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1、脊柱的生物力学与损伤预防,第一节 脊柱的生物力学特点,一、脊柱的力学特性和生物学功能,作为躯干的支架，向骨盆传导头部及躯干部的重力；允许躯体有足够的三维空间内的生理运动，如伸、屈、轴向旋转；最后也是最重要的，保护柔软娇嫩易受伤的脊髓，使之免受可能的暴力及创伤性运动的危害。,二、椎间盘的生物力学,解剖位站立时椎间盘所承受的压力远远大于上部身体的重量坐位时腰椎间盘的压力是躯体的3倍还要多跳跃等动作作用于椎间盘的实际载荷可超过静止位的两倍以上脊柱屈、伸和侧屈可在椎间盘的某些部分产生伸展应力躯干的轴向扭转在椎间盘上还可产生剪切载荷，所以椎间盘上的压力是伸展、压缩和剪切的复合应力,1功能解剖,椎间盘构成
2、脊柱总高度的20一33，椎间盘由三个相互区别的部分构成：髓核、纤维环和软骨终板。(1)髓核：位于椎间盘中央，水分含量从7090不等，出生时最高，随着年龄增长逐渐降低，在横切面上椎间盘髓核是椎间盘总面积的3050。在下腰部，髓核常常更靠后面而不是居中，腰部髓核比较大，因此，常易膨出或突出。,(2)纤维环：是椎间盘的周边部分，并形成椎间盘的外部边界，纤维环是由同心圆排列的层纤维组织带组成的，在同一纤维条带内纤维的走行方向一致，但任何两相邻条带的纤维走向都相反，它们与椎间盘平面呈30角，因而相邻条带的纤维呈120角。,(3)软骨终板：由透明软骨组成，将椎体与其两侧的椎间盘分开，构成椎间关节的终板。,
3、终板,终板在脊柱的正常生理活动中承受着很大的压力。在脊柱运动节段(完整的椎间盘及其上下椎体)的疲劳试验中，有13的标本发生终板断裂伴髓核突入骨松质骨质中，这种断裂在不同年龄间存在较大差异。40岁前运动单元可承受8000N压力载荷，4060岁承受力降至该值的55，60岁以上约45。在高速动力测试中，终板的断裂有三种形式：中心型、周围型及全板断裂型。中心型在没有退变的椎间盘中最多见，周围型多见于有退变的椎间盘。全板断裂多发生于高载荷时。,退变的椎间盘由纤维环传递压力，终板边缘承受载,无退变的椎间盘受压，在髓核内产生压力，终板的中心部位受压。,终板的断裂机制,2.压缩特性,椎间盘在受压的时候，主要表
4、现为纤维向四周膨出，即使在很高的载荷下，去除载荷后产生永久变形时，也没有出现哪一个特殊方向的纤维破裂。在脊柱的运动节段承受压缩试验中，首先发生破坏的是椎体而不是椎间盘。临床上的椎间盘突出不只是由于受压，更主要的原因是椎间盘内应力分布不均匀。,3.弯曲特性,许多实验结果提示，引起椎间盘损伤的不是压应力载荷，而是弯曲及扭转载荷。有人在实验中发现，脊柱矢状、额状或其他垂直平面内弯曲68时并不发生椎间盘的破坏，施加15的弯曲载荷，可观察到三角形骨块从上位椎体的后下部撕脱下来，结果与椎间盘的膨出有关，前屈时向前膨出，后伸时向后膨出。在脊柱侧弯时，椎间盘向凹侧面膨出。,弯曲造成的椎间盘突出，前屈和后伸都在
5、凹侧膨出，而在凸侧椎间盘受拉,4、剪切特性,试验研究了腰椎间盘的直接剪切情况，发现水平面上的剪切刚度大约是269Nmm。这是一个很高的数值，具有临床意义，它表明要造成一个正常的椎间盘单位异常的水平移位需要很大的力量。,5、松弛和蠕变特性,椎间盘在承担载荷时有松弛和蠕变现象。较大的载荷产生较大的变形及较快的蠕变率。蠕变的特点与椎间盘的退变程度有关，没有退变的椎间盘蠕变很慢，经过相当长的时间也没有达到最大变形，显示出黏弹性性质。退变的椎间盘则相反。这表明退变的椎间盘吸收冲击的能力减退，也不能将冲击均匀地分布到软骨终板。,6、滞后特性,滞后特性也就是吸收冲击能量的特性滞后与施加的载荷、年龄及椎间盘所
6、处位置有关载荷越大，滞后越大；年轻人的滞后大，中年以后的滞后小；下腰部椎间盘比胸腰段及上腰部椎间盘的滞后大同一椎间盘在第二次加载后的滞后比第一次加载时下降，这表明，反复的冲击载荷对椎间盘有损害流行病学研究显示汽车驾驶员的腰椎间盘突出发病率高，可能就是由于腰椎间盘反复随轴向震动的原因造成的。,7、疲劳耐受,确定纤维环辐射状的周边发生撕裂前，能够承受多少次循环载荷，疲劳试验是重要的依据。Brown等对椎间盘进行了单一的疲劳试验，采用的是一个较小的恒定轴向载荷附加一个5的重复前屈运动。结果发现：屈曲200次时椎间盘出现破坏迹象，屈曲1000次时完全破坏。这表明在这样的离体试验条件下，疲劳寿命是较低的
