脊柱運動及生物力學

1、脊柱運動及生物力學,脊診整脊技術教研室,脊柱為人體的中軸支柱，是軀干的活動中心和力的傳遞樞紐，能夠承受擠壓、牽拉、彎曲、旋轉應力。由于人體的直立姿勢產生了脊柱的生理性彎曲，即：頸曲、腰曲凸向前、胸曲、骶曲凸向后，使脊柱的載負和靈活性都相應增加，這樣脊柱就成為力學結構上一個極主要的部位。當作用于脊柱的力的規(guī)律發(fā)生變化時，就會發(fā)生脊柱相關疾病。因此對脊柱生物力學進行分析和研究，對脊柱相關疾病的預防、診斷、治療具有非常重要的意義。,一、何謂生

2、物力學　　生物力學是研究生物體或生物材料在機械運動過程中，力和力的作用規(guī)律及其應用的科學。進而從功能變化推知其生理、病理含義，為預防和治療提供依據(jù)。,二、脊柱的運動基礎、特點及運動范圍　?。ㄒ唬┘怪墓δ軉挝唬骸　〖怪墓δ軉挝唬杭椿顒庸?jié)段，由相鄰的兩個椎骨及其間的軟組織構成的一個能顯示脊柱生物力學特性的最小功能單位。一個活動節(jié)段可分為前部和后部兩部分，前部包括兩個相鄰的椎體、椎間盤、前縱韌帶和后縱韌帶，后部包括：椎弓、關節(jié)突關節(jié)

3、、橫突、棘突和其間的韌帶。各個節(jié)段的運動綜合起來，便構成脊柱的三維六自由度運動。,運動階段前部包括：兩個相鄰的椎體、椎間盤、前縱韌帶和后縱韌帶。,運動階段后部包括：椎弓、關節(jié)突關節(jié)、橫突、棘突和其間的韌帶。,各個節(jié)段的運動綜合起來，便構成脊柱的三維六自由度運動。 三維即三個運動軸（冠狀軸、矢狀軸、垂直軸）六自由度運動即三個角位移和三個線位移。 三個線位移 包括沿冠狀軸方向的左右平移，　　　　　　沿矢狀軸方向的前后平移以及

4、　　　　　　沿垂直軸方向的壓縮拉伸位移 三個角位移 即是圍繞三個運動軸的旋轉，　　　　　　包括屈伸運動、側屈運動、旋　　　　　　轉運動和環(huán)轉運動。,(二)、脊柱運動的特點,脊柱的所有運動是多個活動節(jié)段聯(lián)合運動的結果。由于椎間盤和小關節(jié)存在，使脊柱能沿冠狀軸（前屈后伸）、矢狀軸（左右側彎）、縱軸（軸向旋轉）活動。由于小關節(jié)排列方向不同，不同節(jié)段的活動幅度也各不一樣。頸椎關節(jié)面的方向接近水平，故能做較大幅度的屈伸、側屈和旋轉活動；胸椎

5、的小關節(jié)面呈額狀位，加之胸廓存在，使其活動受到一定限制；腰椎小關節(jié)面與冠狀面呈45º，與橫截面呈90º，其屈伸活動幅度從上到下逐漸增大，旋轉活動幅度則受限。脊柱屈曲的最初50º－60º，主要發(fā)生在下腰段，進一步前屈則需要骨盆的前傾。軀干的側屈主要位于胸段與腰椎脊柱。頸椎和上胸椎的側屈時伴有旋轉。,,軀干側屈活動位于胸段與腰段脊柱。,頸椎和上胸椎側屈時伴有旋轉，棘突轉向側屈的凸側；,腰段則相反，側屈

6、時棘突轉向側屈的凹側。,,,,綜上所述，脊柱在一個軸的平移，常伴隨同一軸上的旋轉，或脊柱在一個軸上的旋轉和平移必然同時伴有另一軸旋轉和平移運動的現(xiàn)象。這就是脊柱運動的特點稱之為共軛現(xiàn)象。,（三）脊柱的運動范圍　　脊柱各部的運動性質和范圍，取決于椎間盤的厚度，椎骨的形態(tài)，椎體之間連接的緊密程度及脊柱周圍參與運動的肌肉。此外還與性別、年齡有關。總的說來，椎間盤的相對厚度較大，關節(jié)突關節(jié)的關節(jié)囊松弛，則有利于提高脊柱的運動性能；頸段、腰段脊

