云开·全站APP登录入口 你不得不知的脊柱运动生物力学知识点

介绍

脊柱疾病与损伤显然与脊柱力的异常有关kaiyun下载app下载安装手机版，而康复治疗与预防亦需要对脊柱运动的生物力学有清晰的认识。本文旨在为临床及治疗技术人员提供相关的基础知识。

1.结构特点：

脊柱是人体运动的主轴，由多节椎骨、多个关节（椎间“关节”、小关节）、无数肌肉和韧带紧密围绕，并有生理弯曲以满足脊柱的刚性和活动性（柔韧性）。其运动有三维方向（前后、左右、旋转）和六个自由度（3个平移、3个旋转）。

2. 区位特征：

颈椎支撑头部，其重心在颈部前2/3与后1/3交界处；胸椎重心偏向后方（胸廓前后径的后1/4处），与胸廓一起将躯体重量分解在胸廓以上；腰椎则以重心为中心，甚至外凸，支撑全身重量。

3.解剖特征：

（1）椎管：椎骨形成有效的、可折叠的管腔，以容纳延髓和脊髓。

（2）椎骨：由椎体、椎弓、上下关节突、棘突、横突组成。椎体为卵圆形短扁骨，内有一圈致密的皮质骨，周围包绕着海绵状的髓质（松质骨）。上下皮质骨内衬较厚的软骨板，边缘由较厚的环状内衬构成。椎体小梁除沿应力线斜交外，还可见到。一组由椎体上表面向后延伸，在椎弓根水平处呈扇形分布于下关节突和棘突上。另一组由椎体下表面向后延伸至椎弓根水平处，在下关节突和棘突上呈扇形分布。椎体的前缘最薄弱，易发生压缩性骨折。横突和棘突是脊柱肌肉的附着点，是脊柱动态稳定性的基础之一。

（3）椎间盘：内侧为髓核，外侧为纤维环。髓核呈半液体状，由氨基葡萄糖多糖的亲水性胶体凝胶构成。除下腰椎髓核位于后方外，其余椎间盘髓核均位于椎间盘的中央。纤维环由多层致密结缔组织斜交织构成，由边缘向心分布。致密的纤维环起初垂直，越靠近中心越倾斜，当中心与髓核接触时，几乎呈水平状态，并围绕髓核形成椭圆形。椎间盘受压时，髓核承受75%的压力，其余25%的压力则分散到纤维环上。髓核还有稳定脊柱运动的功能，在伸直运动时，上部椎体向后移位，使椎间隙后缘减小，髓核受挤压而向前移位。在屈曲运动时则相反，使椎体有更强的自我稳定性。椎间盘总厚度约占脊柱全长的25%。白天站立、行走的压力使髓核失水量少，睡觉或休息时，髓核所受压力减小，水分又重新存入，因此，早晚有2cm的身高差异。 20岁以后，髓核重新储水的能力下降，提重物、衰老等微损伤使纤维环的纤维成分增加，而可恢复的弹性成分相对减少，因此30-50岁成年人的纤维环容易发生损伤，髓核随之脱出，压迫神经根。

（4）小关节：小关节由相邻椎骨的上下关节突组成，小关节与椎间盘之间的负荷分布随脊柱位置不同而不同，一般承担脊柱负荷的0～30%，当脊柱处于过伸状态时，小关节的承载能力明显增加。

（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。韧带主要起脊柱静态稳定性作用。大多数脊柱韧带由伸长率较低的胶原纤维组成。黄韧带含有较高比例的弹性纤维。韧带还起传递椎骨间拉伸负荷的作用，使脊柱在生理范围内平稳运动，阻力最小。

4.运动部分：

节段前部由相邻两节椎骨、椎间盘及纵韧带组成，与之相对应的椎弓、椎间关节、横突及棘突、韧带组成节段后部，椎弓与椎体组成椎管，保护脊髓，运动节段是脊柱的最小功能单位。

