脊柱疾病和損傷與脊柱受力的異常有明確關(guān)系,，而康復(fù)治療和預(yù)防也需要對(duì)脊柱運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)有清楚的了解,。本文旨在為臨床和治療技術(shù)人員提供相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),。
1,、結(jié)構(gòu)特征：脊柱是人體運(yùn)動(dòng)的主軸,。由多個(gè)椎體,、多重關(guān)節(jié)(椎間“關(guān)節(jié)”,、椎小關(guān)節(jié)),、眾多肌肉和韌帶緊緊圍繞,、生理彎曲,，以滿足脊柱的堅(jiān)固性和可動(dòng)性(柔韌性)。其活動(dòng)有三維方向(前后,、左右,、旋轉(zhuǎn))和六個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)、3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)),。
2,、位置特征：頸段支撐頭顱，重心處于頸部前2/3和后1/3的交界處;胸段重心偏后(胸廓前后徑的后1/4),，與胸廓共同分解胸以上軀體的重量,。腰段居中，甚至前凸,，以支撐體重,。
3、解剖特征：
(1)椎管：椎骨構(gòu)成一個(gè)可褶曲的有效管腔以容納延髓和脊髓,。
(2)椎骨：由椎體,、椎弓、上下關(guān)節(jié)突,、棘突,、橫突構(gòu)成。椎體是橢圓形短扁骨,，一圈致密的骨皮質(zhì)包圍海棉狀的髓質(zhì)(松質(zhì)骨),，上下骨皮質(zhì)中有較厚的軟骨板襯墊，邊緣由較厚的環(huán)形襯板構(gòu)成,。椎體的骨小梁除按應(yīng)力線斜行交叉外;還可看到一組從椎體上面向后延伸,，至椎弓根水平時(shí)呈扇形分布于下關(guān)節(jié)突與棘突，另一組則從椎體下面向后延伸到椎弓根水平時(shí)呈扇形分布于下關(guān)節(jié)突與棘突,。椎體前緣最薄弱,，易于發(fā)生壓縮性骨折。橫突和棘突作為脊柱肌肉的附著點(diǎn),，是脊柱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之一,。
(3)椎間盤：內(nèi)部為髓核，外部為纖維環(huán),。髓核為半液態(tài),，由富親水性的葡萄糖胺酸聚糖的膠狀凝膠所組成。除了下腰椎的髓核位置偏后外,，髓核均位于椎間盤的正中,。纖維環(huán)為多層致密的結(jié)締組織彼此斜行交織而成，自邊緣向心分布,，致密的纖維環(huán)開始是垂直的,，越接近中心越傾斜，到中心接觸髓核時(shí),，幾乎近水平走向,，并圍繞髓核成橢圓形。椎間盤受壓時(shí),，髓核承受75%的壓力,，其余25%的壓力分布到纖維環(huán)。髓核還同時(shí)具有穩(wěn)定脊柱運(yùn)動(dòng)的功能,，在伸展運(yùn)動(dòng)時(shí),，上方椎體向后移位，縮減了椎間隙后緣,，髓核受擠向前方偏移,。在前屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，正好相反,，從而使椎體獲得較強(qiáng)的自穩(wěn)性,。椎間盤總厚度約為脊柱全長(zhǎng)的25%。白天站立和行走的壓力使髓核喪失少量水分,，而在睡眠或休息時(shí)由于髓核壓力減小,，水分又得到重儲(chǔ)存。因此早晚身高有2厘米的差異,。20歲以后髓核對(duì)水分重儲(chǔ)存能力減退,。由于提重物和年齡增長(zhǎng)產(chǎn)生的微損傷使纖維環(huán)纖維成分增加，而能復(fù)原的彈性成分相對(duì)減少,。因此30-50歲的成年人纖維環(huán)易遭受損傷,，繼后髓核脫出而壓迫神經(jīng)根,。
(4)椎小關(guān)節(jié)：椎小關(guān)節(jié)由相臨椎體的上下關(guān)節(jié)突構(gòu)成，和椎間盤的載荷分配隨脊柱位置而異,，一般承受0~30%的脊柱載荷,。脊柱過(guò)伸位時(shí)小關(guān)節(jié)突承載力顯著增加。
