1、脊柱力學動態平衡系統 脊柱是人體的支柱，架構複雜而穩定，在靜力學和動力學上都有自己的特 點。它有以下基本的生物力學機能支援頭和軀幹，保持頭和上半身的平衡； 將頭和軀幹的重力力矩透過骨盆傳遞給下肢，協調各部分之間的生理活動；吸 收作用於脊柱的外力和震盪力，保護脊髓和神經根免遭外力損傷；參與形成顱 腔、胸腔、腹腔和盆腔，支援和保護這些腔內的臟器。 與其它的人體架構相比， 脊柱更易因力學平衡失調而造成損害，形成臨床上所謂的脊柱病和脊柱相關疾 病(脊柱系統疾病)。因此本章重點介紹脊柱的生物力學特點和動態平衡原理， 從而探討脊柱系統疾病發生的力學原因。 脊柱的基本力學構造 正常人的脊柱由塊椎骨構成，包括
2、塊頸椎、塊胸椎、塊腰 椎、塊融合在一起的薦椎和塊融合在一起的尾椎。這些椎骨透過 個椎間盤、個關節和周遭許多強勁的肌肉、韌帶等軟組織連接在一起。 此外，在脊柱內外還有供應能量的血管、控制或傳遞訊息的神經、經絡等網路 系統等。以上各部分共同構成了一個嚴密穩定的動態的力學平衡架構體系脊 柱。 從生物力學角度來看，脊柱由剛度比較大的椎骨和剛度較小的椎間盤以及附著 在脊柱上的肌肉、韌帶等軟組織組成。分別對椎骨和椎間盤的力學特性的研究 證明，椎骨大體上屬於彈性材料，而椎間盤和韌帶等屬於粘彈性材料。在類比 人體屈曲狀態下，對新鮮腰段脊柱的長期載荷效應研究表明脊柱具有潛變、 鬆弛等粘彈性性質。潛變是指對實驗材
3、料施加一個固定不變的載荷時，隨著時 間的延長，實驗材料的變形速度逐漸增加的現象。鬆弛是指將實驗材料固定在 一定的變形之下，實驗材料內部的應力隨著時間的延長而逐漸減小的現象。在 生理載荷範圍之內，隨著時間的延長，脊柱的潛變變形不斷增加，載荷鬆弛不 斷衰減。在標準載荷作用下，腰段脊柱的潛變和鬆弛均是在最初的 10 分鐘內變 化較大。在載荷固定在 100 牛頓時，最初 10 分鐘內的平均變形速率達到相對平 衡點潛變的 40，載荷下降占最大載荷的 40。但同樣在 100 牛頓的載荷作用 下，椎體的棘上韌帶的潛變率很小，與相對平衡點的潛變值接近，所以腰段脊 柱的潛變和鬆弛主要是由椎間盤的特性造成的。 脊
4、柱在無負載的自然情況下所受到的力主要包括人體的重力、支援反作用力、 韌帶張力和肌肉的收縮力。人體的重力通常垂直於水面平，支援反作用力則與 重力方向相反、大小相等。如果身體的長軸相對於支援面呈某種角度，則按照 力的平行四邊形法則，反作用力可被分解為兩個分力；一個為水準分力，一個 為垂直分力。韌帶張力和肌肉的收縮力使脊柱的各個部分或各質點之間產生運 動，因此產生相互作用的力。 在不同運動狀態下，脊柱各節段的受力情況和力學特性也有所不同。洪水棕等 以新鮮頸段脊柱為材料，測定了在前屈、後伸、側屈位置下受到靜載荷和衝擊 載荷作用時的應力、應變分佈與傳播情況，發現下同等數值的靜載荷或衝擊載 荷作用下，由於
5、頸椎處於不同的屈伸位，也會引起各頸椎骨的鉤椎關節的應力 值及其分佈規律發生變化。在使頸段脊柱前屈 15位置，並給與 3Kg(相當於正 常人體頭部重量)的載荷時，應力與應變呈線性變化關係。各頸椎前緣和鉤椎關 節基本上承受壓縮應變，其中以第 4 頸椎前緣和第 5 頸椎的鉤椎關節的應變值 最大。但使頸段脊柱處於後伸 15狀態時，最大應變位置位於第 6 頸椎前緣和鉤 椎關節，而且應變和應力為非線性變化關係。說明在前屈狀態下，載荷主要由 頸椎骨承受，而後伸狀態時，由於肌肉、韌帶等粘彈性材料和頸椎後方的關節 突、棘突等架構的作用，使頸段脊柱表現出粘彈性特性，顯示了生物複合架構 的特性。 人體脊柱即使處於相
6、同的屈伸位置，但由於承受載荷的靜、動性質差 異，其應力值及其分佈規律也不相同。承受正常靜態重量時，脊柱的應力、應 變較小 ，在衝擊載荷作用下，可產生較大的應力、應變，外來暴力容易使脊柱 的應力急劇加大，造成急性外傷或骨質病變。 （一）椎骨的生物力學特性 最早關於人類椎骨生物力學的研究大約是一百年前 Messerer 對椎體強度的測試， 從那時起，人們對椎骨力學性能的認識不斷深入，大部分研究集中在椎體的力 學性能研究上。 圖 5-1 頸 3腰 5 椎骨的抗壓強度 椎體 早期的生物力學是對椎體抗壓強度測試的研究。特別是噴氣機駕駛員跳傘時的 彈射問題，如何選擇合適的加速度方能不致於造成脊柱損傷，促進
