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脊柱的力学功能

三、脊柱的力学功能

1.脊柱的生理弯曲及功能

成人整个脊柱从前后看是正直的、对称的,个别人有轻度的向右侧弯,这可能是由于主动脉的位置或右手活动较多所致。从侧面看呈“S”型,有4个生理弯曲,颈曲向前凸,胸曲向后凸,腰曲向前凸,骶曲向后凸(见图4—5)。

这些弯曲是为适应人体直立行走姿势在生长发育过程中逐步形成的。初生婴儿的颈部稍凸向后方。随着年龄的增长,在幼儿会抬头和坐起运动后,颈前凸才逐步明显,胸部后凸也显得明显,等学会站立行走后即形成腰部前凸。颈前凸的顶点在第4、5颈椎。胸后凸是胎儿的原始弯曲,随婴儿坐起与站立而变得更加明显;同时,其弯曲与胸椎椎体后方较高有关。胸椎后凸是站立与平衡所必需的。腰前凸随婴儿坐起而出现,站立行走后更加明显;同时,其弯曲与腰椎椎体及其椎间盘前高后低有关。骶后凸是在胎儿时就形成的弯曲,因此,颈前凸、腰前凸是继发性弯曲。若有上牵拉力或下牵拉力作用于脊椎,颈弯曲及腰弯曲是可变的。可见,脊柱的这些正常的生理弯曲度增加了脊柱承载的适应性及吸收冲击的能力,同时,也有利于维持椎间关节的强度及稳定性。

图5-9  人体倒三角形力学结构

  脊柱的生理弯曲还构成了人体曲线美。一旦此种生理弯曲改变,即便是其中的一小段,也必然使这种完美的人体造型遭到破坏,并同时影响到人体的生理功能,包括步态及姿势等。如老年人的椎间盘脱水及退行性改变,使其脊柱的颈前凸及腰前凸逐渐消失,而使胸后凸逐渐加重,即形成老年性驼背。

2.脊柱的负载能力

脊柱的载荷能力主要是通过人体的3个倒三角完成的,即:

(1)上三角:指以头顶水平切线为底边,通过头颅两侧形成夹角,致使头颈部的负荷(自身重量及各种运动等的负荷等)集中于下颈段,形成一倒三角形的力学结构。在一般情况下以C5、6所受的压应力最大(图5-9)。

(2)下三角:指以双侧髂嵴水平线为底边,并通过骨盆及髋部两侧将头颈、躯干及盆腔的负荷沿身体中部使力量向下传递的倒三角形力学结构。

(3)中三角:是以双侧肩峰为底边,沿胸椎两侧将头、颈、躯干之负荷集中于腰骶椎的倒三角形力学结构。   

以上3个倒三角形,从所承受负荷 力强度来看,当然以下三角为最大。但实际上,由于此种作用力通过腰骶部,以双下肢所分别承受的分力形式而将其分散,以至下肢诸 骨关节结构平均所承受的负荷不仅相对减少,而且为多关节所承担,而上三角与中三角由于其负荷力集中到脊柱上某一椎节,因此从单一骨关节来讲,较下三角明显为大。临床上显示C5~6和L5~S1最早出现退变即证实这一点,尤其是腰骶更为明显。

脊柱骨由上到下逐渐变大,承受的压力也从第1颈椎到第5腰椎逐渐增大。40岁以下的人,椎体内骨松质担负50%的压力;40岁以上的人,骨松质支撑力逐渐减小,仅可担负35%的压力,但60岁以后其支撑力减小的速度变得慢一些。当脊椎骨质疏松,横的骨小梁已被吸收,负担压力的能力变小,就是在没有外伤的情况下,也可发生多个椎体压缩骨折,这是由其上面的重力和肌肉收缩所致。有的实验性脊椎压缩骨折,折骨愈合后其骨松质的支撑力反而加大,这与其骨小梁增生及骨化有关。

在直接压力下,脊柱小关节承担的压力为33%;在脊柱旋转时,它承担45%的压力。

图5-10  椎骨间连结示意图

脊椎间韧带包括前纵韧带、后纵韧带、棘突间韧带和黄韧带等,它们与椎 间盘组成脊柱的内在力学平衡系统(图5-10)。在休克或丧失知觉的病人,其肌肉无力,即失去外在力平