7、柱、比胸段脊柱運動性能更為廣泛，故頸腰段脊柱也是易受損傷的部位。,1.頸椎的運動　　由于頸椎椎間盤相對較厚，且無肋骨支撐的原因，頸椎是脊柱活動最大的部分，根據(jù)功能、解剖特點，頸椎分為：(1)上頸椎(枕一寰一樞復合體) (2)下頸椎(C5—T1 ) (3)中間部位是中頸椎(C2—C5)三部分。,枕一寰一樞復合體，是人體最復雜的關節(jié)，解剖結構，運動性能都較獨特。包括枕寰關節(jié)和寰樞關節(jié)。,枕一寰一樞關節(jié),枕一寰一樞關節(jié)，是人體最復雜的關

8、節(jié)，解剖結構，運動性能都較獨特。包括枕寰關節(jié)和寰樞關節(jié)。 枕一寰一樞關節(jié)總屈伸度約為23º，運動軸是以齒突為中心； 側屈活動發(fā)生在枕寰關節(jié)，約8º，寰樞關節(jié)無側屈活動。,兩大關節(jié)參與屈伸活動范圍基本相同，分別為13º和10º，兩者結合使該復合體的總屈伸度約為23º，其運動軸是以齒突為中心；側屈活動發(fā)生在枕寰關節(jié)，約8º，寰樞關節(jié)無側屈活動，其運動軸位于齒突上

9、方；旋轉運動只發(fā)生于寰樞關節(jié)，枕寰關節(jié)解剖特點決定其沒有旋轉特點，C1—C2節(jié)段的旋轉運動范圍相當大，占整個頸椎旋轉度的40—50%，因上部頸椎管相對較大，雖旋轉軸靠近脊髓，但一般不會損傷脊髓，其余50—60%由下頸段提供。通常是最初旋轉的45º發(fā)生在寰樞關節(jié)。然后是下頸椎參與旋轉。,C1—C2間的廣泛旋轉時，可引起頭暈、惡心、耳鳴、視物模糊等癥狀，主要原因是旋轉時，位于其間的椎動脈受到擠壓或扭曲，在臨床整脊時尤應注意角度和幅

10、度。上頸椎在各個運動方向上有明顯的共軛現(xiàn)象，旋轉運動伴有上下方向的移動，側屈運動伴有一定程度的旋轉運動。這與寰樞關節(jié)的雙凸型關節(jié)面和齒突方向有關。,中段頸椎的側屈運動范圍基本相同，下段頸椎側屈運動范圍則從上到下逐漸減小，側屈運動的運動軸位于下位頸椎椎體中部；屈伸運動和旋轉運動以C4—C5和C5—C6節(jié)段范圍最大，向下逐漸減小，其運動軸位于下位椎體的前部，但C5—C6和C6—C7 在半屈—中立—半伸范圍內的活動度明顯大于C3—C4和 C4

11、—C5 ，這一活動范圍恰好在日常生活中使用最多，這或許是 C5—C6與 C6—C7退行性改變發(fā)生最早、最重的原因。,中段頸椎的側屈運動范圍基本相同，下段頸椎側屈運動范圍則從上到下逐漸減小屈伸運動和旋轉運動以C4—C5和C5—C6節(jié)段范圍最大，向下逐漸減小。,在中、下部頸椎，各種運動形式存在著共軛現(xiàn)象，尤其是側屈運動伴隨旋轉運動，即側屈時棘突轉向凸側，如作頭向左的側屈活動時(或脊柱側彎時)，棘突必然轉向右側。這種共軛現(xiàn)象對了解頸椎小關節(jié)

12、錯位或脫位有重要意義。當外傷暴力導致關節(jié)超越正?；顒臃秶鷷r，將使一側小關節(jié)突過分移向尾側，另一側的關節(jié)突過分移向頭側并導致單側小關節(jié)錯位或脫位。整脊頸椎手法復位可根據(jù)此現(xiàn)象。不同節(jié)段頸椎側屈時所伴隨的旋轉角度不同，在C2每側屈3º，伴有2º旋轉，在C7每側屈7.5º，伴旋轉1º；從C2—C7,伴隨側屈的旋轉度從上到下逐漸降低，這可能與小關節(jié)面傾斜度從上而下逐漸增加有關。,,,2.腰椎的運動

