脊柱侧弯生物力学

脊柱矫形器的生物力学的三大原理，杠杆原理、三点矫正原理、牵引及免荷原理。

1.对躯干提供支撑力（1）提高腹腔内压力：通过来自躯干前方、后方及侧方的压力和限制作用增加腹腔内的压力，减少脊柱伸肌的负担以及胸椎和腰椎上方的垂直负荷。

（2）“三点压力”系统或复合局部压力：提供对躯干的支持，尤其是因肌肉麻痹使躯干偏离中线时，维持脊柱的正常对线关系。

2. 对脊柱运动的控制（1）机械的“三点力”作用：大多数硬性脊柱矫形器。

（2）心理上的运动限制：脊柱矫形器共有的重要作用——随时提醒患者注意姿势而使其减少脊柱的活动。

尤其在脊椎关节和椎间盘的疾病中，限制脊柱的运动。

3. 被动或主动的矫正力改变脊柱对线关系（1）被动矫正力：施加外部压力，即通过矫形器上的各种压力垫施加在人体的某部位作用力。

（2）主动矫正力：矫形器在人体的压力垫对应相应的释放区，人体通过呼吸运动，胸腔和腹腔会增大。

但由于一侧受压，脊柱只能向有空间的释放区偏移，一般在脊柱的释放区域开有窗口。

人体可通过自身的呼吸运动产生矫正力。

脊柱矫形器的临床适应范围：（1）疼痛：腰部疼痛、坐骨神经根炎、腰椎间盘突出症等。

（2）固定：脊柱手术前后、脊柱融合术后、椎间盘手术后、脊柱骨折等。

（3）脊柱关节病：脊柱关节炎、类风湿性脊柱炎、脊柱软骨病、脊柱结核等。

（4）脊神经麻痹：麻痹性病变，如小儿麻痹后遗症、脊柱发育不良等。

（5）脊髓损伤：脑瘫、截瘫、脊柱裂等。

（6）脊柱外伤：脊柱滑脱、颈椎扭伤、椎间盘突出症、颈椎病、脊椎骨折或脱位等。

（7）脊柱畸形：青少年驼背、脊柱侧弯、脊椎前凸和后凸等。

脊柱矫形器的副作用：（1）运动不便、骨质疏松、皮肤磨损。

（2）长期佩戴会造成肌肉萎缩、肺活量减小、运动量消耗大、肌无力等。

（3）固定式矫形器还会引起关节李缩，阻碍脊柱运动。

（4）产生心理依赖，症状加重等。

施罗斯（武汉）实践学院是全球具有广泛影响力的施罗斯体操师认证机构，自2015年SBP进入中国大陆地区，一直致力于脊柱侧弯专业矫治人才的培养工作，施罗斯亚太区总裁Maksym先生曾多次到我中心授课，施罗斯家族第三代传人Weiss医生2020年五月也将亲临武汉主持体操是认证培训班。

脊柱疾病和损伤与脊柱受力的异常有明确关系，而康复治疗和预防也需要对脊柱运动的生物力学有清楚的了解。

本文旨在为临床和治疗技术人员提供相关的基础知识。

1、结构特征：脊柱是人体运动的主轴。

由多个椎体、多重关节(椎间“关节”、椎小关节)、众多肌肉和韧带紧紧围绕、生理弯曲，以满足脊柱的坚固性和可动性(柔韧性)。

其活动有三维方向(前后、左右、旋转)和六个自由度(3个平动、3个转动)。

2、位置特征：颈段支撑头颅，重心处于颈部前2/3和后1/3的交界处;胸段重心偏后(胸廓前后径的后1/4)，与胸廓共同分解胸以上躯体的重量。

腰段居中，甚至前凸，以支撑体重。

3、解剖特征：(1)椎管：椎骨构成一个可褶曲的有效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、横突构成。

椎体是椭圆形短扁骨，一圈致密的骨皮质包围海棉状的髓质(松质骨)，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。

椎体的骨小梁除按应力线斜行交叉外;还可看到一组从椎体上面向后延伸，至椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突，另一组则从椎体下面向后延伸到椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突。