7、。,8、椎间盘内压,测量了一个人在不同的身体姿势下，休息时及从事某种工作时腰椎间盘所承受的体内载荷，结果观察到椎间盘承受的载荷相当大，虽然腰椎间盘以上部分的身体包含了整个身体重量的60，但在坐位和站立位伴20前倾时，L3椎间盘上的载荷却是躯体重量的200，如果再加上20kg的重量，这一载荷将变成300。,人椎间盘由内部凝胶状的髓核组织(NP)和外部坚韧的纤维组织(AF)(A)正常年轻人椎间盘。凝胶状髓核组织含水量大约为9088。由于髓核、纤维环和软骨终板内蛋白聚糖的含量不同，很容易区分出由于年龄增加所导致的纤维环的增厚。(B)正常中年人椎间盘。髓核内水分消失，正常的组织退行性改变的过程。纤维环
8、的后部承受了较多的应力。(C)严重退变的椎间盘。髓核脱水，丧失了凝胶样的组织特点。由于组织脱水，整个组织的特点均一，因此难以区分髓核与纤维环的界限。,首先，要保证准确的生理活动及固定椎体间的姿势和状态。其次，限制过度的活动以保护脊髓。最后，在快速高载荷的创伤环境中保护脊髓。,三、脊柱的韧带,脊柱的韧带有不同的功能。,这些不仅需要韧带限制椎体位移在安全范围内，而且需要吸收突然施加在脊柱上的大量能量。,脊柱共有7条韧带，从前向后分别是前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、关节囊韧带、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带。所有生物力学参数均随年龄的增长而退化，如韧带吸收振荡的能力。韧带在脊柱的功能活动中起着两种相当
9、不同的作用：正常情况下以最小的抵抗及能量的消耗保证脊柱在生理范围内的一些平滑运动，而在创伤环境中则为脊髓提供最大的保护。,四、骨性脊柱及其他内在结构,椎体的强度随着年龄的增长而降低，特别是在40岁以后，发生明显的降低。一个椎体的骨组织若减少25，可使其强度降低50以上。,椎体,第二节 脊柱的节段运动,脊柱的运动节段脊柱的功能单位包括两个相邻的椎骨及其间的软组织,五、脊柱的节段运动,每一节椎体都有6个自由度，即横轴、矢状轴和纵轴的平移和旋转。脊柱的屈曲、伸展、侧屈和轴向旋转是一个复杂的组合运动。,（一）脊柱静力学,脊柱在站立时的负荷,人在站立时，保持躯干姿势的肌肉处于持续活跃的状态。站立过程时，
10、躯干的重力线垂直经过腰椎中心的腹侧，使脊柱承受向前的屈曲力矩，竖脊肌收缩力和韧带的张力常拮抗这一运动。腹肌也通过间歇性的收缩参与维持姿势的中立位并使躯干稳定。,（一）脊柱静力学,脊柱在站立时的负荷,站立时骨盆的位置也可影响肌肉收缩施加于脊柱上负荷大小。骨盆的前倾和后倾会造成腰椎曲度的变化，进而影响胸椎曲度以调整重心位置，使肌肉耗能最小。,脊柱在站立位、坐位和躺着时的相对负荷,物体尺寸对腰椎所受负荷的影响,所持物体具有相同的重量、形状和密度但不同的尺寸。从腰椎间盘中心到腹部外侧的距离是20cm。物体宽度分别为20cm和40cm。重物造成躯干前弯力矩分别为60Nm和80Nm,提重物时上身位置对椎间
11、盘承受负荷的影响,自身体重450N，重力臂分别为9cm和25cm物体重力的力臂为30cm和40cm造成躯干总的前倾弯曲力矩分别为69Nm和192.5Nm,提重物时的方式对椎间盘承受负荷的影响,上身向前弯曲姿势膝部弯曲上身挺直Lp=35cm，Lw=18cm，M=151Nm上身向前弯曲，膝部也弯曲Lp=50cm，Lw=25cm，M=212.5Nm,隔离体法分析腰椎受力,一个重70kg的人提起20kg重物且腰椎前倾35上身重力W=450N重物P=200N。Lp=40cm，Lw=25cm，LE=5cmcos35=0.819,M=0 E=3850N F=0 C=4382N,（二）脊柱动力学,L3-L4运
12、动节段所受的挤压负荷约是体重的0.2-2.5倍。负荷大小与步行速度呈近似直线的正相关关系。在足尖离地时的负荷达到最大值。步行时限制上肢运动可增加肌肉收缩和关节压力负荷。步行是一种极好的锻炼方式，采用该方式锻炼时腰椎所受的负荷较小。,（二）脊柱动力学,背部肌肉力量练习时增加椎体间压应力。腹部垫枕减少了俯卧位时背部后屈角度（腰椎平行排列），椎间盘承受应力减少。,脊柱肌肉锻炼,仰卧起坐使腹肌和腰大肌收缩，增加脊柱压缩负荷。仅肩部离开地面使脊柱屈曲可减少腰椎的活动，减少腰椎间盘负荷。手抱头或上举过头明显增加力矩。“反向卷曲”即膝向胸部移动，臀部抬离地面的动作对锻炼腹肌同样有效，但可减少椎间盘内压。,腹
