腰椎的静力学

腰椎的静力学主要涉及平衡状态下的载荷以及不同姿势对载荷的影响。

1．生理曲度对腰椎载荷的影响　脊柱处于静力状态时呈现出生理弯曲：胚胎和婴儿脊柱的生理曲度表现为后凸；出生后5个月时婴儿开始爬行或取坐位仰头，即形成继发的颈椎前凸；出生后9～10个月婴儿站立至出生后13个月，腰椎后凸消失，至3岁以后腰椎又形成继发前凸；8岁时腰椎前凸已比较明显，10岁时则与成人的曲度基本相同，此时脊柱的原发后凸仅在胸椎和骶尾椎保存，以平衡脊柱的生理前凸。自此人体的生理曲度由侧面观表现为4个曲度，即颈椎前凸、胸椎后凸、腰椎前凸及骶尾椎后凸。在直立行走的脊椎动物中，唯有人类具有4个生理曲度。脊柱曲度的生物力学意义在于增加脊柱抵抗纵向压缩载荷的能力。

根据离体脊椎标本的测量结果，无外加载荷状态时腰椎生理前凸平均曲度是40°左右。活体测量时发现充分前屈可使腰椎曲度降为0，而充分后伸腰椎可使曲度达到80°左右。

腰椎在矢状面上的生理性前凸对减轻腰椎载荷有重要意义，前凸的腰椎与躯干重力线间的距离缩短，有效地减小了脊柱的弯曲力矩。骨盆后倾可使腰椎前凸减小，腰椎平直，从而加大前屈力矩，使腰椎承受载荷增大。

2．身体姿势对腰椎载荷的影响　身体姿势的变动对腰椎载荷影响很大，这与身体重心线与腰椎间的距离（力臂）远近有关。不同姿势时腰椎平面以上的体重并无变化，如其力线与腰椎间的垂直距离因姿势改变而加长，则施加在腰椎的弯矩加大，腰椎载荷随之增加，反之则减小（图6－10）。大多数（70%）的人在站立位时，身体上部的重心在脊柱前方，其力线通常在第4腰椎椎体的腹侧（图6－11），提示重心线在脊柱所有节段屈伸活动轴的腹侧，使运动节段承受向前的弯矩，后者需要韧带和肌力加以平衡。

图6－10　弯腰提重物时施加在腰椎和髋关节上的前屈力矩由体重（M1）和物体重量（M2）产生，其大小与力臂（d）成反比

图6－11　直立位时人体重力线通常在脊柱屈伸活动轴的腹侧，脊柱因而得到一个恒定的向前弯矩

当放松直立时，腰3平面承载约为该平面以上体重的1．7倍，有人测得腰3、4椎间盘内压高达总体重的60%，超出腰3平面以上体重的载荷主要由肌肉收缩产生；而当身体前屈时由于向前弯曲力矩的增加，使腰椎承载也随之增大。当无靠背端坐时，腰椎承载将超过放松直立时；有靠背坐时，腰椎承载将较无靠背时减低，这是由于靠背承受了一部分身体上部的重量。此外，坐位时正常使用腰部支撑器具可有效地减低腰椎载荷，因腰部靠垫会加大腰椎前凸，在胸背部加用靠垫则取得相反的效果（图6－12）。仰卧位时脊柱的载荷最小，这时体重所产生的载荷消失，但肌肉仍然能产生一些载荷；当伸膝仰卧位时，腰肌的紧张牵拉可对腰椎施加一定的压缩载荷，垫高下肢维持髋、膝关节屈曲位时，腰肌松弛，载荷减轻（图6－13）。施加牵引可进一步减轻载荷，与下肢伸直腰肌紧张的情况下进行牵引相比，屈髋、屈膝位牵引力能更均匀有效地分布于整个腰椎（图6－14）。

图6－12　靠背倾斜度和靠垫位置对腰3、4椎间盘内压的影响

a．靠背倾斜90°　b．腰部加靠垫　c．靠背后倾110°　d．腰部靠垫加厚　e．腰部靠垫移至胸背部，身体上部前倾，腰椎前凸减小，椎间盘内压增大

图6－13　A．直腿仰卧，腰椎部分载荷由腰肌牵拉产生　B．髋、膝屈曲使腰肌放松，可降低载荷

图6－14　仰卧屈髋、屈膝位斜向牵引，使腰椎变平有利于牵引力均匀分布