脊柱运动的生物力学

脊柱与生物力学人类从爬行到直立，脊柱及其稳定性起到了主要的作用。

脊柱作为人体的中柱，具有负重、保持人体平衡和运动、保护脊髓及内脏等多种功能。

由于脊柱本身的结构和功能特点，保持脊柱的稳定性具有重要的意义。

脊柱一旦失稳，除了导致脊柱本身及相关结构组织的病变以外，还可通过神经的反射作用使相应的脊髓节段支配的内脏产生功能上的异常。

因而，脊柱的稳定成为倍受关注的问题。

脊柱稳定的生物力学:脊柱的稳定是由外源性和内源性两个系统来维持的。

前者主要是指肌肉系统。

根据肌肉的作用范围，脊柱肌肉可分为两大类。

一类肌肉的起、止点均在脊柱，如多裂肌、棘突间肌、横突间肌等，其作用主要是维持脊柱的生理弧度和在矢状面和冠状面上的稳定；另一类是直接附着于胸廓和骨盆间的肌群，如髂棘肌和腹肌，这些肌肉比较粗壮，对维持脊柱的稳定和抵抗外来载荷起重要作用。

两部分肌肉协同作用，共同保证脊柱的平衡与稳定。

肌肉既是脊柱稳定的因素，也是脊柱活动的原动力。

在静态下靠自身的张力维持脊柱的姿态，受力时则以主动收缩来增强脊柱的稳定。

因而，在生物力学上被称作动态稳定系统。

后者指脊柱及其韧带结构。

脊柱运动单元的本身结构:椎体、椎间盘、关节突、韧带和关节囊等结构的弹性模量较高，承受外力时变形小，在生物力学上被称作静态稳定系统。

脊柱在以上两个系统的共同维系下，保持其稳定和正常的生理曲度，从而发挥其正常功能。

脊柱作为人体的中柱，其稳定的失衡会对其他的器官带来影响，引起相关疾病;同样，其他器官或组织结构的病变也必将对其稳定性带来影响。

在脊柱本身的稳定系统和四肢的骨、关节、韧带和肌肉的健康，胸廓腹压骨盆以及四肢姿势和功能对维系脊柱的稳定也起着不可忽视的作用。

虽然，这些因素被认为是脊柱稳定的辅助因素，但它却是影响脊柱稳定的充分条件。

但是，在研究脊柱稳定和治疗脊柱失稳时恰恰忽略了这些因素。

尤其是在上述因素成为脊柱失稳的原始病因时，忽略了它其结果是不言而喻的。

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%。

脊柱生物力学1.运动节段由于脊柱的结构和功能较为复杂，在研究脊柱的生物力学时，通常观察脊柱的某一部分，该部分由相邻两椎体及其间的软组织构成，能显示整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位，其运动的叠加可构成脊柱的三维运动，称为运动节段，又称脊柱功能单位。

●分部：通常将其分为前后两部分：前部分由两个椎体、椎间盘和后纵韧带组成；后部分由相应的椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带组成。