13、内压力,腹内压是一种具有能减少腰椎负荷和维持腰椎稳定功能的机制。腹内压来源于膈肌、腹部和骨盆底肌的协同收缩。腹内压使腹腔形成一个近似圆柱体的结构，在稳定性上要优于各节椎体构成的脊柱结构。,躯干肌肉的协同收缩,随着脊柱屈曲幅度的增加，躯干肌群协同收缩力、脊柱压缩程度和肌肉刚度都随之增加。若给予意料之外的负荷时，肌肉收缩力比在有准备情况下增加70%，易导致损伤。肌肉收缩力与反应时间呈负相关，对危险信号反应时间越短，肌肉收缩力越大。躯干肌群疲劳导致其控制运动能力减弱，增加脊柱受损机会。,第三节 颈背腰痛的生物力学,颈、背、腰痛不是一种独立的疾病，而是一组以颈、背、腰部疼痛为主要症状的疾病的总称是临床
14、最常见的病症之一，但有些属于疑难病症。仅腰痛就占骨科就诊病人的13左右美国居民有80的人在其一生中曾患过腰痛。本节所论颈、背、腰痛诸疾，是一组以脊柱及其周围神经、肌肉等软组织病变为主的疾病的总称，并排除由于其他内脏、血管、肿瘤或细菌及病毒性炎症所引起的颈、背、腰痛,一、病因学的生物力学因素,1与体位姿势、职业的关系 不同姿势对脊柱负荷大小不同。有人对35岁妇女测量L3椎间盘在各种体位下承受压力如下：坐位为153kg/cm2。站立位为9.6kg/cm2，平卧位为3.5kg/cm2，使用腰围站立位为7.0kgcm2。由此可见站位、坐位椎间盘受力最大。如站立尽量前倾或前屈坐位，脊柱负荷最大。,（一）
15、流行病学,有些生物力学的研究认为损伤的机制可能是由于过度用力、不良的工作姿势、重复性动作和休息时间不足所引起的组织过劳。根据引起损伤的工作性质，可分为动态型腰背痛和静态型腰背痛。动态型腰背痛常见的职业因素有：手工提拿物件、繁重劳动、弯腰、转身、无思想准备的负荷、滑倒或绊倒等。静态型腰背痛常见的职业因素有：强制体位、全身振动、工作单调而紧张、工间休息次数过少或休息时间过短、人机失配或舒适度太低。使颈、腰部结构处于力学上的不良条件，不仅易发生扭伤，而且易发生椎间盘退行性变及筋膜韧带劳损。,危险人群用工作时间的50或更多时间驾驶机动车的男性，患椎间盘突出症的人3倍于非驾车职业者。振动力作用在脊柱上坐
16、的姿势对椎间盘所加的压力比站着时大腿的位置和驾车时坐姿很少变化久坐职业的人们也容易发生椎间盘问题。重体力劳动容易发生椎间盘突出症。患急性下背痛的病人经常主诉有搬运重物用力不当的病史。但还没有迹象表明沉重的举、拉、推或搬运工作一定会造成腰椎间盘病。举重运动员并不一定会患腰椎间盘突出症。,Mayora的研究表明，银行职员、重工业工人、农民和护士，这些职业有更多的人在早年就发生过背痛；Nag等对印度缝纫女工的工作紧张性调查发现，有68的女工抱怨背部疼痛，其中35为长期腰背痛患者；Lawinge(1965)在北欧一个矿区统计，急性椎间盘突出症仅占颈椎病的15，以神经根型最多，约占60；Gunn(197
17、6)发现顽固性网球肘患者中，近50合并神经根型颈椎病或肩周炎。Imberg等对2814名工人的问卷调查发现，体力紧张与颈肩综合征的发病相关性最强，使用振动手持工具工人的发病率比普通工作高2倍，女性的发病率约是男性的2倍。,2与病变部位的关系,下颈椎和下腰椎活动多、负重大，则慢性劳损退行性变发生率高，所以颈椎间盘以C56、C67发病率最高；腰椎问盘则多为L 45、L5 S1突出为多见；胸腰段活动范围大，所以脊柱骨折脱位70发生于此段；腰骶部是活动椎与不活动椎交界处，而又常见腰椎骶化、骶椎腰化、骶椎裂等先天畸形，当搬重物、姿势不正或突然弯腰时易造成腰骶、骶髂关节损伤，是造成腰背痛的常见原因；,脊柱
18、痛可能来自椎间盘疾病正常的椎问盘是不痛的。随着退变的发生，极易出现纤维断裂及髓核脱出。其结果是刺激神经根或引起某种炎症而导致疼痛,二、病因学,1、颈部软组织损伤及退行性变 颈肩痛常由颈部软组织损伤及退行性变引起。,颈椎介于缺少活动的胸椎和有一定重量的头颅之间，由于有感觉器官眼、耳等存在，所以颈部活动较多，颈椎间盘、关节囊及韧带易发生慢性劳损，从而导致纤维变性、退行性变、增生等，因而发生颈椎病、颈椎间盘突出、颈椎管狭窄症及项韧带、后纵韧带钙化等病。,因扛重物，颈部侧弯过猛或颈部突然扭转以及甩鞭样损伤等，均可造成关节囊、棘上或棘间韧带、黄韧带，甚至后纵韧带发生轻、重不同撕裂、出血、水肿等，从而导致
