小 如行重力牵引时又可进一步减轻载荷 一般总是将挺胸抬头即保持腰椎前凸作为标准的姿势 但有人发现蹲坐的人群中椎间盘退为的非常少见 为此有人进行研究会发现 关节突关节在直立进承受大部分剪切载荷 当椎间盘发生退变后关节突关节的承载作用更加明显 腰椎要前屈可使关节突关节承受压缩载荷减小甚至不承受压缩载荷而只承受剪切载荷 使其退变过程得以延缓 纤维环前部虽然在腰椎前屈时应力达到最大 但由于这一部分较厚且刚度较大 发生椎间盘内压也随腰椎前屈而增加0 5倍 但是尚不至于造成损伤 蹲起和蹲下 蹲起可用2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 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 当脊柱后凸位膝伸直屈髋时 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 而峰值在提物中段 虽然躯干前屈时提物可减轻对椎间盘的压力 然而背伸时提物肌控制也会提供对关节突关节的保护 肢体功能性活动 引体向上俯卧撑从坐位推起用拐杖走路 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肌的向心收缩 腹肌和躯干伸肌的等长收缩是非常重要的 当腹肌和躯干肌麻痹时 无论上肢肌力如何也不能抬高身体 在手臂固定的躯干闭链运动 如引体向上 中 背阔肌 C3 6 和腰方肌 T12 L1 提供强大的作用力使骨盆接近臂或胸廓 推的动作需躯干高度稳定 以产生有效的推拉力 推的动作需要腹肌和屈髋肌收缩以保持躯干不后伸 而拉的动作需要背肌和伸髋肌收缩来限制躯干的屈曲 腰椎动力学 腰椎动力学主要涉及到运动过程中作用于腰椎的载荷 无论是慢步行走或随意转体时可中度增加载荷 而作一些训练活动可较明显的增加载荷 以不同速度行走时 腰3 4活动节段所承受的压缩载荷可达到体重的0 2 2 5倍 当脚离地的一刹那 载荷可达到最大 并于行走速度呈正相关 提物和携物是外界对脊柱施加载荷的最常见方式 完成这些动作时影响腰椎载荷大小的因素主要有三 物体至腰椎运动中心的距离 即重物力臂的长度 身体下部重量力臂长度 物体的重量减少腰椎载荷的最有效方法就是将所要提起的物体昼靠近身体 这样可使物体与体重的力臂尽量缩短 腰椎前屈时 不仅物体重量所产生的力而且身体上部所产生的力均会在椎间盘上形成弯矩 进而导致腰椎载荷增大 这一向前的弯矩比直立时弯矩要大 但有人认为腰椎的曲度的改变主要影响载荷的分布 而对载荷的大小并无明显影响 如果提物时载荷较大 由于纤维环前部的非线性特点其刚度将明显提高 从而防止因椎间盘内压过高所致的较薄弱的软骨终板发生骨折 所以腰椎前屈反而使提物尤其是反复提物活动的安全范围增大 举重运动员为什么不会引起腰椎骨折 除脊柱的肌肉外 还可通过腹内支持作用减轻腰椎载荷特别是因骶棘肌收缩而产生的载荷 腰背肌及腹肌锻炼对腰椎影响 腰背肌及腹肌锻炼对腰椎载荷的影响是引人注目的动力学课题 此时此刻腰椎载荷右达到很高 这样如何能使训练有效 同时又避免因腰椎载荷过大而遭致损伤就显得非常重要 在俯卧位时背部弯成弓形的大小增强骶棘肌的活动 但当脊柱处于各种极端位置时其载荷对于脊柱结构所产生的应力要大于在更中央处加载时 