脊柱运动的生物力学基础

      脊柱负荷：腰椎是脊柱主要承重部位。放松直立位时，椎间盘压力来自于椎间盘内压、被测部位以上的体重和作用在该运动节段的肌肉应力。躯干屈曲和旋转时椎间盘的压应力和拉应力均增加。腰椎载荷在放松坐位高于放松直立位，有支撑坐位小于无支撑坐位。仰卧位时脊柱承载最小。仰卧位膝伸直时，腰肌对脊柱的拉力可以在腰椎上产生载荷。髋和膝关节有支撑屈曲时，由于腰肌放松使腰椎前凸变直，载荷减小；附加牵引时载荷可以进一步减小。患者仰卧、髋和膝关节支撑下屈曲、脊柱前凸变平，牵引力可更为均匀地分布到整个脊柱。携带重物时，物体重心与脊柱运动中心之间的距离越短，阻力臂越短，脊柱载荷越小。身体前屈位拿起重物时，除了物体重力外，上身重量也产生脊柱剪力，增加脊柱载荷。
举例：体重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牛顿（约为65%体重）。②物体重力(P)200牛顿。③竖棘肌收缩力（M）。腰椎发生两个力矩，即力W和力P以及它们与瞬时运动中心的距离(力矩WLw和PLp )。反向平衡力矩（力矩MLM）由力M以肌与它瞬时中心的距离产生，力W的力臂（力与瞬时中心的垂直距离）为0.25米，力P的力臂为0.4米，力M的力臂为0.05米。身体处于平衡状态时，作用在腰椎上的力矩之和必须为0（把顺时力矩规定为正，逆时针力矩为负）。

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

 作用在椎间盘上的总压缩力（力C）可用三角形法计算。若椎间盘与横面倾斜350，力C为作用在椎间盘上压缩力之和，包括：①上身重量(W)所产生的力，它作用在350倾斜的椎间盘上（W×cos350）。②物体重量(P)产生的力，它作用在倾斜的椎间盘上（P×cos350）。③竖棘肌（M）产生的力，呈直角作用于倾斜的椎间盘。椎间盘(C)总压缩力也可通过平衡公式求出。

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)椎间盘所受的力（Jayson, 1987）牛顿（N）
 
仰卧位 
仰卧清醒 250
半卧位 100
腰麻或截瘫 80
被动牵引30秒 250
被动牵引3分钟 <100
自体牵引 500
仰卧上肢练习（手握20N重物） 600
仰卧起坐（大范围） 1200
双腿抬起 800
仰卧起坐（小范围，等长收缩） 600
头低位床面倾斜10° 300

坐位 
直坐(无支持) 700
坐位100°，腰部靠垫4cm 450
坐位100°，有扶手 400
坐位100°，有靠背和脚踏板 500
坐办公椅内 500
起坐无扶手 1000
起坐有扶手 700
坐办公椅握20N重物 700
腰前屈每手握100N重物 1400
上举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°，旋转20°，每手握50N重物 2100
上举100N，跪、躯干挺直 1700
前平举100N腰椎前屈屈膝伸直 1900
前平举100N 1900
腰椎前屈30°，前平举每手40N重物 1700
腰围支持下腰椎前屈30°，每手举40N重物