（1）前部：椎体主要承受压缩负荷。当上身的重量增加时，椎体会相应变大。因此，腰椎的椎体比胸椎和颈椎的椎体高，横截面积也更大。腰椎椎体的增大使它能够承受脊柱这一部分所需的更大负荷。

（2）后部：后部控制运动节段的运动。运动方向取决于椎间小关节突的方向。第一、二颈椎的小关节突位于横平面，其余颈椎的小关节突与横平面成450°角，与额平面平行，可做屈曲、伸展、侧弯和旋转运动。胸椎的小关节突与横平面成600°角，与额平面成200°角，可做侧弯、旋转和少量屈曲、伸展运动。腰椎的小关节突与横平面成直角，与额平面成450°角，可做屈曲、伸展和侧弯，但不能做旋转运动。腰椎小关节突的方向和形状允许一些旋转运动。

5.脊柱耦合运动：

脊柱运动一般是几个节段的关节动作，称为耦合运动。影响耦合运动的骨性结构是胸廓和骨盆。胸廓限制胸椎的运动，骨盆的倾斜可增加躯干的运动。脊柱运动的正常范围差异很大，且具有很强的年龄因素。脊柱的整体屈曲范围从腰椎开始为50°~60°。骨盆倾斜和髋屈曲使脊柱屈曲范围增大，胸椎的作用受到限制。虽然胸椎小关节的形态有利于脊柱侧弯，但肋骨限制了其运动。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：

腰椎是脊柱的主要承重部位，在放松直立位时，椎间盘压力来源于椎间盘内压、测量部位上方的体重以及作用于运动节段的肌肉应力。当躯干屈曲和旋转时，椎间盘的压应力和拉应力均增大。腰椎负荷在放松坐位时比放松直立位时大，在有支撑坐位时比无支撑坐位时小。脊柱在平卧位时承受的负荷最小。在平卧位时，当膝盖伸直时，腰肌对脊柱的紧张作用可对腰椎产生负荷。当髋、膝关节在支撑下屈曲时，由于腰肌放松，使腰椎前凸伸直，负荷减轻；通过附加牵引，负荷可进一步减轻。当患者仰卧时，髋、膝关节在支撑下处于屈曲状态，脊柱前凸呈展平状态，牵引力可较均匀地分布到整个脊柱。搬运重物时，物体重心与脊柱运动中心的距离越短，阻力臂越短，脊柱承受的负荷越小。当身体前倾捡拾重物时，除物体重力外，上身的重量也会产生脊柱剪切力，使脊柱的负荷增加。

例如：体重70kg的人举起20kg的物体，脊柱屈曲35°，作用在腰骶骨和腰椎上的力为：①上身重量（W）450牛顿（约占体重的65%）。②物体重量（P）200牛顿。③竖脊肌收缩力（M）。腰椎产生两个力矩，即力W和力P以及它们与运动瞬心的距离（力矩WLw和PLp）。力M在肌肉与其瞬心之间的距离处产生平衡力矩（力矩MLM）。力W的力臂（力与瞬心的垂直距离）为0.25米，力P的力臂为0.4米，力M的力臂为0.05米。当身体处于平衡状态时，作用于腰椎的各个力矩之和必定为0（顺时针方向的力矩定义为正，逆时针方向的力矩为负）。

Σ矩=0； (宽×长)+(P×Lp)-(M×Lm)=0

（450N×0.25米）+（200N×0.4米）-（M×0.05米）=0

公称直径×0.05米=112.5牛米+80牛米

力矩=3850牛米

作用于椎间盘的总压缩力（力C）可采用三角法计算。若椎间盘相对于横断面倾斜35°，力C为作用于椎间盘的下列压缩力之和，包括： ①上身重量（W）作用于倾斜35°的椎间盘产生的力（W×cos35°）。 ②物体重量（P）作用于倾斜的椎间盘产生的力（P×cos35°）。 ③竖脊肌（M）产生的力，该力与倾斜的椎间盘成直角作用。 椎间盘的总压缩力（C）也可采用平衡公式计算。