7、了這一問題 的深入研究。一般說來，椎體的強度隨著年齡的增長而降低，特別是在 40 歲以 後，發生明顯的降低。圖 5-1 為頸 3 至腰 5 椎體的抗壓強度。從圖中可見，一 個椎體的骨組織若減少 25%，可使其強度降低 50%以上。近年的研究表明，骨 的礦物質含量與骨的強度有著極其密切的關係。更進一步的研究是將椎體分離 成皮質骨殼、松質骨核及終板來測試。 （1 ）皮質骨殼椎體是脊柱的主要負載成分。但椎體的主要負載部分是皮質骨 殼還是松質骨核？這個問題曾引起了很長時間的爭論。有人認為椎體主要靠皮 質骨殼來負載，有人則認為皮質骨殼很薄，承受不了多少載荷。Rockff 等的實 驗證明，完整椎體的強度隨
8、著年齡的增加而減低，從 2040 歲椎體強度的降低 率很高，40 歲以後強度改變不大。在 40 歲以前，皮質骨殼承載 45%而松質骨核 承載 55%。40 歲以後，皮質骨殼承載 65%而松質骨核承載 35%。這種強度的消 長說明，隨著年齡的改變，椎體的韌性在不斷降低而脆性在不斷提升。這可能 是老年人骨質疏松、椎體容易發生壓縮性骨折的主要原因。 （2 ）松質骨核在對椎體松質骨強度的測試中，其載荷變形曲線顯示了三 種破壞形式型顯示最大載荷以後強度降低（占 13%）；型顯示最大載荷 以後可以維持其強度（占 49%）；型在斷裂點以後強度升高（占 38%）。後 來的實驗又證明，椎體的松質骨核可以承受很大
9、的壓縮載荷，在斷裂前其變形 率可高達 9.5%，而相應的皮質骨殼的變形還不足 2%。這說明椎體損傷首先發 生皮質骨斷裂，而不是松質骨的顯微骨折。 （3 ）終板終板在脊柱的正常生理活動中承受著很大的壓力。在脊柱運動節段 （完整的椎間盤及其上下椎體）的疲勞試驗中，有 1/3 的標本發生終板斷裂伴 髓核突出，而且這種斷裂多發生在年齡比較小的標本上。終板斷裂有 3 種形 式中心型、周遭型及全板斷裂型。中心型在沒有蛻變的椎間盤中最多見，周 遭型多見於有蛻變的椎間盤，全板斷裂多發生於高載荷時，如圖 5-2 所示。 圖 5-2 終板的斷裂機製 椎弓 到目前為止，還沒有將椎弓做離體的研究。圖 5-3 是 3
10、種不同加載模式作用於 整體椎弓的實驗。結果顯示大部分斷裂發生在椎弓根。椎弓根的強度與性別 及椎間盤的蛻變與否關係不大，但隨著年齡的增長而減退。 圖 5-3 椎弓的斷裂載荷 關節突 在一個完整的脊柱運動節段加載試驗中，關節突大約承擔 18%的載荷。在脊柱 從後伸到前屈的全過程中，關節突關節承擔的載荷從 33%降到 0。在極度前屈 時，關節突不承擔載荷，但關節囊韌帶受拉。在扭轉試驗中發現，椎間盤、前 後縱韌帶與關節突關節囊、韌帶各承擔 45%的扭轉載荷，余下的 10%則由椎間 韌帶承擔。 （二）椎間盤的生物力學特點 椎間盤在相鄰椎體間起著緩沖墊的作用，在各種不同的載荷下，它產生相應的 變形，來吸收
11、衝擊、穩定脊柱。 受壓特性 椎間盤在受壓的時侯，主要表現為纖維向四周膨出，即使在很高的載荷下，去 除載荷後產生永久變形時，也沒有出現哪一個特殊方向的纖維破裂。在脊柱的 運動節段承受壓縮試驗中，首先發生破壞的是椎體而不是椎間盤。這說明，臨 床上的椎間盤突出不只是由於受壓，更主要的原因是椎間盤內的應力分佈不均 勻。 受拉特性 在脊柱前屈、後伸或側彎活動中，椎間盤的纖維承受軸向張應力。在圍繞脊柱 軸的旋轉活動中也產生與軸線呈 45角的張應力。即使在脊柱受壓時，也有一部 分椎間盤承受張應力，因此可以認為，在所有的不同方向和載荷 條件下，椎間 盤都承受張 應力。對椎間盤的強度測試證明，椎體前後部位的椎間
12、盤強度比兩 側的高。中間的的髓核強度最低。椎間盤的纖維環在不同方向上也表現出不同 的強度，沿纖維走行方向的強度是水準方向強度的 3 倍。了解這一點對脊柱損 傷發病機製的分析，確定合理的治療方法是很有意義的（圖 5-4）。 圖 5-4 椎間盤的各向異性 受彎特性 彎曲及扭轉暴力是椎間盤損傷的主要原因。有人在實踐中發現，脊柱在矢狀、 額狀或其他 垂直平面內彎曲 68 時並不發生椎間盤的損傷，但是去除前後縱 韌帶後椎間盤易發生膨出，前屈時向前膨出，後伸時向後膨出。在脊柱側彎時， 椎間盤向凹側面膨出（圖 5-5）。有人透過造影證實，在脊柱的屈伸活動中，髓 核並不改變其形狀及位置。這一結果可以用來解釋臥
