腰椎的动力学

腰椎的动力学主要涉及运动过程中作用于腰椎的载荷。几乎所有的身体活动都会增加腰椎的载荷，从慢步行走时的轻度增加、随意转体时的中度增加，直至强体力活动时的大量增加。而在一些体育、舞蹈、军事训练活动时，均可明显增加腰椎载荷。Cappozzo （1984）发现以不同速度行走时，腰3、4节段所承受的压缩载荷可达到体重的0．2～2．5倍，当足离地的一瞬间，载荷可达到最大，并与行走速度呈正相关（图6－15）。

1．屈伸活动中腰椎的受力分析　如果将人体的弯腰拾物动作看成是脊柱进行的匀速运动，则在这一运动过程中任一时间点上脊柱的合力为零。然而每一阶段作用在脊柱上的各分力的大小、方向却都在发生变化，人体前屈运动的最初50°～60°出现在腰段脊柱，躯体重心前移使脊柱承受弯矩，前屈的范围和速度是受肌肉控制的，胸长肌、髂肋肌、多裂肌等可加强脊柱前屈，而竖脊肌是控制前屈运动的最主要拮抗肌。进一步屈曲是由骨盆前倾完成的，髋后部肌肉有效地控制这一运动。大量的研究结果显示，当脊柱完全屈曲时，原来十分活跃的肌电活动几乎完全静止下来，提示此时机体对前屈弯矩的抵抗主要来自韧带、椎间盘、被动拉伸的肌肉以及上下交锁的小关节。有人称这一现象为“前屈－放松现象”（flexion－relaxation phenomenon），其意义在于失去肌肉收缩控制的巨大前屈载荷，很容易造成脊柱各结构的损伤。

图6－15　不同速度行走时，腰椎承载的变化
UBW：腰3、4平面以上体重

人体躯干由完全屈曲到直立位时运动顺序恰好相反，先是骨盆后倾，然后伸展脊柱。由直立位进一步后伸时，背肌收缩产生起始动力，然后在躯体重力弯矩作用下加大后伸角度，而腹肌则产生活动来控制和调节这一运动。在极度或强制伸展躯干时，又需要伸肌的活动。

2．提物和携物时腰椎的受力分析　提物和携物是外界对脊柱施加载荷的最常见方式。除脊柱的屈曲或旋转程度（身体姿势）影响腰椎载荷以外，还主要有三方面的影响因素：①物体至腰椎运动中心的距离，即重物力臂的长度；②身体上部重量的力臂长度；③物体的重量。在提物与携物活动中，物体重量相同的情况下，物体的重心与脊柱活动中心的距离越近，施加于腰椎的弯矩就越小（图6－10）。据此原理，减小腰椎载荷的最有效方法就是将所要提起的物体尽量靠近身体，使物体与体重的力臂尽量缩短。

3．腰背肌对腰椎载荷的影响　全部背部肌肉产生的最大收缩力约为4 000N，这些力作用在棘突、椎弓提供的极短的力臂上，产生的后伸力矩约为200N·m。该值是30岁以下青年男性的平均值，女性大约是此值的60%，30岁以上者减小10%～30%。以此标准计算，男性青年最多只能搬起大约30kg重的物体（力臂30cm），与实际情况有较大差距。由此推断，机体一定还有其他减小脊柱载荷的机制，与背部肌肉一起共同克服巨大的前屈力矩。

4．腹内压对腰椎载荷的影响　Bartelink（1956）提出腹内压可作用于膈肌和盆底，起伸展躯干分担背肌载荷的作用。一些作者根据腹内压的测量发现，运动员的腹压可将由竖脊肌收缩而产生的脊柱载荷减少40%，并认为这可能对稳定脊柱与缓和椎间压缩力起重大作用。但该理论提出后并未获得一致公认，近年来更有学者对其提出质疑，依据是：①腹内压变化与肌电活动和脊柱载荷增减之间并无明确一致的关系；②增加腹内压的Valsalva运动非但不减小椎间盘压力，反而使之增加；③生物力学研究显示，若腹内压产生的抗前屈力矩能有效地分担脊柱载荷，则所需压力之大足以胀破腹壁，阻断腹主动脉；④当位于脊柱前方、连结胸肋与骨盆的腹肌收缩，以提高腹内压时，肌肉收缩产生的前屈弯矩足以抵消其腹内压增高所引起的抗前屈作用。因此，腹内压对腰椎载荷的影响尚需进一步研究探讨。

5．后部韧带对腰椎载荷的影响　Farfan等（1976）提出了另一个搬运重物的模型，经过不断的发展和完善，该模型对人体弯腰搬物动作进行了比较合理的解释。因为单独背部肌肉不足以平衡较大的外力载荷，该模型引入了“后部韧带系统”的概念。后部韧带系统由关节囊韧带、棘间韧带、棘上韧带、胸腰筋膜后层组成，后来又将腰椎完全前屈时被拉伸的背部肌肉归入该系统。搬物时，先是强有力的伸髋肌牵拉骨盆向后旋转，下部腰椎与骶椎随骨盆一起后移，而胸椎与上部腰椎则在外力载荷作用下保持不动，如此造成腰椎前屈进一步加大，连结骨盆和胸椎的后部韧带系统紧张，随着骨盆的继续后旋，韧带张力加大，并进而牵拉腰椎提升躯干。随着身体的直立，外载与脊柱的距离缩短，力臂减小。当其载荷在背部伸肌的承载能力以内时，后部韧带系统的使命完成，载荷由背伸肌收缩提供抵抗。

6．腹肌锻炼对腰椎载荷的影响　腹肌与腰背肌是一对拮抗肌，二者协调作用以控制和调节腰椎的前屈和后伸以及轴向旋转运动，因此加强腹肌锻炼也是防治下腰痛的重要措施。通常的方法是做仰卧起坐活动，即将髋、膝屈曲以限制腰肌活动，有效地增加腹肌活动，但在坐起前，身体处在前倾状态，大大增加了腰椎间盘的载荷。从力学角度出发，建议改为做转体动作，仅头与肩抬起而腰部保持不动，如将两臂上举过头或两手抱于颈后则产生的力矩较大，这是因为身体上部的重心离开活动中心较远的缘故，如此锻炼效果更好。