(5)脊柱韌帶：有前縱韌帶,、后縱韌帶,、棘間韌帶、棘上韌帶和黃韌帶,。韌帶主要作用于脊柱的靜態(tài)穩(wěn)定性,。大多數(shù)脊柱韌帶由延伸度較小的膠原纖維構(gòu)成。黃韌帶含有較高比例的彈力纖維,。韌帶還作用于拉伸載荷在椎體間的傳遞,，使脊柱在生理范圍內(nèi)以最小的阻力進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。
4,、運(yùn)動(dòng)節(jié)段：由兩個(gè)相臨的椎體,、椎間盤和縱韌帶形成節(jié)段的前部。相應(yīng)的椎弓,、椎間關(guān)節(jié),、橫突和棘突以及韌帶組成節(jié)段的后部。椎弓和椎體形成椎管以保護(hù)脊髓,。運(yùn)動(dòng)節(jié)段是脊柱的最小功能單元,。
(1)前部：椎體的設(shè)計(jì)主要是為了承擔(dān)壓縮負(fù)荷，上部身體的重量加大時(shí),，椎體就相應(yīng)變得更大,，因此腰椎的椎體比胸椎和頸椎的椎體要高，其橫截面積也大一些,。腰椎椎體的尺寸增大,，是它們能承受這部分脊柱所需的較大負(fù)荷。
(2)后部：后部控制運(yùn)動(dòng)節(jié)段的運(yùn)動(dòng),。運(yùn)動(dòng)的方向取決于椎間小關(guān)節(jié)突的朝向,。第1、2頸椎小關(guān)節(jié)突朝向橫面,，其余頸椎的椎小關(guān)節(jié)突均與橫面呈450夾角而與額面平行,，從而能夠屈曲、伸直,、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn),。胸椎小關(guān)節(jié)突的朝向與橫面呈600，與額面呈200夾角，使其能側(cè)彎,、旋轉(zhuǎn)和少許屈伸,。腰區(qū)椎小關(guān)節(jié)突的朝向與橫面呈直角，與額面呈450,，使其能屈伸和側(cè)彎,，但不能旋轉(zhuǎn)。腰骶小關(guān)節(jié)突的朝向和形狀使之能有某些旋轉(zhuǎn)活動(dòng),。
5、脊柱偶連運(yùn)動(dòng)：脊柱運(yùn)動(dòng)一般是幾個(gè)節(jié)段的聯(lián)合動(dòng)作,，稱之為偶聯(lián)運(yùn)動(dòng),。影響偶聯(lián)運(yùn)動(dòng)的骨性結(jié)構(gòu)有胸廓和骨盆，胸廓限制胸椎運(yùn)動(dòng),，骨盆傾斜可以增加軀干的運(yùn)動(dòng),。脊柱運(yùn)動(dòng)的正常范圍變異很大，有較強(qiáng)的年齡因素,。脊柱整體屈曲50°~60°起始于腰椎,。骨盆前傾和髖部屈曲增加脊柱前屈范圍，胸椎的作用有限,。雖然胸椎小關(guān)節(jié)的形狀有利于側(cè)彎,，但肋骨限制其活動(dòng)。脊柱旋轉(zhuǎn)主要發(fā)生在胸椎和腰骶部,，腰椎的旋轉(zhuǎn)十分有限,。
6、脊柱負(fù)荷：腰椎是脊柱主要承重部位,。放松直立位時(shí),，椎間盤壓力來(lái)自于椎間盤內(nèi)壓、被測(cè)部位以上的體重和作用在該運(yùn)動(dòng)節(jié)段的肌肉應(yīng)力,。軀干屈曲和旋轉(zhuǎn)時(shí)椎間盤的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均增加,。腰椎載荷在放松坐位高于放松直立位，有支撐坐位小于無(wú)支撐坐位,。仰臥位時(shí)脊柱承載最小,。仰臥位膝伸直時(shí)，腰肌對(duì)脊柱的拉力可以在腰椎上產(chǎn)生載荷,。髖和膝關(guān)節(jié)有支撐屈曲時(shí),，由于腰肌放松使腰椎前凸變直，載荷減小;附加牽引時(shí)載荷可以進(jìn)一步減小,?；颊哐雠P、髖和膝關(guān)節(jié)支撐下屈曲,、脊柱前凸變平,，牽引力可更為均勻地分布到整個(gè)脊柱,。攜帶重物時(shí)，物體重心與脊柱運(yùn)動(dòng)中心之間的距離越短,，阻力臂越短,，脊柱載荷越小。身體前屈位拿起重物時(shí),，除了物體重力外,，上身重量也產(chǎn)生脊柱剪力，增加脊柱載荷,。