13、平板床或輕度屈曲脊柱作 為治療和預防腰痛的機理。 圖 5-5 彎曲造成的椎間盤突出，前屈和後伸都在凹側膨出，而在凸側椎間盤受 拉。 受扭特性 在脊柱的運動節段軸向受扭的實驗中發現，扭矩與轉角變形之間的關係曲線呈 “”型，明顯地分為 3 個部分，初始部分為 03變形，只要很小的扭矩即可產 生。在中間部分為 312的扭轉，這部分扭矩和轉角之間存在著線性關係。在 最後部分，扭轉 20左右發生斷裂。一般地說，較大的椎間盤能夠承受較大的扭 矩，圓形的椎間盤比橢圓形的承受強度高。 受剪特性 椎間盤的水準剪切強度大約為 260/mm 2。這一數值很有臨床意義，它說明單 純的剪切暴力很少造成纖維環破裂。纖維環
14、的破裂多由於彎曲、扭轉和拉伸的 綜合作用所致。 圖 5-6(A) 椎間盤的潛變特性 鬆弛和潛變現象 椎間盤在承擔載荷時有鬆弛和潛變現象。在三種不同載荷下觀察 70 分鐘的結果 發現，較大的載荷產生較大的變形及較快的潛變率。潛變的特點與椎間盤的蛻 變程度有關，蛻變的椎間盤潛變很慢，經過相當長的時間才能達到最大變形， 顯示出粘彈性性質。蛻變的椎間盤則相反。這表明蛻變的椎間盤吸收衝擊的能 力減退，也不能將衝擊均勻地分佈到軟骨終板（圖 5-6）。 圖 5-6(B) 椎間盤的潛變特性 滯後特性 椎間盤和脊柱的運動節段均屬於粘彈性體，有滯後特性。這是一種架構在循環 加載時伴有能量損失的現象。當一個人跳起或
15、落下時，衝擊能量透過腳，由椎 間盤和椎體以滯後的模式吸收。這可以看做是一種保護機製。滯後與施加的載 荷、年齡及椎間盤所處位置有關。載荷越大滯後越大；年輕人的滯後大，中年 以後的滯後小；下腰部椎間盤比胸腰段及上腰部椎間盤的滯後大。同一椎間盤 在第 2 次加載後的滯後比第 1 次加載時下降，這表明反覆的衝擊載荷對椎間盤 有損害。汽車駕駛員的腰椎間盤脫出發病率高，可能就是由於反覆承受軸向震 動的原因。 疲勞耐受性 椎體的椎間盤的疲勞耐受能力尚不知道，從離體的脊柱運動節段疲勞試驗中可 以看到，施加一個很小的軸向持續載荷，向前反覆屈曲 5，屈曲 200 次時椎間 盤出現破壞跡象，屈曲 1000 次時完全
16、破壞。 椎間盤內壓 無論是離體的還是在體的椎間盤內壓測試都是很困難的，Nachemson 等首先利 用髓核的液態性做為載荷的傳導體，用一個脊柱運動節段來做離體的測試，發 現髓核內壓與軸向加載有直接關係。他們的實驗方法是將一個微型壓力傳感器 裝在一個特製的針尖上，當針刺入髓核後，壓力便透過傳感器反映出來。後來， 他又利用這一方法做了椎體的椎間盤內壓力測試，結果見圖 5-7。 圖 5-7 承載後的間盤內壓力 自動封閉現象 由於椎間盤缺乏直接的血液供應，一旦發生損傷，就需要透過一種特殊的模式 “自動封閉”來修復。在椎間盤的 3 種損傷類型的軸向加載試驗中觀察到，單 純纖維環損傷的標本第 1 次加載的
17、載荷變形曲線與纖維環完整者不同，但加載 2 3 次以後，其載荷變形曲線接近正常情況（圖 5-8）。這種現象在受扭或受 剪時是否存在，在體內是否也存在這種自動封閉現象，還需要進一步研究。 圖 5-8 間盤損傷後的生物力學行為 脊柱韌帶的生物力學特點 脊柱的韌帶有不同的功能，首先，要保證準確的生理運動及固定相鄰椎體的位 置姿勢。其次，限制過度的活動以保護脊髓。最後，在快速高載荷的創傷環境 中保護脊髓。這些不僅需要韌帶限制椎體的位移，而且需要吸收突然施加的大 量能量。 1前縱韌帶和後縱韌帶 前縱韌帶和後縱韌帶是人體內兩條最長的韌帶，對於穩定椎體起著重要的作用。 單純的屈伸活動不能撕裂它們，其力學強度
18、隨著年齡的增長而降低，同時吸收 能量的能力也下降。前縱韌帶的強度是後縱韌帶的兩倍，但兩者的材料性質卻 是相同的。 黃韌帶 黃韌帶主要由彈性纖維構成，可以允許較大範圍的活動而發生永久變形。這一 點有很重要的臨床意義，當脊柱從完全屈曲突然變成完全背伸時，高彈性的黃 韌帶可以減少脊髓的損傷。 韌帶的生物力學機能 前縱韌帶、後縱韌帶和黃韌帶具有相同的生物力學性能，它們的載荷變形曲線 均為非線性，隨著載荷的增加而坡度變陡。韌帶在脊柱的功能活動中起著兩種 相當不同的作用以最小的抵抗及能量的消耗保證脊柱在功能範圍內的一些和 緩運動，而在創傷環境中則為脊髓提供最大的保護。 (四)脊柱周遭肌肉的力學特性 附著在
19、脊柱周遭的肌肉很多，在第二章的應用解剖中已闡述過。這些肌肉是脊 柱運動或保持穩定的動力裝置，所以對其力學特性的認識和了解是探討脊柱生 物力學的關鍵之一。由於其周遭所附著的肌肉很多，在此，我們只對肌肉的一 般力學特性作一介紹。 肌肉的收縮是肢體和關節產生活動的原動力。在運動學中，肌肉的作用與分類 很複雜，有原動肌、主動肌、對抗肌、固定肌、協同肌和中和肌。肌肉可以起 一種作用，也可以起多種作用，這要看情況而定，但有其基本原則； 肌纖維只 能作一件事，即自身產生張力，也就是說肌肉只能拉動物體而不能推展物體。 一根肌纖維或整塊肌肉收縮時，它具有縮短的趨勢，但它不象橡皮筋可以不消 耗能量持續產生力量。