13、 腰椎的屈伸運動范圍一般是自上而下逐漸增大，腰骶關節(jié)(L5—S1)的運動范圍最大，且前屈運動范圍大于后伸運動范圍。但在活體上，由于腰背部肌肉和韌帶對下腰段脊柱的保護，實質最大屈伸運動范圍是L4—L5節(jié)段其運動軸位于椎間盤的前部；腰椎各節(jié)段側屈幅度基本相等，但腰骶關節(jié)相對小些，左側屈時運動軸位于椎間盤右側，右側屈時則位于椎間盤左側；當椎間盤突退變時，其運動軸則比較離散，腰椎各段的旋轉運動也很相近，但腰骶關節(jié)例外。其旋轉運動軸位于后部髓核和

14、纖維環(huán)區(qū)域。旋轉運動的位移形式與椎間盤退變無明顯關系。,脊柱側屈時，髓核移向凸側；,,,,腰椎有數(shù)種共軛運動現(xiàn)象，最明顯的是側屈和屈伸活動之間的共軛現(xiàn)象。在側屈和旋轉運動的共軛運動時，棘突是轉向凹側，這與頸椎棘突移向是相反的。,,,,三、脊柱穩(wěn)定性與生物力學 在臨床工作中，正確判斷脊柱的穩(wěn)定狀態(tài)十分重要，在一定程度上決定治療方法的選擇和病人的預后。脊柱的穩(wěn)定性一般是指脊柱維持自身平衡位置的能力。是脊柱承載和運動的基礎，反映了脊柱生

15、物力學的重要特征。而脊柱的不穩(wěn)是指脊柱在生理載荷下失去保持脊椎之間相互關系的能力。意味著在正常載荷下就會出現(xiàn)異常變形及活動。脊柱的運動范圍超過正常，可引起脊髓和神經(jīng)根的損傷，周圍組織可因過度牽拉而損傷。,脊柱具有內源性穩(wěn)定和外源性穩(wěn)定，前者靠椎間盤，小關節(jié)及周圍韌帶，后者靠脊柱周圍的肌肉，特別是胸腹機。內源性穩(wěn)定是：椎間盤髓核內的壓應力使相鄰椎體分開，而纖維環(huán)及其周圍韌帶在抵抗髓核分離壓力情況下，使椎體靠攏，這兩種不同方向的作用力，使脊

16、柱得到較大的穩(wěn)定性。一般認為，脊柱外源性穩(wěn)定較內源性重要。失去內源性穩(wěn)定，脊柱變化較緩慢，而失去外源性穩(wěn)定，則脊柱不能維持其正常功能。總之，以上任何結構破壞均可造成脊柱的不穩(wěn)。下面簡要討論，脊柱的穩(wěn)定因素及原理。,（一）脊柱的生理曲度 脊柱是由椎骨、椎間盤和韌帶連接在一起。從正面看，它是直立的，對稱的，個別人有輕度的向右側彎，這是由于主動脈的位置或右手活動過多所導致，從側方看，有四個生理性彎曲，即頸曲，腰曲向前，胸曲和

17、骶曲向后。這樣脊椎就像一根能調節(jié)彈性曲桿。其四生理曲度有利于維持椎間關節(jié)的的強度和穩(wěn)定性，增加了脊柱的適應性和吸收沖擊的能力。,從而減輕走路，跳躍時從下方傳來的震蕩，緩和腦和脊髓受到的沖擊。這是保證脊柱三個基本生物力學功能的基礎，即保證將頭和軀干的載荷傳遞到骨盆，保證機體頭、軀干骨盆間充分的生理活動和保護脊髓。 維持脊柱生理彎曲，是保持脊柱穩(wěn)定性的基礎。脊柱生理性變曲易受到椎間盤形狀，椎體形狀，脊柱周圍肌肉，人體姿勢，骨盆傾斜度以

18、及病理因素的影響。,1.人體的姿勢：人體正確的姿勢，可以保證人體正常的重心，維持正常重心是保持脊柱生理曲度的基礎。當人體站立時，脊柱生理曲度正常者，其重心線沿乳突向下經(jīng)髖關節(jié)的中心橫軸，第2骶椎，膝和踝的前面，落在負重足上。此重力垂線通過了頸、胸、腰三個變曲的交界處，即使各部曲度有所改變，重力線位置也不會發(fā)生改變。根據(jù)生物力學特點坐下時采取略后靠，微伸展的姿勢，這樣能減小椎間盤的壓力。所以，保持正確的姿勢，可以維持脊柱正常生理曲度，繼而