衡;因此,搬动此类病人时,容易损伤其韧带乃至使韧带断裂。骨—韧带—骨的组织,在受到外力的缓慢作用时,产生撕脱性骨折;若受到外力的快速作用时,即产生韧带断裂。

肋骨有稳定和加强脊柱的作用,故胸椎间盘突出症比 颈椎间盘突出症或腰椎间盘突出症少。

脊柱区的肌肉是脊柱活动的原动力。脊柱活动有四个轴心:①额状面轴线(Frontal)形成脊柱的前弯和后伸;②矢状面轴线是左右侧弯的轴心;③水平面轴线是脊椎上下活动的轴心;④垂直轴线是旋转运动的轴心。脊柱前方的肌肉收缩,如腹肌、髂腰肌等收缩时,使脊柱前屈,若腹内外斜肌同时收缩,就会使脊柱向收缩侧旋转。因此,脊柱的活动不只是以一个轴线为中心,而是以多个轴线为中心的复杂运动。

脊髓位于脊柱椎管内,它本身很柔软,能对抗小的外压力;在无牵拉情况下,它可收缩,如手风琴一样。以颈椎为例,颈后伸则椎管长度变短,脊髓随之收缩变短;反之,颈前屈,椎管变长,脊髓也随之伸长。正常人屈伸颈部而无任何不适,若患有颈椎病,有椎间盘突出及骨刺形成时,颈前屈时椎管变长,其前后径变得更窄,突出物挤压脊髓则使其症状加重;若同时有黄韧带肥厚,颈稍后伸,黄韧带即发生折叠,从后方使椎管更加狭窄,也引起症状。因此,一般情况下颈椎病患者常看不完一场电影就主动要离开坐位去休息。

一般认为:正常人坐位时椎间盘(第3~4腰椎间盘)内压力较高,站立位时可减少30%,侧卧位时减少50%,仰卧硬床减少80~90%。由于椎间盘纤维环的排列,髓核的压力比整个椎间盘的压力大50%,外面纤维的压力比整个椎间盘的压力小一半。当椎间盘受压向四周膨胀时,纤维环张力增大;如后侧方后纵韧带不完整,则腰椎间盘的形状可使其后侧方所受压力比椎间盘高1.5~5倍。故腰椎间盘突出以后侧方突出为多见。轻度退行性改变的椎间盘,其中心仍为液体,但测量出的压力比正常的低30%。当椎间盘继续退变和失水,则更不能承担压力,可是当腰背后伸时,一部分压力可移到小关节上去。

3.脊柱的运动功能

脊柱有前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的三维空间运动功能。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,椎间盘后方受到挤压,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薄弱处易发生损伤破裂而发生髓核突出,尤其在椎间盘已有退变的基础上更易发生突出。由于脊椎各段的后关节面排列方向不同,其旋转轴亦各异。后关节面颈椎近似水平面,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。

整条脊柱中以颈、腰段活动度为大,故较易受伤。胸椎因有肋骨、胸廓的支持保护,受伤机会相对较少,但人们用双臂劳动,肩胛区软组织劳损则相对较多。当老年颈、胸椎椎间盘退变而引起椎间失稳时,肩胛区软组织慢性劳损则加剧。下颈、上胸段脊椎失稳而易发生脊椎关节微小移位,继而引起内脏功能障碍。颈椎处于较重的头颅与活动较少的胸椎之间,活动度大且又要保持头部的平衡,故易劳损,尤以下位颈椎为多见。腰椎亦处于较稳固的胸廓与骨盆之间,为人体之中点,在运动中受应力最大,并在脊柱形似宝塔的形状中处于基底部位,承受重力最大,故亦易损害。其发病率亦以下腰椎为多见,因腰椎作屈伸运动时,其运动范围约75%发生在第5间隙;20%发生在第4间隙;只有5%发生在1~3间隙。由此可见各段脊柱在传递重力及旋转运动中,由于各段后关节方向不同,当用力过度或用力不当,较易损伤交界处脊椎。如临床常见的环枕关节错位引起头晕、头痛;颈胸交界处错位引起颈肩综合征;胸腰交界处错位出现肠功能紊乱等。

4.脊柱的保护功能

脊柱韧带的张力与椎间盘内压力保持脊柱的内在平衡;各组肌肉保持其外在的平衡。若内在平衡失调(如某一组韧带断裂或椎间盘破裂),躯干和脊柱各组肌力坚强,尚可保持人的正常工作和生活。当外在的某组肌肉的肌力减退,则出现局部(腰或上背)疼痛。反之,如妊娠腹肌力弱,脊柱处在异常位置,虽内在平衡良好,但韧带在异常张力下也会出现劳损而致腰背痛。故保持内外两个平衡系统的正常生理状态,不过度乱用肌力和在非生理性位置上长期工作,则可减少腰背疼痛的发生。脊柱与骨盆接合处成45~60°角,脊柱承担的重力可经骨盆而传到双下肢,如此可减轻脊髓的震荡。

脊柱各椎体的椎孔相连形成椎管,各椎体之间还形成椎间孔,从而可以保护脊髓和神经根免遭外力损害。另外,脊柱还参与形成颅腔、胸腔、腹腔和盆腔,并支持和保护这些腔内的腔器。



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