●前后部承载：前部的椎间盘和后部的小关节在负重及应力分布方面存在着一种独立的、动态的关系。

在侧方、前方剪应力作用、轴向压缩及屈曲运动时，前部的椎间盘是主要的负重部位。

如伴有较大的位移时，后部的小关节也承受部分载荷，在后方剪应力（背伸运动）和轴向旋转时，小关节则是主要的负重部位。

●功能：①运动功能，提供椎体三维空间的运动范围；②承载功能，将载荷从颈部传到骨盆；③保护功能，保护椎管内容纳的脊髓及神经根。

椎体，椎间盘及前纵韧带、后纵韧带提供脊柱的支持功能和吸收对脊柱的冲击能量。

运动范围主要依靠椎间关节复合体完成。

躯干及韧带保证脊柱的稳定性和维持身体姿势。

2.脊柱运动学神经和肌肉的协同作用产生脊柱的运动。

脊柱作为柔软性载负体，其运动形式是多样的。

脊柱的运动范围较大，但组成脊柱的各个节段的运动范围却较小，节段间的运动是三维的，表现为两椎骨的角度改变和位移。

脊柱的活动通常是多个运动节段的联合运动，包括沿横轴、矢状轴和纵轴的旋转和平移。

限制任何部位的活动都可增加其他部位的活动。

（1）运动特性：在脊柱运动中，椎体与椎间盘韧带、关节囊等组织相比，变形量极小，分析运动时可视为刚体，而椎间盘等其他物体被视为塑性物体。

（2）自由度：按照刚体运动学理论，椎骨的三维运动有六个自由度即前屈/后伸、左/右侧弯和左/右旋转运动方向上的角度以及上/下、前/后和左/右方向的位移。

其中三个为平动自由度，三个为转动自由度。

3.运动范围（1）颈椎的活动度：颈椎是脊柱活动度最大的部分。

脊柱的生物力学脊柱是人体的中轴，由脊椎骨、椎间盘、椎间关节和椎旁各关节、韧带及肌肉紧密连结而成。

椎管是各脊椎的椎孔连贯而成，内容脊髓。

成人整个脊柱从正面观为一条直线，从侧面观分为四个弯曲，颈部向前凸，胸部向后凸，腰部向前凸，骶部向后凸。

这些弯曲是适应人体直立行走的姿势，在生长发育的过程中逐步形成。

脊柱的功能为：支持体重、传递重力；保护脊髓和神经根；参与形成胸腔、腹腔及骨盆腔；至此和附着四肢与躯干联系的肌肉和筋膜。

脊柱由前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的运动能力。

在脊柱运动时，椎间盘的髓核成为杠杆作用的支点。

由于生理弯曲存在，胸椎椎间盘髓核在中央，而颈及腰椎髓核偏后。

其髓核前方的纤维环比后侧强而厚，前纵韧带亦较后纵韧带强而有力，当仰头、伸腰时，椎间盘后方受挤压，髓核向前移动。

反之，低头、弯腰时，髓核向后推挤。

如用力过度后纵韧带和后方纤维环易发生损伤破裂而使髓核发生突出，尤其在椎间盘已有退变的基础上更容易发生椎间盘突出。

由于脊髓各段的后关节面排列方向不同，其旋转轴心亦有各异。

后关节面脊椎近似水平面，胸椎呈冠状面，而腰椎呈矢状面。

同时由于各段椎间盘中髓核位置不同，在脊柱运动时颈部和腰部旋转的轴心位于椎管后部与椎板联合处，胸部的旋转轴心在椎间盘中心。

脊柱使人体保持直立位，同时承受挤压、牵拉、弯曲、剪切和旋转应力，主要有3个基本的生物学功能，即将头和躯干的载荷传递到骨盆，提供在三维空间的生理活动和保护脊髓。

脊柱活动和脊柱的稳定性：脊柱活动通常是多个活动节段的联合动作。

由于椎间盘和后关节的存在，使脊柱能沿横轴、矢状面和纵轴活动。

正常脊柱能够前屈后伸、左右侧弯和轴向旋转。

因小关节面的排列方向不同，不同节段的活动方向和幅度也不一样。

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；胸椎的小关节面呈冠状位，又有胸廓的存在，使其活动受到一定的限制；腰椎的小关节面呈矢状面，与横截面呈90°，与冠状面呈45°，其伸屈活动幅度从上至下逐渐增大，而旋转、侧屈活动幅度则受限明显。