椎体前缘最薄弱，易于发生压缩性骨折。

横突和棘突作为脊柱肌肉的附着点，是脊柱动态稳定性的基础之一。

(3)椎间盘：内部为髓核，外部为纤维环。

髓核为半液态，由富亲水性的葡萄糖胺酸聚糖的胶状凝胶所组成。

除了下腰椎的髓核位置偏后外，髓核均位于椎间盘的正中。

纤维环为多层致密的结缔组织彼此斜行交织而成，自边缘向心分布，致密的纤维环开始是垂直的，越接近中心越倾斜，到中心接触髓核时，几乎近水平走向，并围绕髓核成椭圆形。

椎间盘受压时，髓核承受75%的压力，其余25%的压力分布到纤维环。

髓核还同时具有稳定脊柱运动的功能，在伸展运动时，上方椎体向后移位，缩减了椎间隙后缘，髓核受挤向前方偏移。

在前屈运动时，正好相反，从而使椎体获得较强的自稳性。

椎间盘总厚度约为脊柱全长的25%。

青少年脊柱侧凸概述脊柱侧弯的经典定义为“脊柱在额状面上发生的侧方弯曲”,实际上应为一种复杂的三维畸形;额状面上畸形大于10度的传统标准仍然适用于现行的脊柱侧弯定义;然而由于近来对力偶合认识的加深,目前我们知道侧弯的脊柱不仅在矢状面和额状面上存在有差异,在横断面上亦存在有畸形;因此在脊柱侧弯的诊断和治疗过程中一定要对人体的三维平面进行评估;脊柱侧弯的患病率患病率是指在某一时点检查时可能发生某病的一定人群中患有某病的频率;由于侧弯严重程度的不同,脊柱侧弯的患病率而有所差别,角度大的侧弯发生率较低,世界范围内各种类型脊柱侧弯的患病率约为1%,且在各种群中相对恒定;勿将患病率与发病率相混淆;发病率是指在观察期内通常为一年,可能发生某种疾病的一定人群中新发生该病的频率;绝大多数研究所涉及的是脊柱侧弯的患病率;脊柱侧凸的病因学脊柱侧弯的病因多种多样;Moe 在其经典的教科书中列举的病因多达50余种;我们将其粗略地将脊柱侧弯分为以下四类： 神经肌肉性侧弯先天性侧弯某些疾患疾病,肿瘤和创伤导致的侧弯特发性侧弯 神经肌肉性侧弯神经肌肉性侧弯通常在儿童期发病;这类畸形多呈进展性且伴有明显的心肺并发症;该类患者的寿命通常缩短;神经肌肉性疾病又可进一步分为：神经病性和肌病性;然而,并非所有患有神经肌肉性疾病的儿童都会发展为脊柱侧弯; 多数神经肌肉性侧弯患者需接受脊柱融合手术;以使其能直立地坐在轮椅上并能够拥有较好的生活质量;坐立有助于改善患儿的肺通气,且有助于减少肺部并发症;神经病性疾患使神经系统受累;神经病性侧弯包括脑瘫,脊髓小脑功能障碍及脊髓灰质炎;肌性侧弯的病因在于肌肉组织疾患;Duchenne 肌萎缩和关节弯曲是肌性疾患的典型病例,并有可能导致脊柱侧弯; 先天性侧弯先天性侧弯是由于发育过程中胚胎受到损伤而造成的椎体或椎节构形错误所致,并非遗传所致;这类畸形出生时便存在,且程度轻重不等;先天性缺陷在患儿的成长过程中可加剧脊柱的侧弯程度;这种先天性脊柱缺陷可分为以下三个基本类型：形成不良分节不全混合型形成不良可累及单一椎体或多个椎体,指脊柱在宫内发育过程中,一个椎 体的部分或全部不能完整发育成型;形成不良最常见的情况是半椎体;该种畸形在侧弯中较为常见,并可使侧弯畸形加重;若脊柱后部结构发生形成不良,可导致脊柱裂或脊髓脊膜突出;右方插图显示的形成不良为半椎体;混合型是指形成不良和分节不全同时发生;这一类型较难判别和评估,需加以定期随访;混合型最重的情况通常为脊柱的一侧存在有多个未分节的骨桥,而另一侧则为半椎体;单纯的形成不良或分节不全较为少见,相反大多数患者表现为形成不良和分节不全两者并存; 