19、颈部疼痛；活动受限或神经受压引起肩臂放射痛。,2 腰、背部软组织损伤及退行性变,由于不同程度外力打击、扭伤、负荷过重等均可使腰、背部软组织发生不同程度损伤。如下肢伸展性腰部损伤、急性腰扭伤、腰骶椎关节及骶髂关节扭伤等，可引起腰背部筋膜、韧带、肌肉等撕裂或断裂。由于同时可引起急性腰背痛、脊柱侧弯、放射性或牵扯性神经痛及骶髂关节松弛等，如处理不当，日后则易导致慢性腰背痛或发生腰间盘突出症。由于长期姿势不良的工作、弯腰负重、反复腰部扭转性工作等，从而产生积累性、慢性劳损，是发生腰骶部疼痛的常见原因。最常见的如L3横突综合征、棘问或棘上韧带劳损、骶髂关节和腰骶关节劳损、腰肌筋膜炎、损伤性关节突关节炎、
20、腰椎管狭窄症等。,3 颈椎急性损伤,常见的颈椎损伤有环椎脱位，枢椎齿状突骨折伴环椎脱位。颈椎过伸性损伤可造成上颈椎弓根部骨折。颈椎前脱位或颈椎关节突跳跃症候群。颈椎亦可发生楔形压缩或裂开骨折等，如处理不当，均可导致颈肩痛。,4 胸、腰椎急性损伤,胸、腰椎损伤较颈椎损伤更为多见。如胸腰椎骨折脱位、腰骶关节及骶髂关节损伤等，如不及时正确治疗，常遗留慢性腰背痛。,椎骨、关节和软组织的退行性变,慢性积累性劳损和各种不良刺激，可促使脊椎、关节结构、椎间盘及周围韧带发生退行性变。久之则发生椎间隙狭窄、骨质增生、椎间孔变小、变形、椎间关节变位及椎体滑移等，从而诱发颈、背、腰痛，甚至神经受压导致感觉、运动障碍
21、及神经痛。,二、病因学,6 脊髓或脊神经疾患,此种疾患常见于脊髓，如马尾的炎症粘连、肿瘤、脊髓空洞症和脊髓压迫症等，如脊椎骨折、脱位、滑脱、椎管内占位性病变、脊椎结核、椎管狭窄、椎间盘突出、黄韧带肥厚等均可使脊髓或脊神经受压，从而诱发颈、背及腰腿痛。,其他因素,源于内脏器官疾病常见于胸、腹腔疾病的病理刺激，通过中枢神经系统扩散或放射性引起颈、背、腰部相应部位发生疼痛。如心血管疾患、肺炎、胸膜炎、溃疡病、胆囊炎、胆石症、肝脏疾患、膈下脓肿、胰腺疾病、肾脏输尿管疾患、盆腔炎和肿瘤、子宫位置不正、前列腺炎及腹膜后疾患，均可引起不同程度的相应背、腰部位疼痛。,2 精神因素,有时精神因素可成为腰背痛的主
22、要原因，因此应注意鉴别真伪多见于神经衰弱、癔病情绪不稳定者。该类病人易激动、悲观、恐惧、有头昏、失眠、记忆力下降等，但并无器质性病变存在；另外，有些病人故意伪装而达到个人某种目的也应注意。因此，该类病人以主诉与客观体检明显不符，疼痛性质、范围、压痛点不固定为其特点，反复检查不难识别。但下此结论必须慎重。,三、病理学生物力学因素,1肌筋膜损伤(1)各种开放性损伤，严重的闭合损伤，均能造成组织细胞的断裂。(2)先天缺陷：肌筋膜的先天性发育畸形，可造成组织本身的异常，同时还可以形成对其他组织的压迫(神经、血管)等。,2肌筋膜炎,肌筋膜炎较为常见，是一种无菌性炎症。多由慢性劳损、寒冷、潮湿等原因引起。
23、多见于颈、背、腰部软组织受累，主要侵及筋膜和肌层。起病初期，致病因素刺激局部组织，引起组织细胞的形态学改变，使局部微循环血流减慢，组织细胞灌流不足，代谢障碍，使之出现组织细胞充血、水肿、渗出增加等一系列改变。局部的慢性劳损，可直接破坏微循环功能；当病程继续发展，在肌肉和筋膜的结缔组织内，形成白色的纤维挛缩和瘢痕化，逐渐形成微小的结节，严重者可出现较大的小结节。挛缩的纤维组织和小结节，可压迫和刺激神经末梢，引起持续性疼痛。,3肌腱韧带损伤,(1)挫伤：主要由较重的踢、扭、打、碰撞引起，可使肌腱韧带部分纤维断裂。(2)捩(le)伤：主要为机体在活动时超过正常的生理范围(过伸或过屈等)，使其肌腱韧带
24、撕裂。(3)挤压伤：因机体受到重物或长时间挤压，造成肌腱韧带部分或全部断裂。(4)慢性劳损：主要见于局部的慢性刺激，超出自身的代偿范围。如骨关节炎症、肿瘤、增生、职业性体位等使部分纤维组织受损。临床表现：疼痛肿胀功能障碍,4神经根损伤,(1)挤压伤：其损伤的程度与挤压力的大小、速度、受压范围和时间长短等因素有关，轻者仅引起神经暂时性传导障碍。重者可压断神经纤维，引起神经远端变性。根据压伤因素不同，可分为外源性和内源性两种。前者是体外挤压因素致伤，后者是被体内的组织压伤。(2)牵拉伤：多见于交通事故，如离心力牵引肢体，引起神经撕裂伤。轻者可以拉断神经干内的神经束及血管束，使神经干内出血，最后形成
25、瘢痕化。重者可完全撕断神经干或从神经根部撕脱，如臂丛神经根性损伤等。(3)摩擦伤：神经绕过骨突、神经沟可引起慢性摩擦伤。表现为神经外膜增厚或神经变细，日久可导致瘢痕形成。,脊柱退行性变骨关节退行性变韧带的退行性改变椎间盘的退行性改变,人体进人成年期的同时，发育逐渐停止，继之退行性改变亦随之开始。,三、病理学生物力学因素,尽管年龄相同，但其退变的程度和范围亦不一样，主要取决于以下几种因素:,(1)过度负荷：实验表明，过度负荷可使退变年龄相应提前，尤以重体力劳动为甚，如某些项目的运动员及脊柱长期处于被压体位的劳动者。椎间盘最大承受压力为600700kg，如果长时间平均压力在350kg以上，即可使纤
