第二节 脊柱生物力学

一、腰椎生物力学

（一）运动学

不同人腰椎的活动虽然存在很大差异，但当一个健康的成年人站立时，腰段脊柱通常表现出40°～50°的前凸弧度。从中立位出发，腰段脊柱可以在三个自由度内活动。关于腰段运动范围的数据各不相同，表5-2-1列出了典型数值。

1．在矢状面上的运动学特征：屈曲与伸展 尽管在不同研究和不同人群中，其数据结果有所差异，但健康成人脊柱腰段的屈曲运动幅度可以达到40°～50°，伸展运动幅度可以达到15°～20°。上述运动过程仅由五个椎间关节完成，因此可以认为该55°～70°的矢状面运动弧度非常大。脊柱腰段主要运动形式为矢状面运动，其主要原因是腰椎骨突关节面大部分朝向矢状面。

（1）脊柱腰段的屈曲运动：图5-2-1显示了当躯干和髋部呈屈曲体位时，脊柱腰段屈曲运动的动力学特征。当骨盆相对于股骨（髋部）发生屈曲运动时，会导致被拉伸的腘绳肌的被动张力增加。脊柱下端被骶髂关节固定，若脊柱腰段中上部继续发生屈曲，则会导致脊柱下腰部的自然前凸变直。

过度屈曲体位会显著减少骨突关节内的接触面积。与之相反，尽管处于完全屈曲状态的腰椎可以降低某个骨突关节所承受的总负荷，但由于供分散负荷的表面积减小，接触压力（每单位面积中的力）可能会增加。但是，接触压力存在过大的可能性，这取决于施加于屈曲关节上的力的总大小。屈曲位置的强烈躯干肌肉激活可使接触压力变得很大。过大的压力可能会使屈曲的骨突关节受到损伤，尤其是当长时间持续时或当关节面形状异常时。

腰椎的屈曲度对每个椎间孔的大小与髓核的潜在变形有着很大的影响。相对于中间体位，当腰椎处于完全屈曲状态时，椎间孔的直径约增大19%。因此，从治疗学角度而言，脊柱腰段屈曲运动可以用于暂时减轻腰部神经根的压力，但在某些情况下，这种潜在的治疗优点也可能会变成潜在的治疗缺点。例如，过度或过久的脊柱腰段屈曲运动会使腰椎间盘前部承受的压力增大，这最终将导致髓核向后变形。在健康人体的脊柱中，这种向后变形的幅度较小，且不太重要。椎间盘的平移通常会受到髓核被拉伸的后侧内增大的张力的抵抗。但是，具有破碎、破裂或膨胀的后纤维环的椎间盘会发生髓核后移（或溢出）。在有些情况下，髓核可能会碰撞脊髓或神经根。这种髓核后移通常被称为椎间盘突出或髓核脱出（更正式的说法）。患有椎间盘突出的人可能会发生疼痛或感觉变化、肌无力与下肢反应能力削弱，这与受碰撞神经根的特定动力或神经分布相一致。

（2）脊柱腰段的伸展运动：脊柱腰段的伸展运动过程实质上是屈曲运动过程的逆过程（图5-2-2），它会导致腰椎的自然前凸程度增加。当腰椎和髋关节同时处于完全伸展状态时，被牵拉伸直的髋部屈肌与囊韧带产生的增大的被动张力在骨盆上产生了一个向前倾斜的力，促使脊柱自然前凸的形成。例如，当第2腰椎和第3腰椎之间发生伸展运动时，相对于第3腰椎的上关节面，第2腰椎的下关节面将向下（稍微偏向后方）滑动。

当骨突关节承受较大比例的体重时，从屈曲位置向中立位置或轻微伸展位置转变可增大骨突关节的接触面积。这种情况可帮助限制关节内的接触压力。但是，这种保护性的情况并不适合于腰段伸展的生理极限。在腰段的完全过度伸展中，第1椎骨下关节面的顶端向下滑动，超过第2椎骨的上关节面。因此，当相对“尖锐”的下关节面顶端接触到邻近的椎板部位时，过度伸展的腰段脊柱内的接触压力很大。所以，腰段脊柱过度前凸的长期姿势会在骨突关节与邻近部位产生很大且潜在的损伤压力。此外，腰段脊柱的过度伸展会挤压棘间韧带，可能是腰背痛的来源。