20、1.肌肉收縮的類型 廣義地說，“收縮” 是指在肌肉內部產生張力，它並不一定含有肌肉要發生肉眼 可見的縮短含義。肌肉收縮分為三種類型靜止收縮或等長收縮、向心收縮和 離心收縮。 當肌肉產生的張力不是以克服一定阻力使身體某一部位發生移動，而是肌肉長 度保持不變，這種收縮是“靜止收縮”或“等長收縮” ，是一種靜力性作用。常見於 頸、背、腰部起固定作用的肌肉。當肌肉產生的張力是以克服阻力，致使肌肉 明顯縮短，造成身體一定部位的移動，這種收縮是“向心收縮”。肌肉向心收縮 是將同等的力把它的兩端都拉向中央，然而人的動作是希望運輸和只在肌肉的 一端發生移動，因此需要固定它的另外一端所附著的骨頭。所以，臨床發現
21、處 於固定端的肌腱與骨膜附著處常是損傷點。當一定的阻力克服肌肉張力致使肌 肉實際上被拉長時，稱為離心收縮，即肌肉處於離心收縮中。 2.肌肉緊張與舒張 “舒張”是指肌肉放鬆的過程，也可以指沒有任何收縮的狀態，值得指出的是， 肌纖維本身沒有舒張的“動力”，只是靠彈性和調節回複。肌纖維的回複長度也 受到對抗肌或外界力的影響，如牽引和伸展作用。肌肉常保持輕微的殘餘盈脹 或堅實感稱為肌緊張。肌緊張是肌肉及纖維組織自然充盈的一種功能，也是一 種神經系統應答的刺激功能。用得多的肌肉比用得少的肌肉具有較高的肌緊張 度，兩塊對抗肌中緊張度若不相同，受到它的作用的關節可能偏離正常位置， 這是一種關節微小移位的原因
22、和動力。 3.肌肉的能量供應 ATP 是肌肉收縮能直接應用的唯一的能源物質，因 ATP 能與肌球蛋白頭部的一 個酵性基團結合，然後水解 ATP，將化學能轉換成機械能，使肌肉收縮。 有人將新鮮的肌纖維取下，浸泡於甘油的緩沖水溶液中，在受到甘油處理後， 肌纖維因所有 ATP 都彌散出來而處於僵硬狀態。當有 Ca 和 Mg 存在 情況下加上 ATP，ATP 很快就被肌動球蛋白 ATP 酵水解為 APP，同時肌纖維收 縮，產生肌動力、縮短並做機械功。所以，肌肉的收縮是由肌動蛋白與肌球蛋 白相互作用的結果。 從某種意義上講，ATP 是重要的能量儲備，但肌肉中 ATP 含量並不很多。就青 蛙肌肉而言，只有
23、 3mmol/Kg，僅夠 8 次收縮之用。而一塊活體肌肉顯然不只是 進行 8 次單收縮就完事，那麼在肌肉活動時分解了的 ATP 必然利用其它儲存能 量以迅速補充。最方便的能量儲備就是磷酸肌酸(PCr)，其含量約為 20mmol/Kg，足夠近 100 次肌肉收縮之用。當肌肉持續收縮時，磷酸肌酸的能量 是可被利用的。這種能量儲備最後必須以碳水化合物，以及以顆粒形式儲存在 肌肉中。 4.肌肉運動時氧和血液的供應 肌肉運動時，需氧量增加，而儲藏在肌肉中的氧量是很少的。所以，需要從血 液循環中得到不斷和快速的供應。是什麼原素促使局部循環增加呢?在臨床上可 以觀察到，皮膚按摩後會發紅，說明這部分的血管在力
24、的作用下舒張開放。當 肌肉舒縮運動時，同樣給血管和神經纖維一個力的刺激，這個力可能對肌纖維 間的血管具有“按摩” 作用。力量的作用使血管舒張，同時，舒縮肌肉具有幫浦 的作用。肌肉舒張時，血液充盈，肌肉收縮時，血液被擠出。活動肌肉中血管 的舒張和循環的加快，可使較多的血液流經薄壁的毛細血管，氧很快從這裡透 過而散彌進入肌肉中。活動肌肉的局部血管舒張，則血流的阻力降低，這樣將 使血壓下降，血流減慢。但是，就總體來說，血液循環系統具有這種現象發生 的調節機製，即血管的壓力感受器將此資訊傳遞到大腦，作為應答，中樞發出 訊息傳到心臟以調節心跳頻率，增加每搏輸出量來進行代償。這有助於繼續維 持血液快速地流
25、向活動的肌肉。同樣也相應地增加了肺呼吸的頻率和深度，以 補充血液中的氧量。 5.肌張力的調節 肌張力的調節是很複雜的生物訊息調控過程。由於生物訊息學研究還只處在初 級階段，所以，目前很難作出正確的解釋。但已知道主要是由肌梭及運動神經 元來進行的。因為，肌梭是骨骼肌中的重要感受裝置，可傳導肌肉張力的訊息， 透過運動神經元的興奮，可對肌肉活動進行精細調節，以達到調整姿勢和反射 的目的。 具體地說，肌梭存在於所有隨意的肌纖維中間，呈長梭形，長 56mm。每一 肌梭由 410 根梭內肌纖維組成，外包結締組織囊。梭內肌中部膨大，有許多 核，稱核袋。核袋無膠原纖維組織，因此無收縮力。而梭內肌纖維兩端有收縮
