脊柱的生物力学1

1、脊柱的生物力学脊柱的生物力学颈腰椎病科颈腰椎病科人体人体脊柱脊柱实质上是一个通过：实质上是一个通过： 杠杆杠杆 运动轴运动轴 操纵的操纵的力学复合体结构力学复合体结构 致动体致动体 限制体限制体 这个力学复合体不仅柔韧性好、运动范围广，这个力学复合体不仅柔韧性好、运动范围广，而且非常坚固稳定。而且非常坚固稳定。 作为一个力学结构，脊柱有以下特点：作为一个力学结构，脊柱有以下特点： 脊柱矢状面的正常曲度使得脊柱灵活运脊柱矢状面的正常曲度使得脊柱灵活运动、承载轴向负荷的同时维持相应的强动、承载轴向负荷的同时维持相应的强度及站立姿势的稳定性。度及站立姿势的稳定性。矢状面曲度的改变会很大程度上影响脊矢

2、状面曲度的改变会很大程度上影响脊柱的力学行为。柱的力学行为。 椎体承载躯干及上肢主要的轴向负荷，椎体所椎体承载躯干及上肢主要的轴向负荷，椎体所须承载的重量从头端到尾端逐渐增加，椎体本身须承载的重量从头端到尾端逐渐增加，椎体本身也逐渐增大。也逐渐增大。 脊柱后方的肌肉群产生脊柱后方的肌肉群产生“张力作用张力作用”，用来维持直立姿势及保持人体用来维持直立姿势及保持人体矢状面矢状面和和冠冠状面的状面的平衡，这些肌肉群被称为平衡，这些肌肉群被称为“张力张力带带”。 任何任何前柱前柱或或后柱后柱的破坏及疾病的破坏及疾病均可打破脊柱在骨盆及髋关节上的平衡，均可打破脊柱在骨盆及髋关节上的平衡，导致后方肌肉群

3、的疲劳和疼痛。同样后方导致后方肌肉群的疲劳和疼痛。同样后方肌肉群的损伤及疾患也可使脊柱失去矢状肌肉群的损伤及疾患也可使脊柱失去矢状面的平衡。面的平衡。 椎体组成脊柱的椎体组成脊柱的前柱前柱，承载，承载 80% 的轴向负荷（体重）。的轴向负荷（体重）。后方结构（主要是关节突关节）组成脊柱后方结构（主要是关节突关节）组成脊柱后柱后柱，向下肢，向下肢传递传递 20% 的轴向负荷的轴向负荷 脊柱平衡的概念脊柱平衡的概念 正常脊柱在骨盆和股骨头上正常脊柱在骨盆和股骨头上保持平衡时，仅需要肌肉最少保持平衡时，仅需要肌肉最少量的做功以维持直立姿势量的做功以维持直立姿势 。 多数脊柱疾患可影响脊柱矢多数脊柱疾

4、患可影响脊柱矢状面的平衡，从而增加脊柱肌状面的平衡，从而增加脊柱肌肉负荷，产生肌肉疲劳和背痛。肉负荷，产生肌肉疲劳和背痛。 怀孕怀孕使身体重心前移，使身体重心前移，腰椎前凸增加以维持腰椎前凸增加以维持脊柱平衡脊柱平衡 。 人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负荷，是导致矢状面失衡的荷，是导致矢状面失衡的 主要原因。主要原因。通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发生脊柱通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发生脊柱矢状面的矢状面的失衡失衡。例如：例如： 椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性，使得椎椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性，使得椎体塌陷导致病变节段上方的脊柱过度后凸。体塌陷