与屈曲一样，腰段脊柱的伸展对椎间孔的直径以及使髓核变形的潜力都有很大的影响。相对于中立位而言，腰段完全伸展使椎间孔直径缩小11%。因此，患有由椎间孔变窄导致的神经根碰撞的患者应该限制涉及过度伸展的活动，尤其是当这些活动导致下肢感觉无力或改变时。但是，完全伸展倾向于使髓核向前变形，进而潜在地限制髓核在通常情况下发生的后移。经证实，持续的腰段完全伸展可以减小椎间盘内的压力，并且在某些情况下，可以减小移位的髓核物质与神经组织之间的接触压力。后者的证据通常被描述为症状的“集中化”，这指的是疼痛或改变的感觉（以前由于神经根碰撞而在下肢感受到的）朝腰背移动。因此，集中化说明了移位的髓核物质与神经根之间的接触压力减小了。接触压力在持续的完全伸展之后减小的原因是髓核被推向前，远离神经组织；神经组织被向后拉，远离髓核物质；或两者兼有。

（二）静力学

由于脊柱的伸展性、椎体和椎间盘吸收震荡的能力、纵切带的稳定功能以及黄韧带的黏弹性，整个脊椎可以被看作是个可变形的弹性柱子。脊柱在矢状面有两个生理性弯曲——后曲和前曲——增加了脊柱的弹性，同时也较无弯曲的脊椎承担负荷的能力高。

1．脊柱在站立位时的负荷 人在站立时，保持躯干姿势的肌肉处于持续活跃的状态。当身体笔直时，肌肉收缩力最小。站立过程中，躯干的重力线垂直经过第4椎体的中心的腹侧。因此，躯干的重力线常垂直前移至腰椎横轴运动线的腹侧，而使脊柱承受向前的屈曲力矩，竖脊肌收缩力和韧带的牵拉力常拮抗这一运动。重力线位置的任何变化均可导致脊柱运动方向和运动幅度的变化。躯干如要恢复为原有的平衡状态，就需要增加肌肉收缩力来拮抗此弯曲力矩所导致的躯干晃动。除竖脊肌外，腹肌也通过间歇性的收缩参与维持姿势的中立位并使躯体稳定。但是躯干放松站立时肌肉的收缩活动常减轻。腰大肌的椎体部分也影响躯干的晃动。不同个体脊柱肌群的活动度存在明显变异，而且在一定程度上与脊柱的形状诸如脊柱习惯性后凸和前凸的角度有关。

站立位时骨盆的位置也可影响肌肉收缩施加于脊柱上的负荷大小。骶骨的底部向前下方倾斜，放松站立时倾斜角或骶骨角与水平线的夹角大约为30°。骨盆可依横轴倾斜并运动于两髋关节间，其位置的变化可以改变骶骨角的度数。骨盆后倾时骶骨角减小，且腰椎前凸变平。腰椎曲度变平对胸椎可产生影响，使胸椎轻度伸展，躯干的重心调整，能量消耗或者说肌肉的收缩最小。骨盆前倾时骶骨角增大，加大腰椎前凸和胸椎后凸的角度。骨盆向前和向后倾斜时，通过脊柱上静态负菏的变化来调整保持姿势的肌群的活动。

2．脊柱在站立位、坐位和躺着时的相对负荷 身体姿势可影响腰椎负荷的大小，在椎间盘内压测量的体内研究发现，在良好支撑条件下，平躺时椎间盘内的负荷最小，放松站立时椎间盘内的负荷也较低，在坐位时椎间盘的负荷增加。