26、 作用，兩端延伸變細，伸出囊外，抵於梭外肌纖維的肌內膜。肌梭的感覺纖維 纏於梭內肌纖維的中部，可感受牽張刺激。在脊髓中，運動神經元在發自腦的 下意識中樞及意志中樞的幾條傳出纖維綜合控制之下，透過脊髓前柱細胞的纖 維管理肌梭的運動。如當敲打肌腱時，肌肉可突然伸長 10u 左右，感覺纖維 傳入脊髓，興奮神經元，引起梭外肌纖維的收縮，產生牽張反射。此時，梭內 肌收縮，向兩極方向牽拉，張力集中在核袋上，感覺神經受到刺激，衝動又傳 向脊髓，興奮神經元，梭外肌纖維產生運動調節。 總之，運動系統給予肌梭以較大敏銳性。梭外肌纖維的運動長度又被運動系統 所控制。系統發放頻率的大小決定著肌肉收縮的速度和強度。發放
27、頻率越大， 肌肉收縮越迅速激烈。有中樞神經系統損傷的動物，所有肌肉都表現為肌緊張。 例如去大腦僵直以及由於同樣原因引起的巴金森氏病患的運動能力喪失。人伏 案工作，有時可持續長達數小時而保持姿勢不變，這時肌肉要消耗較多的能量。 長時間的緊張性收縮可維持姿勢不變。肌肉這種持久的靜力性收縮(如維持固定 姿勢) 較間歇式收縮更容易產生殘餘張力( 肌緊張)。 三、脊柱的力學功能 1.脊柱的生理彎曲及功能 成人整個脊柱從前後看是正直的、對稱的，個別人有輕度的向右側彎，這 可能是由於主動脈的位置或右手活動較多所致。從側面看呈“”型，有個 生理彎曲，頸曲向前凸，胸曲向後凸，腰曲向前凸， 曲向後凸（見圖 45）
28、。 這些彎曲是為適應人體直立行走姿勢在生長髮育過程中逐步形成的。初生 嬰兒的頸部稍凸向後方。隨著年齡的增長，在幼兒會抬頭和坐起運動後，頸前 凸才逐步明顯，胸博後凸也顯得明顯，等學會站立行走後即形成腰部前凸。 頸 前凸的頂點在第 4、5 頸椎。胸後凸是胎兒的原始彎曲，隨嬰兒坐起與站立而變 得更加明顯；同時，其彎曲與胸椎椎體後方較高有關。胸椎後凸是站立與平衡 所必需的。腰前凸隨嬰兒坐起而出現，站立行走後更加明顯；同時，其彎曲與 腰椎椎體及其椎間盤前高後低有關。 後凸是在胎兒時就形成的彎曲，因此，頸 前凸、腰前凸是繼發性彎曲。若有上牽拉力或下牽拉力作用於脊椎，頸彎曲及 腰彎曲是可變的。可見，脊柱的這
29、些正常的生理彎曲度增加了脊柱承載的適應 性及吸收衝擊的能力，同時，也有利於維持椎間關節的強度及穩定性。 圖 5-9 人體倒三角形力學架構 脊柱的生理彎曲還構成了人體曲線美。一旦此種生理彎曲改變，即便是其中 的一小段，也必然使這種完美的人體型式遭到破壞，並同時影響到人體的生理 功能，包括步態及姿勢等。如老年人的椎間盤脫水及退行性改變，使其脊柱的 頸前凸及腰前凸逐漸消失，而使胸後凸逐漸加重，即形成老年性駝背。 2.脊柱的負載能力 脊柱的載荷能力主要是透過人體的 3 個倒三角完成的，即 (1)上三角指以頭頂水準切線為底邊，透過頭顱兩側形成夾角，致使頭頸 部的負荷（自身重量及各種運動等的負荷等）集中於
30、下頸段，形成一倒三角形 的力學架構。在一般情況下以 C、 所受的壓應力最大（圖 5-9）。 (2)下三角指以雙側髂 水準線為底邊，並透過骨盆及髖部兩側將頭頸、軀 幹及盆腔的負荷沿身體中部使力量向下傳遞的倒三角形力學架構。 (3)中三角是以雙側肩峰為底邊，沿胸椎兩側將頭、頸、軀幹之負荷集中 於腰 椎的倒三角形力學架構。 以上 3 個倒三角形，從所承受負荷 力強度來看，當然以下三角為最大。但 實際上，由於此種作用力透過腰 部，以雙下肢所分別承受的分力形式而將其分 散，以至下肢諸 骨關節架構平均所承受的負荷不僅相對減少，而且為多關節所 承擔，而上三角與中三角由於其負荷力集中到脊柱上某一椎節，因此從單
31、一骨 關節來講，較下三角明顯為大。臨床上顯示 C56 和 L5S 1 最早出現退變即證實 這一點，尤其是腰 更為明顯。 脊柱骨由上到下逐漸變大，承受的壓力也從第 1 頸椎到第 5 腰椎逐漸增大。 40 歲以下的人，椎體內骨松質擔負 50%的壓力；40 歲以上的人，骨松質支撐力 逐漸減小，僅可擔負 35%的壓力，但 60 歲以後其支撐力減小的速度變得慢一些。 當脊椎骨質疏松，橫的骨小梁已被吸收，負擔壓力的能力變小，就是在沒有外 傷的情況下，也可發生多個椎體壓縮骨折，這是由其上面的重力和肌肉收縮所 致。有的實驗性脊椎壓縮骨折，折骨愈合後其骨松質的支撐力反而加大，這與 其骨小梁增生及骨化有關。 在直