26、维环由中心向周围膨出，甚至断裂。,1.脊柱退行性变,(2)不良体位：经对椎问盘内的压力测量表明，直立位时L，椎间盘内压力负荷量约为70kg，如果腰椎向前屈曲，则可达120kg，在此情况下再负重20kg，椎问盘内压力可升至340kg。但仰卧位时其压力则是站立位的一半。由此可见体位的变化对脊柱退变有重要意义。(3)慢性劳损：某些慢性劳损及某些职业，使脊柱长期处于震荡状态，使椎间盘受到持续重复的高压冲击，而受到慢性损伤，同时还可使髓核、纤维环对周围韧带造成压力，致其断裂及骨膜下出血，严重者可引起髓核突出。(4)直接损伤：各种暴力均可引起骨关节、肌腱韧带的损伤，加速局部退变的进程。另外，若反复脊椎穿刺
27、，大重量牵引，不规范的推拿、按摩等，会使其脊柱结构受到损害，也具有加速退变的作用。(5)慢性炎症：脊柱周围的各种炎症，均可直接或间接地刺激周围的肌肉、韧带、骨关节，造成脊柱稳定性的改变，加剧其退行性变的进程。,2.骨关节退行性变,(1)椎体退行性变 脊椎表面受损后，骨膜上下血肿形成，随着血肿的机化和钙盐沉积，最后形成突向椎管或突出于椎体前缘的骨赘(骨刺)。骨赘可因局部反复外伤，周围韧带持续牵拉和其他因素，通过出血、机化、骨化或钙化，而不断增加硬度。椎体前缘的骨赘形成唇状，又称骨唇。骨赘的出现应视为机体的一种保护性措施，能起到稳定椎节、避免异常活动和增加负载平面的作用。但如果骨赘朝向椎管内或向椎
28、弓根发展，构成对脊神经根或硬膜囊的压迫时，将产生程度不同的神经压迫症，应将其消除。,(2)小关节退行性改变,当椎间盘和椎体间关节受到损伤后，其稳定性遭到破坏，小关节则发生改变。早期为软骨，渐而波及骨膜下，最终形成损伤性关节炎。由于脊柱的小关节大多数呈垂直状排列，两侧小关节呈矢状弧形咬合状态，当椎间关节作屈伸运动时，越是下位关节，其负荷量也越大。如L5S1；均占总负荷量的60，L45为1520。因此，L5S1 与L45 椎的小关节最易受累，也最早发生退变。,3.韧带的退行性改变,(1)黄韧带的退行性改变黄韧带是椎管内的主要韧带。可分为椎管部和关节囊部。正常成人厚度为34mm。增生时达68mm以上
29、。早期黄韧带较为松弛，有一定弹性，当发生退变时，即逐渐增生肥厚，向椎管内突出，弹性随之减低。后期则出现钙化或骨化，失去弹性，脊柱的正常运动受到影响。由于黄韧带的退变，易压迫脊神经根，引起临床症状，同时使椎管腔变小，影响脊神经的正常血运和功能。,(2)纵韧带的退行性改变,纵韧带分为前纵韧带和后纵韧带。是体内最长的韧带，对稳定脊柱具有极其重要的作用。韧带退变的主要表现为韧带本身的纤维增生和硬化，后期则形成钙化或骨化，与退变的椎节相一致。此种退变具有不利的一面，也有有利的一面。影响局部血运，限制脊柱的正常活动，压迫脊髓等则视为不利。限制脊柱的活动，具有稳定脊柱的作用。可减轻退变的发展，对人体具有保护
30、作用。,(3)其他韧带的退行性改变,随着脊柱退行性改变的发展，脊柱小关节周围的许多韧带，也将发生相应的退行性改变，首先是韧带附着处的缺血、缺氧，随之发生增生、肥厚，逐渐波及到韧带的增生肥厚，严重者可发生硬化、钙化、骨化。使关节的正常运动受到限制，小关节及脊柱失去正常的生理功能。,4.椎间盘的退行性改变,(1)纤维环的改变：由于纤维环无血管供应，以致该纤维环最易发生变性。一般于20岁前后开始。早期为纤维组织的透明变性，纤维增粗和排列紊乱，继而出现裂纹，甚至完全断裂。纤维环断裂，一般在后侧的多见，其主要原因如下：纤维环组织在前方较厚。由髓核位置偏后及大部分人习惯前倾屈曲位。髓核被挤压向后移位等。纤
31、维环的早期变性，如能及时消除病因，有可能使其停止发展及恢复。反之，一旦形成裂隙，则难以恢复。,(2)髓核的变化,多在骨关节、纤维环发生变性的基础上发生变化。一般在25岁左右开始，早期为水分脱失和吸水功能减退，使其体积减少。随着病程的进展，渐渐使其正常组织结构为纤维组织所取代。在局部负荷量大，外伤多和易劳损情况下，由于椎间隙内压力增高而使变性速度加快。因此，一方面促使纤维环的裂隙加深，另一方面，变性的髓核有可能沿着纤维环所形成的裂隙而突向边缘。此时，如果纤维环断裂，髓核可抵达后纵韧带或前纵韧带下方，并可形成韧带下方的骨膜分离、出血等一系列变化。变性和硬化的髓核，亦可穿过后纵韧带裂隙进人椎管内。造