（三）动力学

几乎身体的任何运动都能增加肌肉的收缩力和增大脊柱的负荷。增幅在慢走或轻微摆动身体的运动中较为和缓，但在进行各种运动，或复杂动态活动和动态负荷时最明显。

1．步行 一项对四种不同行走速度的研究表明，第3腰和第4腰椎运动节段所受的挤压负荷是体重的0.2～0.25倍。负荷大小与步行速度呈近似直线的正相关关系，在足尖离地（“toe-off”）处的负荷达到最大值。步行时，以伸肌群肌肉收缩为主。个体的步态特征，主要是身体前屈的角度，影响脊柱所受负荷的大小。前倾角度越大，肌肉的收缩力越强，脊柱所受的挤压负荷越大。Callanlutn等人的研究证明了这一点，同时他们又进一步指出行走时的步频影响腰椎负荷的原因在于步行速度增快使腰椎所受的向前向后的剪力明显增加。若行走时限制上肢摆动，腰椎活动减少，但关节压力负荷及肌电图输出都会增加。总之，由于可以使组织所受的负荷降低，对下腰痛患者而言，步行是一种安全甚或可能是理想的运动疗法之一，并可通过调节行走速度来改变脊柱的负荷。

2．运动锻炼 腹肌和竖脊肌的力量锻炼能使脊柱所受负荷升高。尽管该脊柱运动能有效地强化相关肌肉力量，但是仍需适度调整脊柱负荷的锻炼以适应不同个体的需要。

二、颈椎生物力学

（一）矢状面运动学

头颈部是整个脊柱中最灵活的部位。高度专门性的关节帮助头部进行精确地定位，主要涉及视觉、听觉、嗅觉与平衡。头颈部内的单个关节通常以高度协调的方式相互配合。

1．屈曲和伸展运动的骨运动学特征 头颈部的屈曲和伸展运动在120°～130°。头颈部伸展的中立位置（静息脊柱前弯）为30°～35°，还可以进一步伸展75°～80°；屈曲为45°～50°（图5-2-3，图5-2-4）。在头颈部，伸展平均超过屈曲1～1.5倍。

除肌肉以外，结缔组织限制了头颈运动的极限程度。例如，项韧带与棘间韧带为屈曲的极限程度提供（造成）了很大的限制，而骨突关节的靠近限制了伸展的极限程度。来自纤维环前缘的压缩力限制了屈曲，而来自纤维环后缘的压缩力限制了伸展。

头颈部在矢状面上进行的所有运动中，有20%～25%由第2～7颈椎的骨突关节来完成的。在下列三个关节部位，屈曲和伸展运动的旋转轴均大致从正中向外侧延伸：寰枕关节部位的枕骨髁，寰枢关节复合体部位的齿突及第2～7颈椎或邻近的椎体间关节。

当颈椎呈完全屈曲状态时，颈椎管内容积最大;当其呈完全伸展状态时，颈椎管内容积最小。由于该原因，颈椎管狭窄者在进行过伸运动时更容易发生脊髓损伤。反复发生过伸运动相关损伤可能会导致脊髓型颈椎病和相关神经功能缺陷。

2．屈曲和伸展运动的关节运动学特征 第2～7颈椎节段内的屈曲和伸展运动构成了一个弧形，其均在由骨突关节的关节面组成的斜面内进行运动。在伸展运动过程中，上位椎体的下关节面向下后方滑动（相对于下位椎体的上关节面）（图5-2-3C）。这些运动可以产生55°～60°的伸展运动。

颈椎节段的中立位置或轻微伸展位置使骨突关节内的接触面积实现最大化。因此，该位置通常被认为是骨突关节的闭合位置。事实上，中立位置或轻微伸展位置通常被认为是脊柱所有骨突关节的闭合位置；轻微伸展被认为是关节的松动或开放式位置。正如人体中的大多数滑膜关节那样，闭合位置是增大关节接触面积和增大周围囊韧带张力的一个独特姿势。由于骨突关节的囊韧带在中立位置或轻微伸展位置变得越来越绷紧，这些关节是该基本原则的例外情况。