32、接壓力下，脊柱小關節承擔的壓力為 33%；在脊柱旋轉時，它承擔 45%的 壓力。 圖 5-10 椎骨間連結示意圖 脊椎間韌帶包括前縱韌帶、後縱韌帶、棘突間韌帶和黃韌帶等，它們與椎 間盤組成脊柱的內在力學平衡系統（圖 5-10）。在休克或喪失知覺的病患，其 肌肉無力，即失去外在力平 衡；因此，搬動此類病患時，容易損傷其韌帶乃至使韌帶斷裂。骨韌帶骨 的組織，在受到外力的緩慢作用時，產生撕脫性骨折；若受到外力的快速作用 時，即產生韌帶斷裂。 肋骨有穩定和加強脊柱的作用，故胸椎間盤突出症比 頸椎間盤突出症或腰 椎間盤突出症少。 脊柱區的肌肉是脊柱活動的原動力。脊柱活動有四個軸心 額狀面軸線 （Fron
33、tal）形成脊柱的前彎和後伸； 矢狀面軸線是左右側彎的軸心； 水準面 軸線是脊椎上下活動的軸心； 垂直軸線是旋轉運動的軸心。脊柱前方的肌肉收 縮，如腹肌、髂腰肌等收縮時，使脊柱前屈，若腹內外斜肌同時收縮，就會使 脊柱向收縮側旋轉。因此，脊柱的活動不只是以一個軸線為中心，而是以多個 軸線為中心的複雜運動。 脊髓位於脊柱椎管內，它本身很柔軟，能對抗小的外壓力；在無牽拉情況 下，它可收縮，如手風琴一樣。以頸椎為例，頸後伸則椎管長度變短，脊髓隨 之收縮變短；反之，頸前屈，椎管變長，脊髓也隨之伸長。正常人屈伸頸部而 無任何不適，若患有頸椎病，有椎間盤突出及骨刺形成時，頸前屈時椎管變長， 其前後徑變得更窄
34、，突出物擠壓脊髓則使其症狀加重；若同時有黃韌帶肥濃， 頸稍後伸，黃韌帶即發生摺疊，從後方使椎管更加狹窄，也引起症狀。因此， 一般情況下頸椎病患者常看不完一場電影就主動要離開坐位去休息。 一般認為正常人坐位時椎間盤（第 34 腰椎間盤）內壓力較高，站立位 時可減少 30%，側臥位時減少 50%，仰臥硬床減少 8090%。由於椎間盤纖維 環的排列，髓核的壓力比整個椎間盤的壓力大 50%，外面纖維的壓力比整個椎 間盤的壓力小一半。當椎間盤受壓向四周膨脹時，纖維環張力增大；如後側方 後縱韌帶不完整，則腰椎間盤的形狀可使其後側方所受壓力比椎間盤高 1.55 倍。故腰椎間盤突出以後側方突出為多見。輕度退行
35、性改變的椎間盤，其中心 仍為液體，但測量出的壓力比正常的低 30%。當椎間盤繼續退變和失水，則更 不能承擔壓力，可是當腰背後伸時，一部分壓力可移到小關節上去。 3.脊柱的運動功能 脊柱有前屈、後伸、左右側屈及左右旋轉的三度空間運動功能。在脊柱運 動時，椎間盤的髓核成為杠杆作用的支點。由於生理彎曲存在，胸椎椎間盤髓 核在中央, 而頸及腰椎髓核偏後，其髓核前方的纖維環比後側強而濃,前縱韌帶亦 較後縱韌帶強而有力。當仰頭、伸腰時，椎間盤後方受到擠壓，髓核向前移動； 反之，低頭彎腰時，髓核向後推擠。如用力過度，後縱韌帶和後方纖維環薄弱 處易發生損傷破裂而發生髓核突出，尤其在椎間盤已有退變的基礎上更易發
36、生 突出。由於脊椎各段的後關節面排列方向不同，其旋轉軸亦各異。後關節面頸 椎近似水準面，胸椎呈冠狀面，而腰椎呈矢狀面。同時，由於各段椎間盤中髓 核位置不同，在脊柱運動時，頸部和腰部旋轉的軸心位於椎管後部與椎板聯合 處，胸博的旋轉軸心在椎間盤中心。 整條脊柱中以頸、腰段活動度為大，故較易受傷。胸椎因有肋骨、胸廓的 支援保護，受傷機會相對較少，但人們用雙臂勞動，肩胛區軟組織勞損則相對 較多。當老年頸、胸椎椎間盤退變而引起椎間失穩時，肩胛區軟組織慢性勞損 則加劇。下頸、上胸段脊椎失穩而易發生脊椎關節微小移位，繼而引起五內功 能障礙。頸椎處於較重的頭顱與活動較少的胸椎之間，活動度大且又要保持頭 部的平
37、衡，故易勞損，尤以下位頸椎為多見。腰椎亦處於較穩固的胸廓與骨盆 之間，為人體之中點，在運動中受應力最大，並在脊柱形似寶塔的形狀中處於 基底部位，承受重力最大，故亦易損害。其發病率亦以下腰椎為多見，因腰椎 作屈伸運動時，其運動範圍約 75%發生在第 5 間隙；20%發生在第 4 間隙；只 有 5%發生在 13 間隙。由此可見各段脊柱在傳遞重力及旋轉運動中，由於各 段後關節方向不同，當用力過度或用力不當，較易損傷交界處脊椎。如臨床常 見的環枕關節錯位引起頭暈、頭痛；頸胸交界處錯位引起頸肩綜合征；胸腰交 界處錯位出現腸功能紊亂等。 4.脊柱的保護功能 脊柱韌帶的張力與椎間盤內壓力保持脊柱的內在平衡；
