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脊柱运动及生物力学 脊诊整脊技术教研室 脊柱为人体的中轴支柱 是躯干的活动中心和力的传递枢纽 能够承受挤压 牵拉 弯曲 旋转应力 由于人体的直立姿势产生了脊柱的生理性弯曲 即 颈曲 腰曲凸向前 胸曲 骶曲凸向后 使脊柱的载负和灵活性都相应增加 这样脊柱就成为力学结构上一个极主要的部位 当作用于脊柱的力的规律发生变化时 就会发生脊柱相关疾病 因此对脊柱生物力学进行分析和研究 对脊柱相关疾病的预防 诊断 治疗具有非常重要的意义 一 何谓生物力学生物力学是研究生物体或生物材料在机械运动过程中 力和力的作用规律及其应用的科学 进而从功能变化推知其生理 病理含义 为预防和治疗提供依据 二 脊柱的运动基础 特点及运动范围 一 脊柱的功能单位 脊柱的功能单位 即活动节段 由相邻的两个椎骨及其间的软组织构成的一个能显示脊柱生物力学特性的最小功能单位 一个活动节段可分为前部和后部两部分 前部包括两个相邻的椎体 椎间盘 前纵韧带和后纵韧带 后部包括 椎弓 关节突关节 横突 棘突和其间的韧带 各个节段的运动综合起来 便构成脊柱的三维六自由度运动 运动阶段前部包括 两个相邻的椎体 椎间盘 前纵韧带和后纵韧带 运动阶段后部包括 椎弓 关节突关节 横突 棘突和其间的韧带 各个节段的运动综合起来 便构成脊柱的三维六自由度运动 三维即三个运动轴 冠状轴 矢状轴 垂直轴 六自由度运动即三个角位移和三个线位移 三个线位移包括沿冠状轴方向的左右平移 沿矢状轴方向的前后平移以及沿垂直轴方向的压缩拉伸位移三个角位移即是围绕三个运动轴的旋转 包括屈伸运动 侧屈运动 旋转运动和环转运动 二 脊柱运动的特点 脊柱的所有运动是多个活动节段联合运动的结果 由于椎间盘和小关节存在 使脊柱能沿冠状轴 前屈后伸 矢状轴 左右侧弯 纵轴 轴向旋转 活动 由于小关节排列方向不同 不同节段的活动幅度也各不一样 颈椎关节面的方向接近水平 故能做较大幅度的屈伸 侧屈和旋转活动 胸椎的小关节面呈额状位 加之胸廓存在 使其活动受到一定限制 腰椎小关节面与冠状面呈45 与横截面呈90 其屈伸活动幅度从上到下逐渐增大 旋转活动幅度则受限 脊柱屈曲的最初50 60 主要发生在下腰段 进一步前屈则需要骨盆的前倾 躯干的侧屈主要位于胸段与腰椎脊柱 颈椎和上胸椎的侧屈时伴有旋转 躯干侧屈活动位于胸段与腰段脊柱 颈椎和上胸椎侧屈时伴有旋转 棘突转向侧屈的凸侧 腰段则相反 侧屈时棘突转向侧屈的凹侧 综上所述 脊柱在一个轴的平移 常伴随同一轴上的旋转 或脊柱在一个轴上的旋转和平移必然同时伴有另一轴旋转和平移运动的现象 这就是脊柱运动的特点称之为共轭现象 三 脊柱的运动范围脊柱各部的运动性质和范围 取决于椎间盘的厚度 椎骨的形态 椎体之间连接的紧密程度及脊柱周围参与运动的肌肉 此外还与性别 年龄有关 总的说来 椎间盘的相对厚度较大 关节突关节的关节囊松弛 则有利于提高脊柱的运动性能 颈段 腰段脊柱 比胸段脊柱运动性能更为广泛 故颈腰段脊柱也是易受损伤的部位 1 颈椎的运动由于颈椎椎间盘相对较厚 且无肋骨支撑的原因 颈椎是脊柱活动最大的部分 根据功能 解剖特点 颈椎分为 1 上颈椎 枕一寰一枢复合体 2 下颈椎 C5 T1 3 中间部位是中颈椎 C2 C5 三部分 枕一寰一枢复合体 是人体最复杂的关节 