舉例：體重70公斤,，提起20公斤重物，脊柱前屈350,，作用在腰骶部及腰椎的力：①上身重力(W)450牛頓(約為65%體重),。②物體重力(P)200牛頓。③豎棘肌收縮力(M),。腰椎發(fā)生兩個(gè)力矩,，即力W和力P以及它們與瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心的距離(力矩WLw和PLp )。反向平衡力矩(力矩MLM)由力M以肌與它瞬時(shí)中心的距離產(chǎn)生,，力W的力臂(力與瞬時(shí)中心的垂直距離)為0.25米,，力P的力臂為0.4米，力M的力臂為0.05米,。身體處于平衡狀態(tài)時(shí),，作用在腰椎上的力矩之和必須為0(把順時(shí)力矩規(guī)定為正，逆時(shí)針力矩為負(fù)),。
Σ力矩=0;(W×Lw) (P×Lp)-(M×Lm)=0
(450N×0.25m) (200N×0.4m)-(M×0.05m)=0
M×0.05m=112.5Nm 80Nm
M=3850Nm
作用在椎間盤上的總壓縮力(力C)可用三角形法計(jì)算,。若椎間盤與橫面傾斜350，力C為作用在椎間盤上壓縮力之和,，包括：①上身重量(W)所產(chǎn)生的力,，它作用在350傾斜的椎間盤上(W×cos350)。②物體重量(P)產(chǎn)生的力,，它作用在傾斜的椎間盤上(P×cos350),。③豎棘肌(M)產(chǎn)生的力，呈直角作用于傾斜的椎間盤,。椎間盤(C)總壓縮力也可通過(guò)平衡公式求出,。
Σ力=0;(W×cos350) (P×cos350) M-C=0
(450N×cos350) (200N×cos350) 3850N-C=0
C=365.5 163.8 3850(N)
C=4382 N
表1 腰(L3)椎間盤所受的力(Jayson, 1987)牛頓(N)
仰臥位
仰臥清醒 250
半臥位 100
腰麻或截癱 80
被動(dòng)牽引30秒 250
被動(dòng)牽引3分鐘 <100
自體牽引 500
仰臥上肢練習(xí)(手握20N重物) 600
仰臥起坐(大范圍) 1200
雙腿抬起 800
仰臥起坐(小范圍，等長(zhǎng)收縮) 600
頭低位床面傾斜10° 300
坐位
直坐(無(wú)支持) 700
坐位100°,，腰部靠墊4cm 450
坐位100°,，有扶手 400
坐位100°，有靠背和腳踏板 500
坐辦公椅內(nèi) 500
起坐無(wú)扶手 1000
起坐有扶手 700
坐辦公椅握20N重物 700
腰前屈每手握100N重物 1400
上舉50N重物 1400
站立位
放松站立 500
咳嗽 700
挺胸大笑 700
平跳 700
腰椎前屈20° 700
腰椎前屈40° 1000
腰椎前屈20°，每手握100N重物 1200
腰椎前屈20°,，旋轉(zhuǎn)20°,，每手握50N重物 2100
上舉100N，跪,、軀干挺直 1700
前平舉100N腰椎前屈屈膝伸直 1900
前平舉100N 1900
腰椎前屈30°,，前平舉每手40N重物 1700
腰圍支持下腰椎前屈30°，每手舉40N重物 1200
7,、運(yùn)動(dòng)對(duì)腰椎載荷的影響：所有運(yùn)動(dòng)都會(huì)增加腰椎載荷,。豎棘肌和腹肌運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練應(yīng)在脊柱載荷適合的條件下進(jìn)行。雙腿直腿上抬時(shí)腰方肌的活動(dòng)最大,，并使脊柱前凸,。屈髖、膝限制腰肌活動(dòng)后再行仰臥起坐可以有效地訓(xùn)練腹肌,，但也使腰椎間盤壓力增加。若活動(dòng)范圍僅限于軀干屈曲,，頭和肩只抬高到肩胛帶離開桌面的位置,，以排除腰椎運(yùn)動(dòng)，使腰椎載荷減小,。胸前抱膝運(yùn)動(dòng)使腹外斜肌和腹直肌活動(dòng),。