5、导致病变节段上方的脊柱过度后凸。 另外另外下腰椎多个间盘下腰椎多个间盘的的退变退变可以改变其前高后可以改变其前高后低的楔形外观，哪怕是细微的改变也可以带来明低的楔形外观，哪怕是细微的改变也可以带来明显后凸。显后凸。 如果前柱正常，很少因后方张力带薄弱而出如果前柱正常，很少因后方张力带薄弱而出现矢状面失衡。现矢状面失衡。 我们从我们从整体整体、区域区域和和局部局部三方三方面评价脊柱的平衡，它们虽然不面评价脊柱的平衡，它们虽然不同但彼此相关。同但彼此相关。 从整体角度看脊柱包括颅骨、从整体角度看脊柱包括颅骨、骨盆、髋关节及髋部肌肉，应特骨盆、髋关节及髋部肌肉，应特别注意到，别注意到，骶骨的位置及倾

6、斜度骶骨的位置及倾斜度与脊柱整体平衡密切相关与脊柱整体平衡密切相关。 脊柱可以分为以下几个区域：脊柱可以分为以下几个区域：颈段、颈胸段、胸段、胸腰段和颈段、颈胸段、胸段、胸腰段和腰段。另外，相邻的几个运动节腰段。另外，相邻的几个运动节段也可组成一个段也可组成一个运动区域运动区域。脊柱。脊柱的局部往往指一个运动节段。的局部往往指一个运动节段。 脊脊 柱柱 失失 平平 衡衡 多数脊柱疾患可影响脊柱矢状面的平衡，多数脊柱疾患可影响脊柱矢状面的平衡，从而增加脊柱肌肉负荷，产生肌肉疲劳和从而增加脊柱肌肉负荷，产生肌肉疲劳和背痛。背痛。 人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负荷，人体重心前移可增加脊柱后方肌肉负

7、荷，是导致矢状面失衡的主要原因。是导致矢状面失衡的主要原因。 头部位于骨盆前方时丧失矢状面的平衡，头部位于骨盆前方时丧失矢状面的平衡，为维持直立姿势脊柱后方的肌肉拉力增加为维持直立姿势脊柱后方的肌肉拉力增加 。 通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发通常在前柱缺损而失去结构上的支撑时发生脊柱矢状面的失衡。生脊柱矢状面的失衡。例如：椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性，例如：椎体肿瘤或骨折破坏椎体结构完整性，使得椎体塌陷导致病变节段上方的脊柱过度使得椎体塌陷导致病变节段上方的脊柱过度后凸。后凸。 另外另外下腰椎多个间盘的退变可以改变其前下腰椎多个间盘的退变可以改变其前高后低的楔形外观，哪怕是细微的改变

8、也可高后低的楔形外观，哪怕是细微的改变也可以带来明显后凸。以带来明显后凸。 所有这些疾病可导致脊柱和躯干前屈，头部位于所有这些疾病可导致脊柱和躯干前屈，头部位于髋的前方，这样脊柱后方肌肉为维持直立姿势必须髋的前方，这样脊柱后方肌肉为维持直立姿势必须做更多的功。其他代偿机制如膝关节屈曲和拖曳步做更多的功。其他代偿机制如膝关节屈曲和拖曳步态，目的都是为了维持直立姿势的同时减轻脊柱肌态，目的都是为了维持直立姿势的同时减轻脊柱肌肉负荷。肉负荷。 总之，脊柱矢状面的总之，脊柱矢状面的失衡失衡是脊柱疾患的主要后果，是脊柱疾患的主要后果，这一点非常重要，但经常被忽视，所以骨科医师在这一点非常重要，但经常被忽

9、视，所以骨科医师在治疗脊柱疾病时必须强调维持治疗脊柱疾病时必须强调维持脊柱矢状面的平衡脊柱矢状面的平衡。 脊柱脊柱冠状面冠状面的的失衡失衡经常发生在脊柱侧弯的病经常发生在脊柱侧弯的病人，也可发生在脊柱创伤、肿瘤及下肢不等长人，也可发生在脊柱创伤、肿瘤及下肢不等长的病人身上。外科医师在脊柱手术中应特别重的病人身上。外科医师在脊柱手术中应特别重视使头部和双肩的中心位于骨盆中线上。视使头部和双肩的中心位于骨盆中线上。 骨盆与肩关节不平行使骨盆与肩关节不平行使得脊柱冠状面平衡，脊得脊柱冠状面平衡，脊柱产生代偿性弯曲。柱产生代偿性弯曲。 运动节段运动节段 运动节段运动节段是脊柱基本功能单位，是脊柱的最小