Σ力=0； (W×cos35°)+(P×cos35°)+MC=0

（450N×cos35°）+（200N×cos35°）+3850N-C=0

碳氮=365.5+163.8+3850(N)

碳数=4382

表 1 腰椎（L3）椎间盘所受力（Jayson，1987） 牛顿（N）

7、运动对腰椎负荷的影响：

所有运动都会增加腰椎的负荷，竖脊肌和腹肌的训练要在适合脊柱负荷的条件下进行。双腿伸直抬高时，腰方肌最活跃，使脊柱前凸。仰卧起坐屈髋屈膝后可有效训练腹肌，限制腰肌的活动，但同时也增加了腰椎间盘的压力。如果活动范围仅限于躯干屈曲，头肩只抬高到肩带离台的位置，可排除腰椎活动，减轻腰椎负荷。抱胸抱膝运动可激活腹外斜肌和腹直肌。

8.骶髂关节：

骶髂关节韧带损伤、活动过度或活动不足、炎症等是引起腰痛的主要原因。骶髂关节为平面关节，骶骨关节面被透明软骨覆盖，髂骨关节面被纤维软骨覆盖；关节腔内有滑液及关节囊。随着年龄增长，骶髂关节骨赘、关节强直的发生率很高，多发于男性，女性发生率极低。骶髂关节平均活动范​​围为4°，骶髂关节的骨性结构与强健广泛的韧带相结合，形成关节的自锁机制。当压力增大时，骶骨在髂骨表面向下移动，后韧带紧张，使得髂骨两侧向中间靠拢，像钳子一样将骶骨夹得更紧，防止髂骨下落。

9.肌肉功能：

头、颈、躯干肌肉成对排列在中线两侧，两侧肌肉收缩产生矢状面的屈曲和伸展，一侧肌肉收缩产生额状面或横状面的侧屈或旋转。在受到重力、四肢肌肉收缩、地面反作用力的作用时，颈部肌肉和躯干肌肉协调收缩，使椎骨稳定。

（1）头部及脊椎平衡：参与的肌肉有：前侧：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、腰大肌。后侧：枕下肌、脊横肌、竖脊肌。侧侧：斜角肌、胸锁乳突肌、腰方肌、腰大肌、腹内斜肌、肋间肌。在放松的坐位或直立姿势下，这些肌肉只有少量的与姿势摆动有关的周期性活动。头部或头部、躯干、上肢重心转移，或推拉躯干，均可直接激活肌肉收缩，使躯干恢复平衡。

（2）躯干运动与脊椎稳定：横脊肌和竖脊肌的主要功能是在后伸时稳定脊柱。在闭链运动中，腰大肌是主要动作肌和躯干固定肌。躯干肌的重要作用是稳定胸廓、骨盆和脊柱，使颈部、肩部和臀部肌肉在肢体运动时保持稳定。

（3）屈曲抬高（膝关节伸直）：当人站立并屈髋以触及脚趾时，髋伸肌（主要是腘绳肌）和竖脊肌会发生离心收缩kaiyun体育，以控制髋屈曲和脊柱前弯。这些肌肉的向心收缩使躯干恢复到直立位置。当躯干向前移动2/3时，肌电图显示竖脊肌突然受到抑制，这种抑制持续到躯干恢复到直立位置的1/3。这被称为“临界点”，躯干屈曲的平均值为81°。Kippers等（1984）发现，该值出现在最大髋屈曲的60%和最大脊柱屈曲的90%处。当将重物放下或从地面抬起时，临界点的角度会略有增加。