8、骶髂關(guān)節(jié)：骶髂關(guān)節(jié)的韌帶損傷,、多動(dòng)或少動(dòng),、炎癥等是下腰疼痛的主要原因。骶髂關(guān)節(jié)為平面關(guān)節(jié),。骶骨關(guān)節(jié)面覆有透明軟骨,，而髂骨關(guān)節(jié)面表面為纖維軟骨;關(guān)節(jié)腔內(nèi)有滑液,并有關(guān)節(jié)囊。隨年令增長(zhǎng),，骶髂關(guān)節(jié)的骨贅和關(guān)節(jié)強(qiáng)直的發(fā)生率很高,，主要在男性，女性發(fā)生率極低,。骶髂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍平均4°,。骶髂關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)和強(qiáng)厚廣泛韌帶的結(jié)合形成了關(guān)節(jié)的自鎖機(jī)制。當(dāng)壓力增加導(dǎo)致骶骨在髂骨表面向下運(yùn)動(dòng)和后韌帶緊張,將兩側(cè)髂骨向中間靠攏,，像鉗子一樣將骶骨夾得更緊阻止髂骨的下降,。
9、肌肉作用：頭,、頸和軀干肌在中線兩側(cè)成對(duì)排列,，兩側(cè)肌收縮產(chǎn)生矢狀面上的前屈和后伸運(yùn)動(dòng)。一側(cè)肌收縮則在額狀面或橫斷面產(chǎn)生側(cè)屈或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。承受重力,、附肢肌收縮以及地面的反作用力時(shí),，頸肌和軀干肌協(xié)同收縮穩(wěn)定椎骨。
(1)頭和脊柱平衡：相關(guān)的肌肉包括：前：枕下肌,、頭長(zhǎng)肌,、頸長(zhǎng)肌、斜角肌,、胸鎖乳突肌,、腹直肌、腹內(nèi)斜肌,、腹外斜肌和腰大肌,。后：枕下肌、橫突棘肌和豎棘肌,。外側(cè)：斜角肌,、胸鎖乳突肌、腰方肌,、腰大肌,、腹內(nèi)斜肌和肋間肌。放松坐位或直立位時(shí),，這些肌肉僅有與姿勢(shì)擺動(dòng)有關(guān)的小量周期性活動(dòng),。頭部或頭、軀干,、上肢的重心移動(dòng)或推拉軀干可直接激活肌收縮使軀干恢復(fù)平衡,。
(2)軀干運(yùn)動(dòng)和椎骨穩(wěn)定：橫突棘肌和豎脊肌的主要功能是脊柱后伸時(shí)協(xié)同穩(wěn)定脊柱。閉鏈運(yùn)動(dòng)中腰大肌是主要?jiǎng)幼骷『蛙|干固定肌,。軀干肌的重要功能是固定胸廓,、骨盆和脊柱，使肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)可穩(wěn)定頸部,、肩部和髖部肌肉的起點(diǎn),。
(3)前屈和抬高(膝伸直)：當(dāng)人站立屈髖去觸腳趾時(shí)，發(fā)生伸髖肌(主要是腘繩肌)和豎脊肌的離心收縮來(lái)控制屈髖和脊柱的向前彎曲,。這些肌肉的向心收縮,，使軀干恢復(fù)直立位。當(dāng)軀干前屈全程的2/3時(shí),，肌電圖可見豎脊肌突然抑制現(xiàn)象,，一直持續(xù)到軀干恢復(fù)直立位的1/3，稱為“臨界點(diǎn)”,，其平均值為屈軀干81°,。Kippers等(1984)發(fā)現(xiàn)此值發(fā)生在最大屈髖的60%和最大屈脊柱的90%,。當(dāng)將重物放下去或從地面提起時(shí)，臨界點(diǎn)的角度稍有增加,。