颈内节段屈曲的运动学发生的方式与我们所描述的伸展相反。相对于下位椎体的上关节面，上位椎体的下关节面向前上方滑动。如图5-2-4C中所示，关节面之间相互滑动导致颈椎产生35°～40°的屈曲运动。屈曲运动会拉伸骨突关节囊，并减小关节的接触面积。

总体而言，由于颈部骨突关节面之间可发生相对滑动，颈椎可以进行90°～100°的屈曲运动和伸展运动。颈椎的活动范围较大，其部分原因是因为骨突关节面的斜面所提供的活动弧相对较长，关节面之间可发生自由滑动。通常在第2颈椎与第3颈椎和第7颈椎与第1胸椎之间，椎间关节在矢状面上的运动幅度可达15°。在第5颈椎和第6颈椎之间的矢状面角位移幅度最大，从而使该脊柱节段成为椎关节强直和屈曲过度导致相关骨折的相对高发部位。

3．前伸与后缩运动的骨运动学特征 脊柱颈段除了可以进行屈曲和伸展运动以外，头部还可以在矢状面上进行向前（前伸）和向后（后缩）移位。如图5-2-5所示，从中立位置，全范围前伸比全范围后缩的范围大80%（在正常成年人中，分别为6.23cm与3.34cm）。中立位置比完全后缩位置靠前35%。

通常，头部前伸可以导致中下段颈椎发生屈曲，同时上段颈椎发生伸展（图5-2-5A）。相反，头部后缩可以导致中下段颈椎发生伸展运动（变直），同时上段颈椎发生屈曲运动（图5-2-5B）。在两种运动形式中，中下段颈椎都会随头部发生位移。头部的前伸和后缩运动会随头部发生位移。头部的前伸和后缩运动在生理学上都是具有重要功能的正常运动形式，其也可能与视力的提高相关。但是，长时间保持前伸姿势可导致出现慢性前伸头位，从而导致头颈部伸肌群牵张过度。

（二）水平面运动学

1．轴向旋转的骨运动学特征 头颈部的轴向旋转运动是一项与人体视听觉密切相关的重要运动功能。头颈旋转是65°～75°，但因年龄的不同而有所差异。图5-2-6展示了头颈呈80°向一侧主动旋转的年轻人，其双向全部旋转范围为160°。此外，在躯干不进行任何运动的情况下，眼睛可进行160°～170°的全部水平面运动，其双向视野达到330°。

在头颈部约有1/2的轴向旋转运动由寰枢关节复合体完成，其余的轴向旋转运动由第2～7颈椎完成。由于枕骨骸深深地嵌入寰椎上关节面内，因此寰枕关节的旋转运动能力非常有限。

2．轴向旋转运动的关节运动学特征 在第2～7颈椎节段，旋转运动主要受骨突关节内各关节面之间的空间方位的影响。各关节面与水平面和额状面之间分别呈45°交角。在旋转方向的同侧，下关节面会向后并稍微向下滑动;在旋转方向的对侧，下关节面会向前并稍微向上滑动（图5-2-6B）。与寰枢关节复合体的轴向运动范围相近，在第2～7颈椎节段，颈椎可分别向两侧进行30°～35°的轴向旋转运动。越靠近颅骨，颈椎的旋转幅度越大。

（三）额状面运动学

1．侧屈运动的骨运动学特征 整个头颈段脊柱可以各向两侧进行35°～40°的侧屈运动。当人体试图用耳郭触及两侧肩峰时，头部侧屈运动幅度最大。大多数侧屈运动均由第2～7颈椎节段完成，然而，寰枕关节的侧屈运动幅度也可达到5°。而寰枢关节复合体的侧屈运动幅度则几乎可以完全忽略不计。

2．侧屈运动的关节运动学特征 侧屈运动对侧的下关节面向下（偏后方）滑动，而侧屈运动对侧的下关节面则向上（偏前方）滑动。

（徐静 熊宝林）