解剖结构 运动性能都较独特 包括枕寰关节和寰枢关节 枕一寰一枢关节 枕一寰一枢关节 是人体最复杂的关节 解剖结构 运动性能都较独特 包括枕寰关节和寰枢关节 枕一寰一枢关节总屈伸度约为23 运动轴是以齿突为中心 侧屈活动发生在枕寰关节 约8 寰枢关节无侧屈活动 两大关节参与屈伸活动范围基本相同 分别为13 和10 两者结合使该复合体的总屈伸度约为23 其运动轴是以齿突为中心 侧屈活动发生在枕寰关节 约8 寰枢关节无侧屈活动 其运动轴位于齿突上方 旋转运动只发生于寰枢关节 枕寰关节解剖特点决定其没有旋转特点 C1 C2节段的旋转运动范围相当大 占整个颈椎旋转度的40 50 因上部颈椎管相对较大 虽旋转轴靠近脊髓 但一般不会损伤脊髓 其余50 60 由下颈段提供 通常是最初旋转的45 发生在寰枢关节 然后是下颈椎参与旋转 C1 C2间的广泛旋转时 可引起头晕 恶心 耳鸣 视物模糊等症状 主要原因是旋转时 位于其间的椎动脉受到挤压或扭曲 在临床整脊时尤应注意角度和幅度 上颈椎在各个运动方向上有明显的共轭现象 旋转运动伴有上下方向的移动 侧屈运动伴有一定程度的旋转运动 这与寰枢关节的双凸型关节面和齿突方向有关 中段颈椎的侧屈运动范围基本相同 下段颈椎侧屈运动范围则从上到下逐渐减小 侧屈运动的运动轴位于下位颈椎椎体中部 屈伸运动和旋转运动以C4 C5和C5 C6节段范围最大 向下逐渐减小 其运动轴位于下位椎体的前部 但C5 C6和C6 C7在半屈 中立 半伸范围内的活动度明显大于C3 C4和C4 C5 这一活动范围恰好在日常生活中使用最多 这或许是C5 C6与C6 C7退行性改变发生最早 最重的原因 中段颈椎的侧屈运动范围基本相同 下段颈椎侧屈运动范围则从上到下逐渐减小屈伸运动和旋转运动以C4 C5和C5 C6节段范围最大 向下逐渐减小 在中 下部颈椎 各种运动形式存在着共轭现象 尤其是侧屈运动伴随旋转运动 即侧屈时棘突转向凸侧 如作头向左的侧屈活动时 或脊柱侧弯时 棘突必然转向右侧 这种共轭现象对了解颈椎小关节错位或脱位有重要意义 当外伤暴力导致关节超越正常活动范围时 将使一侧小关节突过分移向尾侧 另一侧的关节突过分移向头侧并导致单侧小关节错位或脱位 整脊颈椎手法复位可根据此现象 不同节段颈椎侧屈时所伴随的旋转角度不同 在C2每侧屈3 伴有2 旋转 在C7每侧屈7 5 伴旋转1 从C2 C7 伴随侧屈的旋转度从上到下逐渐降低 这可能与小关节面倾斜度从上而下逐渐增加有关 2 腰椎的运动腰椎的屈伸运动范围一般是自上而下逐渐增大 腰骶关节 L5 S1 的运动范围最大 且前屈运动范围大于后伸运动范围 但在活体上 由于腰背部肌肉和韧带对下腰段脊柱的保护 实质最大屈伸运动范围是L4 L5节段其运动轴位于椎间盘的前部 腰椎各节段侧屈幅度基本相等 但腰骶关节相对小些 左侧屈时运动轴位于椎间盘右侧 右侧屈时则位于椎间盘左侧 当椎间盘突退变时 其运动轴则比较离散 腰椎各段的旋转运动也很相近 但腰骶关节例外 其旋转运动轴位于后部髓核和纤维环区域 旋转运动的位移形式与椎间盘退变无明显关系 脊柱侧屈时 髓核移向凸侧 腰椎有数种共轭运动现象 最明显的是侧屈和屈伸活动之间的共轭现象 在侧屈和旋转运动的共轭运动时 棘突是转向凹侧 这与颈椎棘突移向是相反的 三 脊柱稳定性与生物力学在临床工作中 正确判断脊柱的稳定状态十分重要 