19、增加脊柱抵抗縱向壓縮栽荷的能力。故生理曲度明顯的脊柱是動力型的，而較直的脊柱是靜力型的。,當脊柱生理曲度不正常時，軀干重力的傳導將失去平衡，例如腰段脊柱的前凸消失時，重心前移，椎體載荷增加，所以會導致椎間盤向后偏移，纖維環(huán)后部受到應力加劇，甚至會引起椎間盤向后膨出或突出，關節(jié)突關節(jié)面的分離、錯位，降低脊柱的穩(wěn)定性。同時腰背部肌肉會代償性增粗，而出現(xiàn)腰背痛。,2.骨盆傾斜度：脊柱的許多肌肉對稱地止于骨盆或起于骨盆，骨盆猶如基石，起著支持脊

20、柱、維持脊柱穩(wěn)定和平衡的作用。在正常情況下，這些肌肉的平衡收縮，將骨盆傾斜角度維持在30度左右，若骨盆前傾角度增大，將使腰曲前凸增大，甚至導致病理性凹背。,脊柱滑脫癥可引起同樣的畸形。腰段脊柱前凸，胸段脊柱呈現(xiàn)代償性后凸?；颊哐堪枷?，骶骨向前傾斜，臀部明顯后凸。若骨盆有額狀位不正，可導致脊柱諸肌失衡和不穩(wěn)，形成脊柱側凸，是脊柱的不穩(wěn)定狀態(tài)，在脊柱側凸未被完全代償情況下，會導致脊柱側凸畸形進行性加重，久之會引起椎間盤應力改變，出現(xiàn)向側方

21、膨出或突出。因此 ，在臨床整脊治療過程中，必段首先整髖、整骶，保證骨盆在額狀位和矢狀位的傾斜角度，使脊柱達到新的平衡狀態(tài)。,(二)椎間盤 椎間盤在相鄰椎體間起著緩沖墊的作用在各種不同載荷下，它產生相應的變形來吸收沖擊，穩(wěn)定脊柱。椎間盤的解剖結構決定了椎間盤有利于對抗壓縮力。,在椎間盤垂直受壓時，主要表現(xiàn)為纖維環(huán)向四周膨出，去除載荷，由于其彈性基質作用恢復原形，即使在很高的載荷下，去除載荷后產生永久變形時，也沒有出現(xiàn)哪一個方向的纖

22、維環(huán)破裂，這是因為載荷能夠均勻分布到椎體的上下面和周圍的纖維環(huán)上，這一點符合帕斯卡定律的特點。由于椎間盤的彈性模量遠遠小于椎體。易發(fā)生變形，當載荷增加到一定程度時，首先破壞的是椎體而不是椎間盤，這說明，臨床上椎間盤突出不只是由于受壓，更主要的原因是椎間盤內的應力分布不均勻。,隨著年齡的增加，椎間盤對抗壓縮能力逐漸降低，髓核由于脫水變得不飽滿，將軸向壓力分布到內層纖維環(huán)的能力下降，使大部分載荷由纖維環(huán)直接承擔，可引起纖維環(huán)膨出，使椎間盤高

23、度減小，韌帶松弛，從而影響脊柱的內源性穩(wěn)定。,椎間盤的運動軸在髓核處，其運動學作用就像軸承一樣，由于椎間盤存在，脊柱可沿冠狀軸、矢狀軸、縱軸做平移和旋轉活動其伸屈活動主要靠椎間盤和椎間韌帶的支持其伸屈范圍取決于椎間盤的大小、形態(tài)、生化特性。髓核的位置隨脊柱的運動方向而改變。,其伸屈活動主要靠椎間盤和椎間韌帶的支持，其伸屈范圍則取決于椎間盤的大小、形態(tài)和生化特性。髓核的位置可隨脊椎運動的方向而改變，,脊柱前屈時，椎間隙前方變窄，髓核向后移