某些疾患造成的侧弯某些全身性疾患也可导致脊柱侧弯的发生,如：感染、肿瘤或创伤;诸如间质病变的Marfan 综合征和遗传性结缔组织病变的神经纤维瘤病往往同时伴随有脊柱侧弯的发生;但并非这类疾病都有脊柱侧弯的发生;急性和慢性感染例如：结核有可能造成明显的脊柱侧弯;脊柱肿瘤及楔变的骨折,最终也会导致脊柱侧弯,但这些情况在儿童中罕见;多节段椎板切除术往往造成医源性侧弯,此在成年中亦较为常见;特发性脊柱侧凸特发性不明原因脊柱侧弯是脊柱的最常见类型,约占所有脊柱侧弯的85%,发生在其他方均正常的健康儿童中;无身体或影象学方面的病变证据;尽管这类畸形可能早已存在,但根据确诊时的年龄可将其分为以下三类：婴儿型出生——3岁少年型3岁——10岁青少年型10岁——17岁婴儿型脊柱侧弯确诊时的年龄在3岁以内;约占所有特发性侧弯的1%以下;多见于男童,通常为左侧胸弯;85%的侧弯可行缓解,15%的侧弯呈进行性加重;婴儿型脊柱侧弯随着侧弯的发展出现神经损害的风险较高;少年型脊柱侧弯确诊时的年龄处于3岁——10岁之间,约占所有特发性侧弯病例的15%;多在女童中发病,且以右侧胸弯为主;难以确定这类侧弯是否还会发展;一般来说,少年型脊柱侧弯进一步加重的风险较大;同青少年型特发性脊柱侧弯相比,往往更需要接受手术治疗;青少年型特发性脊柱侧弯AIS确诊时年龄多在10岁以后,并占所有手术病例的绝大多数>80%;这类侧弯可能早在少年时期即已存在,但表现并不明显,直至青春期发育高峰才明显地现出来;接受手术治疗的女性患者和男性患者的性别比例为9：1;影响侧弯加重的可变因素很多,因此难以预测其畸形是否会继续发展;患者的评估以下为对青少年型特发性脊柱侧弯进行评估的几个重要步骤;然而,在此并未囊括评估过程的所有步骤;家族史及一般健康状况需采集患者及其家族的既往病史;由于脊柱侧弯有明显的家族发病倾向,故需对其患有脊柱疾患的所有亲属进行了解和诊断;复习患者本人的既往病史,以了解侧弯发生的年龄及进展情况;对于女性患者还应记录月经初潮的年龄;体格检查观察患者的肩部、胸部、腰部和骨盆有无不对称或异常;记录躯干的皮肤皱褶情况,并记录第二性征的发育情况,如：阴毛的生长和乳腺的发育情况,从侧面观察患者有助于了解躯干和头部在矢状面上的平衡状况;其他检查步骤还包括铅锤线的测量,运动范围及下肢长度的测量,Adam前曲试验以及采用眼径计SCOLIOMETER测量肋骨隆凸;眼径计可用于测量脊柱畸形的旋转度数;如果其倾斜读数超过7度可确定为阳性;该种方法经常用于对学校的青少年进行大规模的侧弯普查;脊柱畸形患者的其它一些常用诊断方法如下：影象学诊断脊柱最基本的影象学诊断应当包括站立位全长的正、侧位X线片;X线片应该显示脊柱的全长;必要时采用两个X线片盒来获得脊柱全长的X线片;X线片拍摄时患者当取站立位,以便对其脊柱的平衡性进行评估,如果患者不能站立神经肌肉性脊柱侧弯,可采取坐位或卧位进行拍摄;拍摄时通常采用后前位;其道理在于尽可能减少青少年女性患者乳腺组织所接受的辐射剂量;此外,对于非脊柱X线片,观看阅片箱上的照片就如同阅片者站在患者的对面;对于脊柱X线片,阅片时阅片者如同站在患者的背侧;侧方弯曲的正位X线片有助于评估侧弯脊柱的柔软性;这类照片通常在患者取仰卧位时拍摄,此时关节突关节不处于绞锁状态,故可最大限度地显示其伸展性;有些情况下,如果患者的侧弯角度较大或肌力有限难以最大范围地活动其脊柱,此时可施以外力助之;对于某些神经肌肉性侧弯患者,可在牵引状态下拍片来评估侧弯的柔软性;为便于进行影像学诊断,有可能还需拍摄一些特殊体位的X线;。