因而应当避免这种过伸位 在作加强骶棘肌的训练时 最好使椎体在最初就得保持较为平衡的位置 运动对腰椎负荷的影响 双侧直腿抬高通常用于腹肌的锻炼 但这种方法常常使腰肌的椎体部分活动加强而使腰椎拉向前凸 腹肌较少得到活动 作仰卧起坐训练时 将髋 膝屈曲以限制腰肌活动虽能有效地活动腹肌 但也大大增加腰椎间盘的压力 正确的方法应是 作卷体动作时仅头与肩抬起而腰部不活动 此时腰椎的载荷要低于完全坐起时 如将两臂上举过头或两手抱头于颈后则产生的力矩较大 这是由于身体上部的重心离开活动中心所致 不良力学行为是引发脊柱软组织病变的主要因素 重力 站立的下肢承受臀部以上及下肢本身的自重日常生活所必须的力学行为 站 坐 弯腰 探身 扭颈 说话 生产活动所必须的力学行为 车钳工 炉前工 拉车夫 读书写字 体育运动要求的力学行为 跑 跳 单双杠 篮球 非正常情况下的力学行为 突发灾害 崩塌 火场逃生 战争 长途跋涉及长期负重 1 人体常见的力学行为 2 人体力学行为的属性 普遍性 人人 处处 时时永恒性 人生下来就一直伴随着的 如重力以及人体各部分的相互协调和生活必需的动作而产生的相互作用随机性 力学行为种类 发生的时间 强弱 差异性 同一力学行为不同个体因强弱 年龄 遗传 心态而不同无法避免性 重力 地球引力 骨骼一生都受肌肉收缩约束和控制 四肢上的条肌可提供0 35MPa的张应力 反之肌肉一生都要靠骨骼的支撑致病的可预防性和可治疗性 3 不良力学行为 超出人体或局部组织所能承受的一切力学作用其后果往往引发病变或疾病长时间的某个体位 司机的肩周炎 纺织工的髌骨增生 知识分子的颈椎病超出极限强度的力学行为 意外撞击的骨折超出极限变形的力学行为 常时间压缩 突然的扭转或弯曲导致的椎间病 长见于腰椎间盘突出超出疲劳极限的力学行为 行军骨折 大串联时红卫兵的骨折 多发生在脚中部跖 蹠 骨上超出长骨的稳定极限导致丧失稳定的力学行为 多发生在运动员身上 不良力学行为举例 一 不良力学行为举例 二 非正常受力引发腰椎 L5 前移脊神经被扭曲 脊柱 椎间盘的力学及生理特性 椎间盘是一个为椎骨之间传递荷载并允许脊柱有一定运动的富有弹性和韧性的器官人的一生中它受的力最频繁也最复杂 因而很容易负荷过重反复损伤 造成纤维环自后部脱出压迫神经根引起疼痛 严重的由于纤维环的变扁 椎骨能把滑液囊碾碎由于稳定和保护椎骨的后纵韧带远较前纵韧带为弱 在构造上沿脊椎下行至第1腰椎时又开始逐渐变窄 到第5腰椎其宽度仅及原来的一半 这是脊柱结构上的一个簿弱环节 腰椎间盘突出和脱出大都发生在这一带 即L4 5以及L5S1 腰椎间盘的特性及压力与压缩曲线 椎间盘极富弹性和韧性能承受很大的压力超过10 0kN 约1 0t 毫无问题整个脊柱受压首先椎骨破坏能承受超过35 以上的拉伸和压缩椎间病不是间盘本身破裂 大都是膨胀突出压迫神经根或椎骨压迫 碎 滑液囊 4 50岁成年人湿腰椎间盘受压荷重与压缩关系图 不良行为对脊柱影响及计算简图 腰椎及腰骶角的生理及力学特点 不同腰骶角 椎间盘的受力 正常人 30o 站立时骶棘肌放松Fe0骶骨反力N20 6W 切向力T N2sin30o 0 3W脊柱前凸增大患者 增大 如以 40o 则T 0 38W 切向力较正常人增加了8 10 椎间盘受剪不会破碎 但极易突出压迫神经根脊柱前凸变小患者 