(4)蹲起和蹲下：從地面上提起物體的一種方法是屈膝,、屈髖以及背屈踝關(guān)節(jié)。蹲起可用二種骨盆和脊柱的位置：①腰部脊柱前凸位的骨盆前傾;②脊柱后凸位的骨盆后傾,。根據(jù)軀干的位置,，在提物時(shí)豎脊肌的肌電活動(dòng)是不同的。當(dāng)軀干在脊柱前凸位,，肌電活動(dòng)大于屈曲位,，最大肌電活動(dòng)在提物開始時(shí)。蹲下則需小腿三頭肌,、股四頭肌和伸髖肌的離心收縮,，當(dāng)脊柱前凸位時(shí)還伴有豎脊肌的等長(zhǎng)收縮。當(dāng)脊柱在后突位膝伸直屈髖時(shí),，豎脊肌的肌電活動(dòng)減弱和抑制,。如在脊柱后凸位提物時(shí)豎脊肌在提物開始時(shí)無(wú)肌電活動(dòng)，而峰值在提物的中段,。雖然在背前屈時(shí)提物可減輕對(duì)椎間盤的壓力而背伸時(shí)提物肌控制提供了對(duì)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的保護(hù),，但哪一位置好并沒有統(tǒng)一意見。
(5)肢體功能性活動(dòng)：用上肢來(lái)抬高身體的動(dòng)作有引體向上,，俯臥撐，從坐位推起,，拐杖行走等,。這些運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)肌是肘關(guān)節(jié)屈肌(引體向上)、肘關(guān)節(jié)伸肌(推起),、肩關(guān)節(jié)內(nèi)收肌和伸肌以及降肩胛骨肌的向心收縮,，腹肌和軀干伸肌的等長(zhǎng)收縮也同樣重要。當(dāng)脊髓損傷造成腹肌和軀干肌麻痹時(shí),，不管患者的手臂有多強(qiáng)健也不能抬高軀體,。在手臂固定的閉鏈運(yùn)動(dòng)中，背闊肌(C3-C6)和腰方肌(T12-L1)提供強(qiáng)大作用力使骨盆接近臂或胸廓,。站起和坐下,，深屈膝，上樓或下樓均有相似肌活動(dòng)的形式,。從坐或蹲位上站立或上一級(jí)樓梯都需股四頭肌的向心收縮來(lái)伸膝以及伸髖肌特別是腘繩肌的向心收縮來(lái)伸髖,。豎脊肌相關(guān)的等長(zhǎng)收縮來(lái)保持和頭和脊柱的直立位。下降身體去坐或蹲下或下一級(jí)樓梯則需股四頭肌和腘繩肌的離心收縮來(lái)屈膝,、屈髖以及豎脊肌的等長(zhǎng)收縮,。開鏈運(yùn)動(dòng)中股四頭肌和腘繩肌有拮抗關(guān)系,，但在支持、抬高或下降身體的閉鏈運(yùn)動(dòng)中改變?yōu)閰f(xié)同收縮,。推或拉物體(抽屜或門)需軀干高度穩(wěn)定,，以產(chǎn)生有效的推拉力。推的動(dòng)作使腹肌和屈髖肌活動(dòng),，這樣軀干不能伸直,，而拉則背和髖伸肌活動(dòng)所以軀干不能屈。俯臥撐的撐上期主要?jiǎng)幼骷樯熘饧?、盂肱關(guān)節(jié)的內(nèi)收肌和伸肌以及肩胛骨的外展肌的向心收縮,。為了維持挺直的軀干，前面有腹肌,、屈髖肌和伸膝肌的等長(zhǎng)收縮,。除豎脊肌保持頸部伸直外，其他的背肌相對(duì)不活動(dòng),。上肢的肌離心收縮,，軀干前部的肌和小腿肌繼續(xù)等長(zhǎng)收縮，來(lái)使軀體回到原來(lái)的位置,。
10,、胸腰筋膜(胸背筋膜)：是非常強(qiáng)健的結(jié)締組織，連結(jié)肋,、椎骨,、髂骨和骶骨以及韌帶系統(tǒng)和軀干肌，作用于提舉重物越過(guò)頭和用高速投擲物體時(shí)穩(wěn)定軀干,。胸腰筋膜有前,、中、后三層,。前層最深,，附于腰椎橫突向外覆蓋腰方肌。中層由強(qiáng)健的橫行纖維組成,，內(nèi)側(cè)附于腰椎橫突,，外側(cè)附于第12肋和腹橫肌。后層覆蓋于背部,，內(nèi)側(cè)附于棘突和棘上韌帶,，上方與夾肌的筋膜交織，下方附于骶骨,，并與臀肌的筋膜交織,，外側(cè)附于肋和髂骨;在外側(cè)中央成為腹內(nèi)斜肌的起點(diǎn)。胸腰筋膜后層可進(jìn)一步分為深淺兩層,。淺表為背闊肌的腱膜,，其纖維從背闊肌附著的外側(cè)縫向內(nèi)下到達(dá)棘突;深層與淺層融合,，其纖維以相反方向與淺層交叉。這二層共同形成強(qiáng)健的三角形結(jié)構(gòu),。此外胸背筋膜還作為支持帶包裹豎軀干肌和多裂肌,。胸腰筋膜、肌肉和韌帶系統(tǒng)共同參與胸腰活動(dòng)的控制,。
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