《不良身姿和脊柱矫形器的生物力学探究》篇一一、引言在当今社会，不良身姿已经成为一个普遍存在的问题，尤其在学生和办公室工作人员中更为常见。

长时间维持不良姿势会导致脊柱问题，如脊柱弯曲、颈椎病等。

为了解决这一问题，脊柱矫形器被广泛应用于医疗领域。

本文将探讨不良身姿的生物力学原理以及脊柱矫形器在改善脊柱健康方面的作用。

二、不良身姿的生物力学原理不良身姿通常指的是长时间维持不正确的坐姿、站姿或卧姿，这些不正确的姿势会给脊柱带来压力，影响其正常生理曲度。

从生物力学的角度来看，当脊柱处于不正常弯曲或扭曲的状态时，椎间盘、肌肉和韧带会受到异常压力。

这种压力长期存在会导致肌肉疲劳、关节僵硬、椎间盘突出等病变。

具体而言，常见的不良身姿包括：长时间低头看手机或电脑导致的颈椎前屈；长期伏案工作导致的胸椎弯曲；以及长时间站立或久坐导致的腰椎前凸等。

这些不良姿势会导致脊柱的应力分布不均，使部分关节和软组织承受异常负荷，进而导致疼痛和损伤。

三、脊柱矫形器的生物力学作用脊柱矫形器作为一种治疗和预防脊柱问题的辅助工具，在生物力学方面发挥了重要作用。

脊柱矫形器通过提供适当的支撑和限制，使患者保持正确的姿势，从而减轻脊柱的异常压力。

此外，矫形器还可以通过调整关节的应力分布，使肌肉和韧带得到充分的休息和恢复。

常见的脊柱矫形器包括背带、腰托、颈托等。

这些矫形器可以根据患者的具体情况进行定制，以适应不同的脊柱形态和需求。

例如，对于颈椎前屈的患者，颈托可以提供适当的支撑，使头部保持正常位置，减轻颈椎的负担。

对于腰椎前凸的患者，腰托可以提供额外的支撑和稳定性，使腰椎保持正常的生理曲度。

四、案例分析以一位因长时间看手机导致颈椎前屈的患者为例，通过佩戴颈托来改善其不良姿势。

颈托的生物力学原理是通过适当支撑头部，减轻颈椎的负担。

佩戴颈托后，患者的头部可以保持在正常的位置上，避免了长时间低头带来的颈椎负担加重的问题。

此外，颈托还能在夜间为患者提供额外的支撑，避免睡眠中头部不自觉前屈的现象。

脊柱侧弯是脊柱的一个或多个节段在冠状面上偏离中线的侧弯、矢状面上的前弯或脊椎体在纵轴上的旋转，是最常见的脊柱三维畸形[1]。

脊柱侧弯是躯干的畸形，以脊柱的侧向偏移和轴位旋转为特征。

许多特发性脊柱侧弯患者存在肋骨的变形以及矢状面上胸椎生理后弯的减少。

少数特发性脊柱侧弯患者表现为主弯与次弯交界区的后弯畸形。

由于其病理解剖特点复杂，导致脊柱在出现侧弯后和矫正手术后的生物力学变化较正常生理曲度的脊柱复杂得多，本文就目前国内外在脊柱侧弯生物力学方面的研究综述如下。

1脊柱侧弯生物力学机制的研究脊柱侧弯是复杂、常见的脊柱畸形，其中最为常见的类型是特发性脊柱侧弯，国内外数十年来的研究发现特发性侧弯的病因与遗传、生长发育、神经肌肉因素、内分泌系统等有关，但目前还无明确证据表明其存在单一的致病因素。

由于对脊柱侧弯的病因尚不明了，以及对于脊柱侧弯进展、转归以及术后的预后等亦不清楚。

目前文献报道对脊柱发生侧弯以后的生物力学改变亦不多，但学者普遍认为，在快速生长期脊椎不对称生长的自身生物力学调节加重了特发性脊柱侧弯的进展[2]。

对于影响脊柱侧弯的进展，目前国内外学者普遍认为占主导作用的是生物力学机制，占重要因素的是脊柱负载及椎体生长的不平衡。

Villemure 等[3]通过三维有限元模型对脊柱侧弯进展的情况进行了模拟，为进一步研究脊柱侧弯创造了条件。

Aronsson 等[4]利用小牛脊柱进行生物力学实验，证明通过不同方向对脊柱进行特发性脊柱侧弯的生物力学研究进展侯翰涛综述，王文军审校（南华大学附属第一医院脊柱外科，湖南衡阳421001）【关键词】脊柱侧凸；生物力学；矫形外科手术文章编号：1009-5519（2012）09-1364-03中图法分类号：R5文献标识码：A牵拉或压缩会影响椎体正常生长，这暗示了椎体的正常生长是影响侧弯进展的因素。

Roaf[5]早在50年代利用正常的婴儿脊柱成功构建侧弯模型，并通过生物力学实验发现造成脊柱侧弯进展的主要因素是椎体旋转力。

生物力学原理在青少年特发性脊柱侧弯中的研究进展青少年特发性脊柱侧弯病因一直是不明确的，但生物力学原理一直是许多学者不断探索的途径，而且在治疗方面也主要针对生物力学方面研究治疗方案，本文主要对生物力学对青少年特发性脊柱侧弯原理的研究进行了总结分析。