38、各組肌肉保持其外 在的平衡。若內在平衡失調（如某一組韌帶斷裂或椎間盤破裂），軀幹和脊柱 各組肌力堅強，尚可保持人的正常工作和生活。當外在的某組肌肉的肌力減退， 則出現局部（腰或上背）疼痛。反之，如妊娠腹肌力弱，脊柱處在異常位置， 雖內在平衡良好，但韌帶在異常張力下也會出現勞損而致腰背痛。故保持內外 兩個平衡系統的正常生理狀態，不過度亂用肌力和在非生理性位置上長期工作， 則可減少腰背疼痛的發生。脊柱與骨盆接合處成 4560 角,脊柱承擔的重力可 經骨盆而傳到雙下肢，如此可減輕脊髓的震盪。 脊柱各椎體的椎孔相連形成椎管，各椎體之間還形成椎間孔，從而可以保護脊 髓和神經根免遭外力損害。另外，脊柱還參
39、與形成顱腔、胸腔、腹腔和盆腔， 並支援和保護這些腔內的腔器。 脊柱的運動是指脊柱的活動幅度和運動功能。脊柱的運動以神經訊息為調 控，透過肌肉的發動、收縮及運動脊椎來完成。與運動肌相對抗的是拮抗肌， 它給起動肌以約束或控制，協調運動肌準確地完成各種動作。 脊柱的不同部位（頸段、胸段、腰段）有著不同的活動幅度。脊柱還因關 節突關節有四個軸線的活動（即水準軸線的上下擠壓或分離，橫軸線的前屈後 伸，矢狀軸線的矢狀側彎和垂直軸線的旋轉運動）而有不同的活動定向。兩個 脊椎之間的活動範圍是很有限的，幾乎沒有獨立行動，脊柱的每一個動作常常 要由幾個節段聯合起來完成。作為整個脊柱合起來的運動範圍和幅度則很大。
40、對於脊柱運動生物力學的了解，有助於脊柱臨床問題的分析，有助於線 的評價有助於對各種整脊方法的理解和運用。 一、脊柱的運動形式 脊柱可沿冠狀軸作屈伸運動，沿矢狀軸作側屈運動，沿縱軸作迴旋運動， 也可作混合上述三種運動的環轉運動。 1.屈、伸運動 屈、伸運動是椎骨透過椎間盤沿冠狀軸的轉動，其屈曲的程度最大。當脊 柱屈曲時，前縱韌帶鬆弛，椎間盤前部受擠壓，髓核後移，纖維環後部受牽拉。 運動到極限時，後縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和棘上韌帶，均處於極度緊張狀 態。同時上位椎骨的下關節突也滑至下位椎骨上關節突上部，關節面錯開，關 節囊緊張，椎板間隙增大。一般認為，除前縱韌帶和橫突間韌帶外，其餘韌帶 均有限制
41、脊柱過度前屈的作用。背部的伸肌也是制止過度前屈的主要原素。 當 脊柱後伸時，上位椎體向後傾，椎間盤纖維環後部受壓，前部受牽拉，髓核向 前移動，前縱韌帶緊張，後縱韌帶鬆弛，上、下關節突關節面對合，脊椎棘突 後傾，甚至相鄰兩棘突相抵而受限。後伸運動中，頸、腰段比較自如，胸段由 於胸廓骨骼的影響而受限。 側屈運動 側屈運動時椎骨沿矢狀軸旋轉，向側彎方向傾斜，椎間盤在側屈的一側受 壓，對側受牽拉，髓核向對側移動；橫突間韌帶在側屈的一側鬆弛，對側緊張； 上位椎骨的下關節突在屈側的向下，在對側的上升，對側的關節囊緊張。關節 囊及韌帶的緊張，有限制側屈的作用，對側的拮抗肌也有限制側屈的作用。側 屈運動在頸部
42、和腰部較靈活。 旋轉運動 脊柱的旋轉運動是圍繞縱軸展開的。由於各段椎骨關節突的方向不同，縱 軸的位置也不同。頸、胸段的關節突的關節面近於額狀位，其旋轉縱軸近於椎 間盤的中心；在腰椎關節突呈矢狀位，其縱軸在椎間盤後方。由於各段椎骨關 節突的水準角不一，旋轉運動在頸椎最大，上胸段尚有活動，腰段最小。 4.環轉運動 環轉運動是上述三種運動的連貫動作。 2.脊柱的侧弯运动特点 脊柱的侧弯运动主要是颈椎与腰椎的活动，尤其是腰椎，临床提出讨论最 多的也是腰椎与颈椎的侧弯运动(图 5-17)。 胸椎关节突的定向形态是有利于侧弯运动的，但这种运动要受胸廓的限制。 腰椎的椎间关节在活动时不象胸段那样易于侧弯。
43、脊柱两旁的骶棘肌，无论是从横突到脊椎，还是从脊椎到横突，都在脊柱 侧弯时参与活动。腰肌也参与侧弯活动，但侧弯开始时为同侧肌肉的收缩，同 时受到对侧肌肉收缩的制约。 腰段脊柱作侧弯活动时的幅度，上段大于下 段（图 5-18）。幅度还随年龄的增加而减少（表 5-2）。 图 5-17 脊柱的侧弯 图 5-18 腰段脊柱侧弯活动时的幅度 表 5-2 腰段脊柱侧弯活动时的幅度随年龄增加而减少 213 岁 3549 岁 5064 岁 6577 岁 腰 12 12 5 6 4 腰 23 12 8 7 7 腰 34 16 8 8 6 腰 45 15 8 7 5 腰 5 骶 17 2 1 0 颈段脊柱的侧弯活动