32、成对脊神经及脊髓的压迫。,5.椎管狭窄,椎间盘突出椎体前方或后方形成骨赘黄韧带和后纵韧带肥厚增生韧带折皱突向椎管,6椎间盘突出,椎间盘突出多见于L45，、C56，其次为L5S1、C67。根据椎问盘突出物的性状，可将突出分为软性突出和硬性突出。软性突出主要由髓核物质组成；而硬性突出主要由纤维环或未钙化的弹性纤维组织构成。硬性椎间盘突出较为常见。椎间盘突出绝大多数合并椎管狭窄。,7强直性脊柱炎,强直性脊柱炎，又名slriimpellMarie病。既往认为属类风湿关节炎的一种类型，但近年的研究表明，本病是一独立的慢性骨关节病。局部呈现非特异性局灶性炎症，并渐侵及附近的骨皮质，尤其是椎间盘边缘及相应的
33、纤维环处，在疾病侵蚀的同时，修复过程也同时开始，新生的骨组织集中在韧带肌腱附着处，最后形成上下椎体边缘相连接的“连节赘”，以致脊柱呈现“竹节样”改变。软骨面被侵蚀破坏，周围新骨生长，钙盐沉积，使关节发生骨性强直。,腰段强直性脊柱炎。椎体呈方形，小关节间隙狭窄或消失，关节面模糊不清。椎旁韧带骨化连成竹节样脊柱。,四、诊断学生物力学因素,（一）病史采集的生物力学因素,1与外力的关系 首先询问有无外伤史，外力的作用部位、性质、大小、面积、持续的时间、打击的动量、打击时身体的运动状态等，外力和它产生的应力大体上成正比，外力越大，损伤越严重。如主诉扭腰、腰部撞伤、扛拾重物时伤了腰的患者，多半是腰背部软组
34、织如筋膜、韧带、关节囊等处的损伤或劳损。对有严重外伤史的患者，则除软组织损伤外，尚需考虑有无脊柱及其附件骨折的可能，老年人的颈、腰、背痛往往与脊柱的增生、退变有关，可以没有任何外伤史。椎间盘的病变一般认为与其本身的退变有关，但为何多发于青壮年及体力劳动者，则可能仍与反复的累积性损伤有关。,2与活动的关系,绝大多数颈、背、腰痛者减少活动与卧床休息能使疼痛明显好转，但也有少数患者卧床休息反使疼痛加重，这些多是严重的椎问盘突出、椎管内占位性病变等，因病变对神经根的挤压较重，站立及活动时患者可自行适当调整体位、减轻病变对神经根的挤压而使疼痛减轻；卧床休息时体位不易调整合适，故疼痛更重。典型的脊椎退变和
35、骨质增生患者，往往在睡眠至黎明前腰痛明显，以致不得不很早就起床，起床后开始活动时腰痛仍明显，但稍活动数分钟至十余分钟后，疼痛即明显好转。,3与体位的关系,腰痛患者常在某一体位疼痛加重，而在另一体位疼痛减轻。如椎间盘突出患者，弯腰时神经根紧张，压迫更甚而使疼痛加重；腰椎管狭窄的患者则与此相反，弯腰及下蹲时则椎管容量加大而疼痛减轻，腰后伸时椎管容量进一步变小而使狭窄更为严重，疼痛加重；腰背部筋膜及肌肉疲劳损害，多为弯腰时疼痛加重，而腰椎后小关节囊损伤者常有腰过伸性疼痛，但同时也可有前弯腰疼痛，这是因为腰后伸时可使已受伤的后小关节囊受到挤压，而腰前弯时又可牵伸后小关节囊之故。,(二)临床检查的生物力
36、学因素,1背部各结构及骨性标志是否正常、对称 头颈有无歪斜，两肩是否等高，两肩胛骨是否对称，肩胛下角是否在同一水平，两侧髂脊及大粗隆是否等高，双足能否平衡着地。,2脊柱力线有无改变,从后背观察，脊柱应位于人体冠状面的中线，不应有任何倾斜与弯曲，否则即为脊柱侧弯或侧凸。腰背痛与脊柱侧弯的关系比较密切，一类是脊柱侧弯在先，腰背痛继发于侧弯，由于脊柱负重力线和生物力学的改变，造成腰背部筋膜、韧带、肌肉附着部位的牵扯和劳损，必然会产生不同程度的腰背痛，这种情况一般不很严重。另一类是先有腰背痛疾病，而后出现侧弯，如急性腰部韧带、关节囊、筋膜等扭伤，引起保护性肌紧张或反射性肌痉挛，牵拉脊柱出现侧弯。这类患
37、者腰背肌常呈高度紧张状态，而以一侧更为明显，腰部呈强制性状态，不能随意活动。,3脊柱的活动情况,脊柱有前屈、后伸、侧弯和旋转四种活动，幼年时活动范围最大，随着年龄的增长而活动逐渐减小。个体间的活动范围也有不同程度的差异，经常活动及锻炼者其活动范围较之不太活动锻炼者往往要大得多。检查者不但要注意其活动的范围，而且要注意其活动的节律和弧度是否正常。如患者脊柱活动受限制，应询问患者是因疼痛引起的活动限制还是非疼痛性限制。一般说疼痛性限制更有临床意义。,五、治疗学的生物力学因素,非手术治疗其基本点是：消除原发病点：如前所述，颈、腰、背痛患者常在某些肌肉、筋膜、韧带的附着部位有特定的压痛点，这些压痛点可