劳顿和迪克森[1]说他们用兔子的实验支持Roaf的假设。

研究人员在一组兔子中形成了纯冠状面畸形，在第二组兔子中发生了纯矢状面畸形，在第三组中发生了矢状面和额状面畸形。

他们的研究结果表明，渐进性实验性脊柱侧凸仅在那些同时具有矢状（脊柱前凸）和冠状面畸形的动物中发展。

没有纯粹单平面畸形的兔子发展为进行性脊柱侧凸。

他们还指出，当患有双平面畸形的兔子在成熟前释放畸形时，畸形会自发消退。

研究者支持这样的观点，即脊柱的前部结构比后部结构生长得更快，导致正常脊柱后凸的丧失和椎体（前部元件）向外侧向屈曲。

作者还指出，在许多外科手术过程中单独校正冠状面畸形并不能纠正正常脊柱后凸的丧失。

Ohlen的人类受试者的工作支持Lawton和Dickson的工作，当时证明了脊柱侧凸的胸椎后凸畸形比正常情况少。

通过使用向前弯曲测试并从侧面观察受试者，Weiss和Lauf 研究了2岁，4岁和5岁儿童受损前屈（IFF）的患病率。

他们将IFF描述为下胸段的一个区域，其中胸椎的脊柱被短的椎骨段中断，该椎骨段看起来是直的并且不能主动或被动地向前弯曲。

1).Weiss和Lauf发现IFF在2中不太常见年龄（7.9％）比4岁和5岁（分别为78.9％和70.8％），并假设其原因是从爬行到直立姿势的过渡。

在686名健康的9-10岁儿童中研究了IFF，27％在随访一年内继续发展为特发性脊柱侧凸。

对于大多数儿童来说，受屈的前屈可能会解决，因为他们适应直立行走。

然而，对于那些IFF无法解决的人，或那些发展多个IFF片段的人来说，它可能是造成脊柱不稳定的一个因素导致生长期间的旋转和侧向偏离。

萨默维尔首先将胸椎特发性脊柱侧凸描述为脊柱前凸，轴向旋转和侧屈的组合，并且提示脊柱前凸是由于脊柱节段的后部元件的生长失败引起的。

第十三章脊柱侧弯的生物力学基础香港大学骨科学系吕维加第一节脊柱生物力学中的解剖因素一、正常生理弯曲从正面看，正常脊柱的形态大体是直而且对称的，除了由于主动脉位置因素导致的胸段轻微的右弯，右利手也被认为是这种现象的原因之一；从侧面看，脊柱则是具有４个生理弯曲的曲线，即脊柱的生理性弯曲，分别是颈椎生理性前凸、胸椎生理性后凸、腰椎生理性前凸以及骶尾段的生理性后凸。

二、小关节研究发现脊柱的活动可能在很大程度上取决于双侧小关节的关节突的形态和位置。

关节突的方向和位置将会影响到脊柱的运动学特征。

在胸段脊椎，上关节面几乎是平的，向后上而且偏外一些，而下关节面向前内下方。

胸段脊椎关节面的方向可能和这一区域的无规律的复合运动有关。

后面我们将继续讨论这个问题。

三、韧带我们目前对于韧带在脊柱侧弯的物理性质和作用仍然知之甚少。

Walters和Morris曾经做过一个体外实验来比较脊间韧带在原发性脊柱侧弯和继发性脊柱侧弯中力学性质的作用，结果显示二者之间无显著性差异。

Nordwall比较了脊间韧带和竖脊肌肌腱在原发性脊柱侧弯、继发性脊柱侧弯以及单纯脊柱滑脱的病人体内的力学性质，结果同样是无显著性差异。

目前已经有很多研究黄韧带力学性质的文章，一致认为黄韧带在脊柱正常的运动过程中起到重要的作用。

黄韧带在脊柱侧弯中的作用已经由实验证实。

黄韧带和小关节限制正常脊柱胸段轴向旋转运动的范围；如果实施半椎板切除后，即去除了黄韧带缰绳”作用，可以形成实验性脊柱侧弯模型。

近来，关于在脊柱侧弯中椎间盘的生物力学作用的研究也相继出现。

Brickley-Parsons和Glimcher观察了在脊柱侧弯病人中凸侧和凹侧的椎间盘性型胶原和型胶原的分布。

他们发现型胶原和型胶原的分布存在显著性差异，研究者认为可能为凸侧和凹侧的压力不同所致，这也许就是Wolf力学定律在胶原的生物化学上的体现。

第二节运动学概念早在1905年，Lovett曾经在《脊柱侧弯相关的机械力学》一文中提到，研究脊柱侧弯就像调查火车事故的原因，不仅需要了解撞毁的车厢破坏力的作用及方向，还需要知道将来如何更好地预防下一次事故的发生，比如通过对信号灯系统的调查来研究常规的预防措施。