44、可达 45。第颈椎两横突的连线与两乳突的连线在 颈椎侧弯时所呈夹角达 8（图 5-19）从正位可观察到双侧钩椎关节于侧弯时 的平角相同（图 5-20）。 图 5-19 颈椎的侧弯 图 5-20 颈椎侧弯时双侧钩椎关节夹角相同 3.脊柱的旋轉運動特點 脊柱的旋轉運動常在側彎時同時出現，故脊柱的側彎和旋轉是“聯合動作” 。旋轉運動的特點有 胸段旋轉時，椎體一般旋向脊椎側彎的凹側； 腰段旋 轉時，椎體可旋向脊椎的凸側。 側彎和旋轉的聯合動作，在線片上可明顯看到棘突的連線偏向側彎側， 棘突與椎體外緣的對稱性也不再存在。這種自動旋轉由椎間盤的壓力和韌帶的 牽製所形成。如（圖 5-21）。 頸椎側彎時也同
45、樣伴有旋轉動作（圖 5-22）。 旋轉的形成主要因關節突的定向作用所致。脊柱旋轉時，兩側的頸肌、背 肌與腹肌均參與活動，相互協調。 腰椎上關節突的關節面是向後向內的，關節 面不是平面的，而是呈凹形的，並與橫斷面相垂直。兩關節面所圍的圓，其圓 心位於棘突的基底(圖 5-23)。 還可觀察到，上一腰椎的圓心常常比下一腰椎的圓心更靠近關節突，也就 是說，其半徑在上腰段要小於下腰段。 另外，上一脊椎的下關節突總是被下一脊椎的小關節突所包圍和“限制”， 這一特點也決定了在旋轉時又常常是上一脊椎帶動下一脊椎，即上一脊椎的關 節旋轉到某一角度時才帶動下一脊椎。 臨床對脊柱側彎時的自動旋轉是不易檢查和測定的，
46、但要考慮到這一特點。 在較大範圍進行脊柱融合手術時，尤其要注意這一點。 Greggerson 和 Lucas 曾研究報道，腰椎的旋轉最小，僅 5；胸椎則較多， 可達到 35；頸椎的旋轉最大，可達到 40以上，累加起來，脊柱的旋轉度可 達 90（圖 5-24）。 圖 5-21 腰段脊柱的側彎，可以同時使脊柱自動旋轉，並以上腰段尤為明顯。 圖 5-22 頸椎側彎時，伴有旋轉動作。 圖 5-23 上一脊椎的椎板顯然被下一脊椎的小關節突所包圍，但卻帶動著下一 脊柱的轉動。 圖 5-24 脊柱各段的軸旋轉及疊加數 軀幹的功能性運動除了脊椎各部分的聯合運動，還應把骨盆的協調運動充分 考慮在內，這種協調或牽
47、製是有臨床意義的。當某一處解剖功能受到限制時， 必將增加另一處的功能活動。例如臨床常用的支架限制胸段或腰段的活動時， 必將增加腰 部的活動。 三、脊柱的運動學 運動學研究物體的運動，而不涉及力量和質量。脊柱的運動學特徵取決於 其關節表面的幾何形狀和關節間軟組織的力學性能。相鄰的兩個脊椎骨及其間 的軟組織構成一個能顯示脊柱生物力學特性的最小功能單位，稱為活動節段。 脊柱的運動學研究所獲得的參數，大多數是以活動節段為基礎的。脊柱的架構 複雜，可在空間進行三維運動，描述某一椎體在三維坐標系的位置共需 3 個平 移參數和 3 個轉角參數。但在二 維空間內確定椎體的運動情況只需 3 個參數。 例如在一張
48、線片上測量椎體屈伸運動情況有兩種方法描述，一是測量椎體上 某一點的平面坐標值的移動量和椎體屈伸運動角度；二是用椎體旋轉中心的位 移量和旋轉量來確定椎體的運動（圖 5-25）。椎體在平面運動的每一瞬間均有 一旋轉中心，數個連結的瞬間旋轉中心構成瞬時軌跡。正常情況下該軌跡柔順 且有一定規律，並局限在一定範圍內，病理情況下則雜亂而不規則(包括範圍擴 大、軌跡延長等)。對脊柱活動的瞬間軌跡進行測量分析，具有一定的臨床意義。 圖 5-25 兩種描述椎體平面運動的方法，每種方法均需 3 個獨立的參數。 脊柱運動的另一特點是具有共軛現象。共軛現象是指同時發生在同一軸上 的平移和旋轉活動，或指在一個軸上旋轉或
49、平移時伴有另一軸的旋轉或平移運 動。例如脊柱的側屈必然伴有脊柱的旋轉。正常情況下脊柱在各方向上的運動 均有其固定的共軛運動。病理情況下，共軛運動的模式和運動量均可能發生改 變。 對脊柱運動已進行了大量研究，但由於個體間的差異很大，加之測量技術 的限制，不同作者對脊柱運動的認識和所提供的數據存在很大分歧。實際上對 脊柱各節段的運動度量目前仍無一個公認的正常值。判定測量結果的意義時應 與上下節段的測量結果對比，以減少判斷錯誤。此外，男女之間的活動幅度是 不同的，而且與年齡密切相關。老年人的活動幅度可較青年人減少約 50%。另 一方面，雖然節段間運動的測量數據有較大差異，但其變化趨勢卻近乎一致。 圖 5-26 反映了這一情況。下面將脊柱分為幾個區段分別就其運動範圍、共軛特 徵和瞬間旋轉軸進行敘述。 圖 5-26 脊柱