38、产生放射痛及保护性肌痉挛或肌肉紧张，更加重疼痛，严重者可产生脊柱侧弯、腰椎前凸变平等强迫性体位。如能将原发病点消除，患者的疼痛减轻，肌肉紧张也可缓解，减轻病变部位的牵拉，从而使病变部位的组织逐渐恢复正常,解除肌肉痉挛：肌痉挛或肌紧张虽然继发于疼痛，但它又可起反作用于痛点，使疼痛加重，所谓“痛则不松，松则不痛”，就是在某种意义上说明肌肉松紧和疼痛的关系，因而很多非手术治疗都针对肌紧张而采取放松肌肉的治疗方法。疼痛_+肌紧张、肌紧张一疼痛，这是恶性循环；肌放松一疼痛减轻、疼痛减轻一肌放松，这是良性循环。,五、预防学的生物力学因素,(一)外源性动力平衡失调 临床上发现颈椎、腰椎长期处于强迫姿势，对于
39、维持外源性动力平衡的肌肉或肌群，由于长期处于相对固定的收缩或舒张状态，收缩状态的肌肉可因过度疲劳而易于痉挛，舒张状态的肌肉得不到有效锻炼，出现失用性肌力减弱，这样就打破原有的动力平衡，对维持静力平衡的内源性结构椎问盘、关节囊、韧带产生影响，长期受牵张侧劳损而松弛，破坏了原有的静力平衡。,病例,主诉右肩、手腕和下背部疼痛手臂过度伸展，增加肩关节负荷以及对肘及前臂的机械压迫，影响手臂的皮下软组织。无支撑的坐姿增大了椎间盘，尤其是腰椎间盘的压力。,急性损伤、炎症、天气变化及精神过度紧张等因素造成的肌力变化均可导致动力平衡失调，还有因疾病而出现腰肌、腹肌萎缩，使深部韧带等组织过度负重，导致腰背动力平衡
40、失稳。若长期得不到纠正，即可影响椎体静力平衡的稳定性，从而造成椎体系统的生物力学功能的紊乱，椎体稳定性丧失导致椎体局部的血流动力学的改变，神经根充血水肿、脊髓供血减少、椎外自主神经受到激惹等，从而引起相应f临床症状的发作，长期作用可加速椎体及椎间盘的退变，产生骨赘、韧带钙化等病理改变。,外源性稳定的肌肉还要有充分的贮备力量，除维持平时颈、肩、腰静止时的姿态，还要完成颈、肩、腰部各种复杂的功能活动，适应各种动力学的变化(如拉力、压力、剪力、切力、推力等)，否则容易引起外伤、劳损、炎症及其他病理变化。在肌肉活动过程中，要始终维护相互平衡与协调，尤其在颈肩部，其活动灵活度较大，关节结构稳定性差，因此
41、更要依靠强有力的肌肉保护。此外，颈肩部肌肉纵横交错，深浅重叠，在活动中要始终伸缩有序，相互协调。仅肩胛骨就有17块肌肉附着，有些肌肉如斜方肌、提肩胛肌、大小菱形肌等，与颈部活动有密切联系，一旦由于负重外伤、姿势不当、体位失调、肌肉萎缩或肩胛骨下垂等因素发生问题，就可牵涉到各组肌肉之间的平衡。提肩胛肌在肩胛骨内上角止点处，应力较大，颇易引起劳损，产生肌痉挛、疼痛，逐渐影响到斜方肌等其他肌肉的协调，使颈椎活动受到限制。由此可见，了解外源性肌肉或肌群的协调运动，维持动力平衡，不仅对维护脊柱正常功能与姿态，而且对预防和治疗也有十分重要意义。,(二)内源性静力平衡失调,人类脊柱的退行性改变是难以避免的自
42、然老化过程，首先椎间盘退变软弱，椎间隙变窄，椎体间韧带、纤维环松弛，造成椎体的不稳，只能通过代偿性扩大椎体面积(骨质增生)，也就是wollf定律所指：骨骼在需要处多生长，不需要处多吸收，代偿性的韧带肥厚来维持内源性静力平衡。根据内源性稳定不足之处，外源性稳定可以代偿补充，导致外周肌肉痉挛，来维持脊柱的稳定。但加重了椎间盘突出、椎体及韧带增生，从而加重了对压迫、刺激邻近的神经血管压迫、刺激，形成恶性循环。,预防和治疗的关键是要阻止及打破这恶性循环，重建新的生物力学平衡。研究证明，在颈、腰椎病发病机制中，椎体动力性平衡失调出现早且较静力平衡失调重要。失去静力平衡，椎体的变化比较缓慢，而失去动力平衡
43、，椎体即不可能维持其正常的功能，并且动力平衡可以补偿静力平衡，临床上可通过各种预防和治疗手段改善肌肉的营养代谢及力学状态，恢复椎体的动力平衡，从而进入良性循环，纠正或补偿静力平衡，重建椎体力学系统的功能平衡，以预防和治疗颈、腰椎病。,(三)预防措施,1改正不良的姿势与体位 日常所见的驼背、侧弯、过度肥胖、怀孕等不良姿势，容易引起肌力失调，破坏脊柱的动力平衡，甚至形成结构性改变，再加上不合适的床铺、坐椅、衣服、鞋靴及工作中用力体位不当，都是引起姿势性颈、背、腰痛的重要原因之一。在日常生活和工作中，不良的姿势和体位可逐渐破坏动力平衡。所以，养成正常的生活和工作姿势与体位对预防颈、背、腰痛具有重要意
44、义。,站立时，应立直平视，头、肩、膝、髋及踝关节应在一直线上，腹部平坦，肩松弛，胸略前挺，保持轻度腰椎前凸。最不良的姿势为头及骨盆向前突出，腹部前挺，胸平坦，影响人体姿势的因素很多，如工作中长期处于非生理性体位、环境和工作条件的限制、工作不熟练、不良习惯以及疾患所累(如关节炎、过度肥胖、老年性骨萎缩、肢体畸形等)等。,坐位时，坐椅的长度、高度均要合适，一般应与坐者的身体和大、小腿长度相称，坐位躯干部重量要分布平均，脚要能平踏在地面。若坐椅附有手扶及靠背，则更为适宜。椅子太高了，脚不着地，任意晃动，大腿部压力大而有碍下肢血液循环。椅子太低，髋、膝过度屈曲，压迫腹部，并使臀部负重力不均匀，一般易压