脊柱运动的解剖和生物力学基础脊柱是人体骨骼系统中的重要组成部分，它由多个椎骨组成，每个椎骨之间通过椎间盘连接。

人体脊柱分为颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎五个部分，共有33个椎骨。

脊柱的主要功能是支撑身体的重量，保护脊髓和神经根，并提供运动的灵活性。

我们来了解脊柱的解剖结构。

每个椎骨由一个圆柱状的体和一个弓状的横突组成。

椎骨之间的椎间盘由纤维环和内核组成，纤维环具有一定的韧性和弹性，能够缓冲和吸收脊柱运动时的压力。

椎间盘的存在使得脊柱具有一定的弯曲和扭转能力。

此外，脊柱还有一系列的关节，包括椎体关节、小关节和椎弓关节，这些关节使得脊柱能够进行多方向的运动。

脊柱的生物力学基础是研究脊柱在运动中所承受的力学作用。

脊柱的运动主要包括屈曲、伸展、旋转和侧弯等。

这些运动是由脊柱的解剖结构和周围肌肉的协同作用完成的。

在运动中，脊柱受到多种力学作用，包括压力、拉力、剪切力和扭矩等。

我们来看脊柱在屈曲和伸展运动中所承受的压力和拉力。

当脊柱屈曲时，椎间盘受到压力，纤维环向后压缩，内核向前移动。

相反，当脊柱伸展时，椎间盘受到拉力，纤维环向前拉伸，内核向后移动。

这种压力和拉力的作用使得椎间盘能够缓冲和吸收脊柱运动时的冲击力。

我们来看脊柱在旋转运动中所承受的剪切力和扭矩。

旋转运动是脊柱最复杂的运动之一，它涉及到椎骨之间的小关节和椎弓关节的协同作用。

在旋转运动中，椎骨之间的小关节受到剪切力的作用，而椎骨之间的椎弓关节受到扭矩的作用。

这些力学作用使得脊柱能够进行旋转运动并保持稳定。

脊柱还承受着来自周围肌肉的力学作用。

肌肉通过肌腱与椎骨相连接，肌肉的收缩和松弛使得脊柱能够进行各种运动。

肌肉的力量和协调性对于保持脊柱的稳定性和灵活性至关重要。

脊柱的解剖结构和生物力学基础对于人体运动至关重要。

了解脊柱的解剖结构和生物力学特性可以帮助我们更好地理解脊柱的功能和运动机制。

同时，对于预防和治疗与脊柱相关的问题和疾病也具有重要的指导意义。

因此，我们应该重视脊柱的健康，保持正确的姿势和良好的运动习惯，以维持脊柱的正常结构和功能。

脊柱生物力学1.运动节段由于脊柱得结构与功能较为复杂，在研究脊柱得生物力学时，通常观察脊柱得某一部分，该部分由相邻两椎体及其间得软组织构成，能显示整个脊柱相似得生物力学特性得最小功能单位，其运动得叠加可构成脊柱得三维运动，称为运动节段，又称脊柱功能单位。

●分部：通常将其分为前后两部分：前部分由两个椎体、椎间盘与后纵韧带组成；后部分由相应得椎弓、椎间关节、横突、棘突与韧带组成。

●前后部承载：前部得椎间盘与后部得小关节在负重及应力分布方面存在着一种独立得、动态得关系。

在侧方、前方剪应力作用、轴向压缩及屈曲运动时，前部得椎间盘就是主要得负重部位。

如伴有较大得位移时，后部得小关节也承受部分载荷，在后方剪应力（背伸运动）与轴向旋转时，小关节则就是主要得负重部位。

●功能：①运动功能，提供椎体三维空间得运动范围；②承载功能，将载荷从颈部传到骨盆；③保护功能，保护椎管内容纳得脊髓及神经根。

椎体，椎间盘及前纵韧带、后纵韧带提供脊柱得支持功能与吸收对脊柱得冲击能量。

运动范围主要依靠椎间关节复合体完成。

躯干及韧带保证脊柱得稳定性与维持身体姿势。

2.脊柱运动学神经与肌肉得协同作用产生脊柱得运动。

脊柱作为柔软性载负体，其运动形式就是多样得。

脊柱得运动范围较大，但组成脊柱得各个节段得运动范围却较小，节段间得运动就是三维得，表现为两椎骨得角度改变与位移。

脊柱得活动通常就是多个运动节段得联合运动，包括沿横轴、矢状轴与纵轴得旋转与平移。

限制任何部位得活动都可增加其她部位得活动。

（1）运动特性：在脊柱运动中，椎体与椎间盘韧带、关节囊等组织相比，变形量极小，分析运动时可视为刚体，而椎间盘等其她物体被视为塑性物体。

（2）自由度：按照刚体运动学理论，椎骨得三维运动有六个自由度即前屈/后伸、左/右侧弯与左/右旋转运动方向上得角度以及上/下、前/后与左/右方向得位移。

其中三个为平动自由度，三个为转动自由度。

3.运动范围（1）颈椎得活动度：颈椎就是脊柱活动度最大得部分。

人体脊柱实质上是一个通过杠杆、运动轴、致动体和限制体操纵的结构。

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。

作为一个力学结构，脊柱有以下特点： 椎间盘是位于人体脊柱两锥体之间，由软骨板、纤维环、髓核组成的一个密封体• 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度及站立姿势的稳定性。

矢状面曲度的改会很大程度上影响脊柱的力学行为。

• 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。

• 椎体组成脊柱的前柱，承载 80% 的轴向负荷（体重）。

后方结构（主要是关节突关节）组成脊柱后柱，向下肢传递 20% 的轴向负荷。

脊柱后方的肌肉群产生“张力作用”，用来维持直立姿势及保持人体矢状面和冠状面的平衡，这些肌肉群被称为“张力带”。

任何前柱或后柱的破坏及疾病均可打破脊柱在骨盆及髋关节上的平衡，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面的平衡。

近几十年来，生物力学研究表明颈椎病的许多临床表现及影像学改变都与其密切相关。

因此，开展对颈椎生物力学的研究已成为脊柱研究领域的热点之一。

本文就生物力学在颈椎病某些方面的研究作一简要综述。

1、颈段脊柱解剖与生物力学：在研究脊柱生物力学时，一般多运用运动节段(motionsegment)或脊柱功能单位(functional spinal unit，FSU)进行描述与分析[1-4]。

脊柱的功能单位包括邻近两个椎体及其间的椎间盘与韧带。

一般分为前部结构和后部结构前者包括椎体、椎间盘、椎弓和相连的韧带，后者包括相应的椎弓、椎间关节、横突棘突和韧带。

颈椎基本的生物力学功能是：载荷的传递；三维空间的生理活动；保护颈脊髓。

颈椎活动节段为颈段脊柱的基本功能单位，是维持颈椎稳定性的基本单位。

杨企文[5]通过椎体静加载实验发现，椎体承受的轴向压缩极限载荷从颈椎到腰椎，其总体变化趋势为逐渐增加，而椎体的相对变形则逐渐减小；动载荷时其变化趋势与静加载相同。