在一定程度上决定治疗方法的选择和病人的预后 脊柱的稳定性一般是指脊柱维持自身平衡位置的能力 是脊柱承载和运动的基础 反映了脊柱生物力学的重要特征 而脊柱的不稳是指脊柱在生理载荷下失去保持脊椎之间相互关系的能力 意味着在正常载荷下就会出现异常变形及活动 脊柱的运动范围超过正常 可引起脊髓和神经根的损伤 周围组织可因过度牵拉而损伤 脊柱具有内源性稳定和外源性稳定 前者靠椎间盘 小关节及周围韧带 后者靠脊柱周围的肌肉 特别是胸腹机 内源性稳定是 椎间盘髓核内的压应力使相邻椎体分开 而纤维环及其周围韧带在抵抗髓核分离压力情况下 使椎体靠拢 这两种不同方向的作用力 使脊柱得到较大的稳定性 一般认为 脊柱外源性稳定较内源性重要 失去内源性稳定 脊柱变化较缓慢 而失去外源性稳定 则脊柱不能维持其正常功能 总之 以上任何结构破坏均可造成脊柱的不稳 下面简要讨论 脊柱的稳定因素及原理 一 脊柱的生理曲度脊柱是由椎骨 椎间盘和韧带连接在一起 从正面看 它是直立的 对称的 个别人有轻度的向右侧弯 这是由于主动脉的位置或右手活动过多所导致 从侧方看 有四个生理性弯曲 即颈曲 腰曲向前 胸曲和骶曲向后 这样脊椎就像一根能调节弹性曲杆 其四生理曲度有利于维持椎间关节的的强度和稳定性 增加了脊柱的适应性和吸收冲击的能力 从而减轻走路 跳跃时从下方传来的震荡 缓和脑和脊髓受到的冲击 这是保证脊柱三个基本生物力学功能的基础 即保证将头和躯干的载荷传递到骨盆 保证机体头 躯干骨盆间充分的生理活动和保护脊髓 维持脊柱生理弯曲 是保持脊柱稳定性的基础 脊柱生理性变曲易受到椎间盘形状 椎体形状 脊柱周围肌肉 人体姿势 骨盆倾斜度以及病理因素的影响 1 人体的姿势 人体正确的姿势 可以保证人体正常的重心 维持正常重心是保持脊柱生理曲度的基础 当人体站立时 脊柱生理曲度正常者 其重心线沿乳突向下经髋关节的中心横轴 第2骶椎 膝和踝的前面 落在负重足上 此重力垂线通过了颈 胸 腰三个变曲的交界处 即使各部曲度有所改变 重力线位置也不会发生改变 根据生物力学特点坐下时采取略后靠 微伸展的姿势 这样能减小椎间盘的压力 所以 保持正确的姿势 可以维持脊柱正常生理曲度 继而增加脊柱抵抗纵向压缩栽荷的能力 故生理曲度明显的脊柱是动力型的 而较直的脊柱是静力型的 当脊柱生理曲度不正常时 躯干重力的传导将失去平衡 例如腰段脊柱的前凸消失时 重心前移 椎体载荷增加 所以会导致椎间盘向后偏移 纤维环后部受到应力加剧 甚至会引起椎间盘向后膨出或突出 关节突关节面的分离 错位 降低脊柱的稳定性 同时腰背部肌肉会代偿性增粗 而出现腰背痛 2 骨盆倾斜度 脊柱的许多肌肉对称地止于骨盆或起于骨盆 骨盆犹如基石 起着支持脊柱 维持脊柱稳定和平衡的作用 在正常情况下 这些肌肉的平衡收缩 将骨盆倾斜角度维持在30度左右 若骨盆前倾角度增大 将使腰曲前凸增大 甚至导致病理性凹背 脊柱滑脱症可引起同样的畸形 腰段脊柱前凸 胸段脊柱呈现代偿性后凸 患者腰部凹陷 骶骨向前倾斜 臀部明显后凸 若骨盆有额状位不正 可导致脊柱诸肌失衡和不稳 形成脊柱侧凸 是脊柱的不稳定状态 在脊柱侧凸未被完全代偿情况下 会导致脊柱侧凸畸形进行性加重 久之会引起椎间盘应力改变 出现向侧方膨出或突出 因此 在临床整脊治疗过程中 必段首先整髋 整骶 保证骨盆在额状位和矢状位的倾斜角度 使脊柱达到新的平衡状态 二 椎间盘椎间盘在相邻椎体间起着缓冲垫的作用在各种不同载荷下 