（4）蹲姿与下蹲：将物体从地面举起的一种方式是弯曲膝盖、臀部和踝关节。蹲姿时骨盆和脊柱可能出现两种姿势：①腰椎前凸，骨盆前倾；②后凸，骨盆后倾。根据躯干所处姿势不同，举起时竖脊肌的肌电活动不同。躯干处于前凸位时肌电活动大于屈曲位时，最大肌电活动出现在举起开始时。蹲姿时，躯干处于前凸位时，需要小腿三头肌、股四头肌和髋伸肌做离心收缩，竖脊肌做等长收缩。当脊柱处于后凸位，膝关节伸直、髋关节屈曲时，竖脊肌的肌电活动减弱和受到抑制。例如，在后凸姿势下举重时，竖脊肌在举重开始时无肌电活动，在举重中期达到峰值。虽然背屈姿势下举重可以减轻椎间盘所受压力，背屈姿势下举重肌肉的控制可为小关节提供保护，但对于哪种姿势更好尚无定论。

（5）四肢功能活动：利用上肢抬起身体的动作有引体向上、俯卧撑、坐位俯卧撑、拄拐行走等。这些动作的活动肌肉是屈肘肌群（引体向上）、伸肘肌群（俯卧撑）、肩关节内收肌群和伸肩肌群、降肩胛骨肌群的向心收缩。腹肌和躯干伸肌群的等长收缩也很重要。脊髓损伤造成腹肌和躯干肌群瘫痪时，患者无论手臂力量有多强，都无法抬起身体。在手臂固定的闭链运动中，背阔肌（C3～C6）和腰方肌（T12～L1）提供强大的力量，使骨盆靠近手臂或胸部。起立坐下、膝关节深度屈曲、上下楼梯等都有类似的肌肉活动形式。从坐姿或蹲姿站起或上楼梯需要股四头肌向心收缩来伸展膝盖，需要髋部伸肌（尤其是腿筋）向心收缩来伸展臀部。竖脊肌进行等长收缩以保持头部和脊柱保持直立。放低身体以坐姿或蹲姿或下楼梯需要股四头肌和腿筋进行离心收缩来屈曲膝盖和臀部，以及竖脊肌进行等长收缩。股四头肌和腿筋在开链运动中是拮抗的开yun官网入口登录APP下载，但在闭链运动中会转变为协同收缩来支撑、抬起或放下身体。推或拉物体（抽屉或门）需要高度稳定的躯干来产生有效的推力和拉力。推的动作会调动腹肌和髋屈肌，使躯干无法伸直；拉的动作会调动背部和髋伸肌，使躯干无法屈曲。俯卧撑阶段主要参与的肌肉是肘伸肌、盂肱关节的收伸肌和肩胛骨外展肌的向心收缩。为保持躯干直立，前侧有腹肌、髋屈肌和膝伸肌的等长收缩。除竖脊肌保持颈部挺直外，其余背部肌肉相对不活跃。上肢肌肉做离心收缩，而前侧躯干肌肉和小腿肌肉继续做等长收缩，使躯干回到原位。

10.胸腰筋膜（胸背筋膜）：

是连接肋骨、椎骨、髂骨和骶骨以及韧带系统和躯干肌肉的非常强健的结缔组织，在举起重物过头和高速投掷物体时起稳定躯干的作用。胸腰筋膜有前、中、后三层，前层最深，附着于腰椎横突，向外覆盖腰方肌。中层由强健的横纤维构成，内侧附着于腰椎横突，外侧附着于第12肋骨和腹横肌。后层覆盖背部，内侧附着于棘突及棘上韧带，上方与夹肌筋膜交织，下方附着于骶骨，并与臀肌筋膜交织，外侧附着于肋骨及髂骨；在外侧中央成为内斜肌的起点。胸腰筋膜后层又可分为深层、浅层两层。浅层为背阔肌的腱膜，其纤维由背阔肌附着处外侧缝向棘突处向内向下延伸；深层与浅层融合，其纤维与浅层以相反方向交叉。这两层共同构成坚固的三角结构。此外，胸背筋膜还起到支撑带的作用，包裹着竖脊肌和多裂肌，胸腰筋膜与肌肉、韧带系统共同参与胸腰椎运动的控制。

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