45、住骶尾部引起尾骨痛。同时躯干前弯，形成驼背姿势，使胸腹腔容量减少，影响内脏功能。坐椅与桌子的高度要相称，尤其在学龄幼童，长期坐位工作的人，由于其颈肩经常处于前屈位，两肩臂仅活动于90以下的外展、前屈位，久之易形成颈肩功能紊乱，是导致颈椎病的因素之一。,不同坐姿的椎间盘的压力,老年人,卧位时，床铺要合适、平坦、不能过短，否则会影响睡觉时的体位。仰位平卧时，躯干应平直，下肢伸直微外旋，两臂置两侧；侧卧时，躯干应平直，所有四肢关节取屈曲位，应避免床铺下陷、弧形弯曲(如吊床)，否则，使躯干及四肢处于不良卧位，会使胸腹受压、四肢受屈或牵拉。卧位时枕头要适中(一般高79cm)，并同时包括头后部及颈部，不能
46、以手臂代替枕头，也不能侧卧位无枕，使头颈下垂至肩胛部，当然也不能使枕头过高，否则可使颈部过屈或过伸。枕头的恰当使用，是避免颈部不适和“落枕”的重要措施之一。,2改正不良的脊柱负重,脊柱过度负重及由此而引起的损伤，是颈、背、腰痛的原因之一。,不同姿势和活动作用在L3椎间盘上的载荷,脊柱痛病人可能会由于咳嗽、拉、大笑而加剧病情。同样，像前弯、举重物这样的动作会增加椎间盘内压力，也会加重病情。脊柱痛病人应避免直举腿和腰部过度伸拱的锻炼。,不同姿势下L3椎间盘压力的变化,不同锻炼时L3椎间盘压力的变化,3有效的功能锻炼,增进脊柱周围肌肉的外在活力，从而加强对内在因素(深部韧带、椎间盘等)及脊柱骨关节的
47、稳定性。防止和纠正不良姿势和体位，不仅有助于外观健康体形的发育，而且在工作中可减少疲劳，提高工作效益。防止肌筋膜挛缩，使肌肉活动伸缩有序。尤其对筋膜的损伤和挛缩，往往是使肢体活动障碍和疼痛的重要因素之一。长期如不及时纠正，最后必然影响到关节功能。保证肌肉和脊柱周围组织血液循环旺盛，有足够的能量来源和贮备，加速排除肌内积聚的代谢产物。加大肺活量，提高血液含氧量，促进内脏功能，增进全身体质。对组织粘连所引起的疼痛因素，通过有序的、适当的锻炼，往往可收到立竿见影的效果。如硬脊膜粘连、受压所引起的颈、背、腰痛等。,运动和锻炼的作用,(1)颈肩部功能活动与锻炼：人到中年，常见颈肩疼痛、上臂不能抬高及自律
48、神经失调症状(视力模糊、头痛等)，这是由于长期没有注意颈肩部的运动和锻炼，致使后期颈肩功能失调，加剧劳损、退变，甚至结构性改变。多年来的工作姿势，处于前颈屈、两上肢仅活动于肩外展90。以下的水平位工作，平时又缺乏抬头、上肢高举等平衡性体育锻炼。久之(数年至数十年)，颈肩部逐渐产生症状。寰枕关节、颈后肌肉、肩胛骨内上角(提肩胛肌止点处)与腋窝缘及肱二头肌腿沟处，均有压痛。处理的方法是很多的，但要遵循“仰头抬臂、协调平衡”的原则进行锻炼操作，只要持之以恒，都可收到良好的效果。,(2)腰背部功能活动与锻炼：在人类直立体位中，下腰腰骶部处于重力传导的枢纽地位，是躯干重力的过度地带与桥梁，下腰部位于身体
49、的中点部，在活动中所受的杠杆性曲折力和剪力也最大，因此在腰背部承担的动力学和静力学的双重负荷也更为突出。在坐位、站立位等静止体位时，头、四肢等各关节均可交替休息，而腰背则仍需持续地维持肌力及体位平衡。这样，腰部实际所做的功及劳动时间要比其他部位多得多。,从功能上来说，腰部应具有三种性能即活动的灵活性、持久的平衡性和坚强的稳定性。但在解剖学上，腰部的活动却受到一定的限制，且其各方向的活动范围也并不一致，个体之间也有不同程度的差异。一般限制腰部过度前屈的组织结构较多，如棘上韧带、棘间韧带、后纵韧带、黄韧带、横突问韧带以及腰椎骨与椎间软骨盘本身的形态所构成的生理性前凸，而限制腰部过度后伸的组织结构则
50、较少，仅为前纵韧带、棘突及关节突关节。由此看来，腰部处在后伸姿势及后伸动作时，所受解剖学上的保护较差。而在日常的劳动过程中，却以上述的后伸动作为主，如挑担起肩、扛物、举重及其他从腰前屈位向后伸的各种动作。因此，下腰部后伸性损伤在临床上较为多见，且疼痛大多集中在下腰部及腰骶关节。当人体自立位开始向前弯腰时，骶棘肌(背伸肌)必先持续收缩，以保持下腰部关节的稳定与平衡，这样有助于腰部继续向前屈曲。此时若引起扭伤，往往以腰部肌筋膜为主。只有在脊柱继续屈曲，外力作用才全部集中在脊柱后方的各个韧带上(如棘上韧带、棘间韧带等)，此时若发生扭伤，往往以韧带为主。若人体长期处于缺乏肌肉保护的弯腰位工作，或因过度