24、動，后方纖維環(huán)隨壓力增加；,,,,脊柱后伸時，后方椎間隙減小，髓核向前移位，前方纖維環(huán)壓力增加；,,,脊柱側屈時，髓核移向凸側；,,,,脊柱旋轉時，纖維環(huán)斜行方向的纖維按運動的相反方向受到牽張，而與此方向相反的纖維則得到松弛。,,,力的方向,,有人證實，脊柱在各方面的運動幅度不超過6度—8度時并不發(fā)生椎間盤破壞，也就是說扭轉暴力和過度彎曲是椎間盤受損傷的主要原因。也有人證實，脊柱輕度曲伸活動中，髓核并不改變其形狀和位置，這或許是解釋臥平

25、板床或輕度屈曲脊柱做為治療和預防腰痛的機理。,椎間盤由粘彈性材料構成，在退變過程中彈性功能逐漸減退，逐步喪失能量貯存，傳遞和擴散應力的能力，對抗沖擊和吸收震蕩能力減弱。其蠕變，松弛、滯后等粘彈性質也會發(fā)生改變，退變的椎間盤，蠕變變形相對較快，在很短時間達到最大變形，這說明吸收震蕩及沖擊力能力減退；椎間盤的滯后性與人的年齡有關，年輕人的滯后性較好，中年以后的滯后性小，同一椎間盤在第二次加載后的滯后性比第一次加載時下降，這表明，反復沖擊對椎

26、間盤有損害。汽車駕駛員的腰椎間盤脫出發(fā)病率高，可能由于反復承受軸向震動的原因。,(三)關節(jié)突關節(jié)： 脊柱對重量或載荷的運動和傳遞中，椎體和椎間盤承受了大部分重量或載荷，而關節(jié)突關節(jié)僅承受0%--33%的重量或載荷。 關節(jié)突關節(jié)與相應節(jié)段的椎間盤共同組成一個運動節(jié)段，具有引導和限制運動節(jié)段的運動方向的作用。關節(jié)突關節(jié)的關節(jié)面的方位決定脊柱各節(jié)段運動性質和范圍，在頸椎該關節(jié)面呈水平位，在胸椎近似冠狀位，在腰椎近矢狀因此，頸椎可

27、以進行較大范圍的旋轉活動。由于關節(jié)面的方位不同，頸椎易發(fā)生脫位，很少發(fā)生骨折，而胸、腰椎易發(fā)生骨折，不易發(fā)生椎骨的單純脫位。,小關節(jié)與椎間盤的載荷分配隨脊柱姿勢改變而不同，過伸位時，小關節(jié)承擔的壓縮載荷最大達33%，在最大前屈時，其壓縮載荷最小降至零。因此，脊柱從前曲到后伸，小關節(jié)的承載在0%--33%之間變化，在中立位時小關節(jié)約承擔18%的載荷。在扭轉試驗中，椎間盤、前后縱韌帶與關節(jié)突關節(jié)、韌帶各承擔45%的扭轉載荷，余10%則由椎間

28、韌帶承擔當椎間盤退變后，粘彈性能發(fā)生改變，大部分載荷是由關節(jié)突關節(jié)承擔，使關節(jié)突關節(jié)活動被動增加，繼而出現(xiàn)小關節(jié)錯位或半脫位，造成關節(jié)囊及周圍軟組織損傷，使椎體間出現(xiàn)不穩(wěn)定。,(四)韌帶： 脊柱周圍有堅韌的韌帶，承擔脊柱大部分的張力載荷。除黃韌帶外，可與椎間盤一同提供脊柱內源性穩(wěn)定。它們之間的協(xié)同作用既能保證準確的生理功能，又保持相鄰椎骨之間的正常位置，限制脊柱的過度活動，且能在快速高載荷的創(chuàng)傷環(huán)境中，吸收突然施加的大量能量，保護

29、脊髓不受損傷。,1.前、后縱韌帶：是人體內兩條最長的韌帶，對穩(wěn)定椎體起著重要作用。單純的屈伸運動不能撕裂它們，其力學強度隨年齡增長而降低，吸收能量能力也下降。前縱韌帶強度是后縱韌帶的2倍。但二者的材料性質是相同的，可有效防止脊柱過度屈伸運動。,2.黃韌帶：主要由彈性纖維構成，可以允許在較大范圍活動而不發(fā)生永久變形。當脊柱前屈時，黃韌帶處于拉緊狀態(tài)而變薄，此時應變最大；當側彎和扭轉時，黃韌帶變化最大，此時應變最小；后伸時黃韌帶縮短，這種性