10、单元，是脊柱基本功能单位，是脊柱的最小单元，但是却体现出整个脊柱所具有的生物力学特点。但是却体现出整个脊柱所具有的生物力学特点。 一个运动节段包括相邻两个一个运动节段包括相邻两个椎体、椎间盘、关节囊椎体、椎间盘、关节囊包裹的包裹的小关节小关节和相连的和相连的韧带韧带。尽管脊柱的肌肉不包括在。尽管脊柱的肌肉不包括在运动节段内，但它们对运动节段功能的发挥致关重要。运动节段内，但它们对运动节段功能的发挥致关重要。 运动节段，后面观运动节段，后面观运动节段，前面观运动节段，前面观脊柱的各个运动节段通过以下机制彼此连接起来脊柱的各个运动节段通过以下机制彼此连接起来: 运动节段作用机制运动节段作用机制 ：

11、 运动轴：椎间盘运动轴：椎间盘及及小关节小关节；围绕它；围绕它们的轴可作旋转运动。们的轴可作旋转运动。 杠杆：杠杆：椎体和其上的椎体和其上的骨性突起骨性突起；是；是致动体的附着点。致动体的附着点。 致动体：致动体：指与运动节段接触的前方指与运动节段接触的前方和后方的和后方的肌肉肌肉，是脊柱功能单位的运，是脊柱功能单位的运动控制结构。动控制结构。 限制体：限制体：运动节段的运动节段的韧带韧带，用以维，用以维持脊柱的稳定，将运动节段的活动限持脊柱的稳定，将运动节段的活动限制在正常范围。制在正常范围。 简而言之，运动节段的运动是这样产生的：简而言之，运动节段的运动是这样产生的： 肌肉收缩推动椎体上的

12、杠杆，作以椎间盘及小肌肉收缩推动椎体上的杠杆，作以椎间盘及小关节为轴的旋转运动，韧带组织提供稳定性，限制关节为轴的旋转运动，韧带组织提供稳定性，限制运动节段在生理范围内运动。运动节段在生理范围内运动。 尽管每一运动节段只有有限的运动范围，但所尽管每一运动节段只有有限的运动范围，但所有运动节段彼此叠加，脊柱就具有很大的屈曲性和有运动节段彼此叠加，脊柱就具有很大的屈曲性和广泛的运动范围。广泛的运动范围。 脊柱机械性不稳定脊柱机械性不稳定脊柱外科医生对何种情况下脊柱是不稳定的各持己见。脊柱外科医生对何种情况下脊柱是不稳定的各持己见。在生理负荷下，正常脊柱有在生理负荷下，正常脊柱有两个很重要的特征：两

13、个很重要的特征： 1. 限制脊柱结构位移限制脊柱结构位移以保证神经组织不受损伤或刺激。以保证神经组织不受损伤或刺激。 2. 维持结构完整维持结构完整，防止严重畸形的发展和疲劳性疼痛，防止严重畸形的发展和疲劳性疼痛的出现。因此如果脊柱因结构移位导致已经出现的或的出现。因此如果脊柱因结构移位导致已经出现的或潜在的神经损伤及因无法承担生理负荷而出现疼痛畸潜在的神经损伤及因无法承担生理负荷而出现疼痛畸形时，脊柱出现不稳定。在严重的病例，这两种情况形时，脊柱出现不稳定。在严重的病例，这两种情况可同时出现。可同时出现。 多种原因可导致脊柱不稳定，包括创伤、多种原因可导致脊柱不稳定，包括创伤、肿瘤、代谢异常、退变及椎体滑移，椎体、肿瘤、代谢异常、退变及椎体滑移，椎体、椎间盘和韧带的损伤是脊柱不稳定的常见椎间盘和韧带的损伤是脊柱不稳定的常见原因。原因。 例如：肿瘤破坏椎体后，它无法承载例如：肿瘤破坏椎体后，它