它产生相应的变形来吸收冲击 稳定脊柱 椎间盘的解剖结构决定了椎间盘有利于对抗压缩力 在椎间盘垂直受压时 主要表现为纤维环向四周膨出 去除载荷 由于其弹性基质作用恢复原形 即使在很高的载荷下 去除载荷后产生永久变形时 也没有出现哪一个方向的纤维环破裂 这是因为载荷能够均匀分布到椎体的上下面和周围的纤维环上 这一点符合帕斯卡定律的特点 由于椎间盘的弹性模量远远小于椎体 易发生变形 当载荷增加到一定程度时 首先破坏的是椎体而不是椎间盘 这说明 临床上椎间盘突出不只是由于受压 更主要的原因是椎间盘内的应力分布不均匀 随着年龄的增加 椎间盘对抗压缩能力逐渐降低 髓核由于脱水变得不饱满 将轴向压力分布到内层纤维环的能力下降 使大部分载荷由纤维环直接承担 可引起纤维环膨出 使椎间盘高度减小 韧带松弛 从而影响脊柱的内源性稳定 椎间盘的运动轴在髓核处 其运动学作用就像轴承一样 由于椎间盘存在 脊柱可沿冠状轴 矢状轴 纵轴做平移和旋转活动其伸屈活动主要靠椎间盘和椎间韧带的支持其伸屈范围取决于椎间盘的大小 形态 生化特性 髓核的位置随脊柱的运动方向而改变 其伸屈活动主要靠椎间盘和椎间韧带的支持 其伸屈范围则取决于椎间盘的大小 形态和生化特性 髓核的位置可随脊椎运动的方向而改变 脊柱前屈时 椎间隙前方变窄 髓核向后移动 后方纤维环随压力增加 脊柱后伸时 后方椎间隙减小 髓核向前移位 前方纤维环压力增加 脊柱侧屈时 髓核移向凸侧 脊柱旋转时 纤维环斜行方向的纤维按运动的相反方向受到牵张 而与此方向相反的纤维则得到松弛 力的方向 有人证实 脊柱在各方面的运动幅度不超过6度 8度时并不发生椎间盘破坏 也就是说扭转暴力和过度弯曲是椎间盘受损伤的主要原因 也有人证实 脊柱轻度曲伸活动中 髓核并不改变其形状和位置 这或许是解释卧平板床或轻度屈曲脊柱做为治疗和预防腰痛的机理 椎间盘由粘弹性材料构成 在退变过程中弹性功能逐渐减退 逐步丧失能量贮存 传递和扩散应力的能力 对抗冲击和吸收震荡能力减弱 其蠕变 松弛 滞后等粘弹性质也会发生改变 退变的椎间盘 蠕变变形相对较快 在很短时间达到最大变形 这说明吸收震荡及冲击力能力减退 椎间盘的滞后性与人的年龄有关 年轻人的滞后性较好 中年以后的滞后性小 同一椎间盘在第二次加载后的滞后性比第一次加载时下降 这表明 反复冲击对椎间盘有损害 汽车驾驶员的腰椎间盘脱出发病率高 可能由于反复承受轴向震动的原因 三 关节突关节 脊柱对重量或载荷的运动和传递中 椎体和椎间盘承受了大部分重量或载荷 而关节突关节仅承受0 33 的重量或载荷 关节突关节与相应节段的椎间盘共同组成一个运动节段 具有引导和限制运动节段的运动方向的作用 关节突关节的关节面的方位决定脊柱各节段运动性质和范围 在颈椎该关节面呈水平位 在胸椎近似冠状位 在腰椎近矢状因此 颈椎可以进行较大范围的旋转活动 由于关节面的方位不同 颈椎易发生脱位 很少发生骨折 而胸 腰椎易发生骨折 不易发生椎骨的单纯脱位 小关节与椎间盘的载荷分配随脊柱姿势改变而不同 过伸位时 小关节承担的压缩载荷最大达33 在最大前屈时 其压缩载荷最小降至零 因此 脊柱从前曲到后伸 小关节的承载在0 33 之间变化 在中立位时小关节约承担18 的载荷 在扭转试验中 椎间盘 前后纵韧带与关节突关节 韧带各承担45 的扭转载荷 余10 则由椎间韧带承担当椎间盘退变后 粘弹