减小 虽然切向力T变小 但正压力变大 有时也引发椎间盘过份压缩膨胀而突出 表4 2不同腰骶角椎间盘受到的切向与正压力 注 表中的力是体重W的倍数 如正常情况下T 0 3W N 0 52W 分析弯腰时骶棘力Fe及第5腰椎间盘反力R 骶棘肌简化为绳索 张力为Fe作用在刚体脊柱上 作用点在离骶骨2 3处且与脊柱成12o角W2是头和手臂合重量取W2 0 2W 人头和双臂分别占体重的10 W1 0 4W是躯干重作用在脊柱中心 离骶骨1 2处 当弯腰 30o时列平衡方程 X 0Rx Fecos18o 0 Y 0Ry Fesin18o 0 4W 0 2W 0 M0 0Fesin12o 2 3L 0 4Wcos30o L 2 0 2Wcos30o L 0解 可得Fe 2 5W Rx 2 38W Ry 1 37W由得R 2 74W由得 35o 计算可知 体重W 90kg的人 R 246kg 间盘压缩17 如果提G W 5的重物 则W2 0 2W W 5 0 4W 对于W 90kg重的人 计算可得R 366kg 此时椎间的压缩量将超过20 可能导致椎间盘突出 三 传统推拿按摩治疗的力学机理 优点及其局限性 1 概述 1 传统中医外科 如骨伤学 正骨按摩学 筋伤学 其主要内容如 跌打损伤 骨折 关节脱臼 骨错缝出槽 骨关节损伤 软组织损伤 包括椎间盘 韧带 肌腱 关节软组织 2 中医无创伤外科多用于功能性疾病 如不慎扭伤 暴力损伤 职业性体位不正 风寒 而对器质性病变 如骨肿瘤等则很少用力学手法施治 2 传统手法举例 颈椎病推拿手法举例 腰椎病推拿手法 一 腰椎病推拿手法 二 下颌关节脱位施治手法 3 力学机理在传统无创伤外科中有着很深的根基和运用 1 中医传统的无创伤外科大多数都是力学原理的运用 正骨 牵引 拉力 搓 扭转和剪切 推 压 关节复位 重在寻找力的作用点和作用方向 突然施力使脱臼复位 推拿 推拿很体现双向集中施力 能产生局部应力集中效应 以增大力的治疗效果 推拿也最容易产生力的组合效应 按摩 按主要是压 摩则主要是剪扭以及反复加载的效应 拔罐 造成负压形成均匀的抽吸力 以拔出病变部位的致病机理 2 如果把艾炙归结为热力学效应 针炙归结为无创伤局部穿透性刺激 几乎可以说 绝 大多数都是力学原理的运用3 许多推拿按摩的命名和分类就是按照施力方式区分的 如间盘突出物的还纳法就有 牵抖法 拉 扭 弯 震压牵法 压 拉扳腰法 弯 剪 压展筋法 拉 震 频率与手法的生物力学特性 手法的动力学特征 不同手法的运动各有其特点 表现在动用的肌肉关节多少 用力的方向 操作部位等 如果一个完整的手法动作需要运用的肌肉关节较多 运动幅度较大 则完成这一运动需要时间也会较长 频率也较慢 如手法运动上肢频率在120 160次 分 擦法频率在100次 分 振法频率可高达600次 分 频率与手法的生物力学特性 手法力量的大小 同一手法在频率较快时产生力量较小 频率较慢时产生力量较大 刺激强度与压力 速度之积成正比 压力小 速度慢 则刺激弱 往往达不到治疗要求 压力大 速度快 则刺激强 会引起局部损伤 压力小 速度快 刺激相对减弱 一般用于表浅病变 压力大 速度慢 刺激也相对减弱 用于深层病变 频率与手法的生物力学特性 操作者的生理条件 操作者本身的协调性 肌肉力量 关节灵活性及柔韧性等生理条件影响