腰大肌拉伸与脊柱伸展应力关系的生物力学研究
平伸牵引床治疗腰椎间盘突出症的生物力学原理
腰椎间盘突出症是腰部疾病，可以引起腰痛、驼背和肌肉痉挛，需要对腰椎进行治疗。
伸牵引床是治疗腰椎间盘突出症的有效方法，它采用牵引装置和床面，实现形位改善，缓解病情。
其生物力学原理主要包括重力牵引法和弹性牵引法。
重力牵引法是以重力作用缓解病情。
当病人躺在伸牵治疗床上，他/她的体重就会沉重地拉扯它。
原本压迫管脊神经根部的间盘突出组织，被重力拉伸，从而让间盘突出缓解。
弹性牵引法则是利用弹力牵引机构的拉力来改善体位，帮助完成腰椎的牵引，减轻病人椎间盘的压力。
另外，这种牵引机构也可以同时完成反复动作，如颈椎、胸段腰段牵引，以及抑制腰椎的往复运动，从而使腰椎病变改善，病情得到进一步缓解。
腰椎间盘突出症的伸牵引床治疗综合利用重力牵引和弹性牵引，使腰椎间盘压迫的组织受到松弛，出现位置变化，促进腰椎间盘的恢复，缓解症状，达到治疗腰椎间盘突出症的目的。
因此，伸牵引床治疗腰椎间盘突出症的生物力学原理是利用重力牵引和弹性牵引，使腰椎在合理的形位变化中回归到自身的良性状态，从而达到治疗腰椎间盘突出症的目的。
下腰痛的生物力学特点及康复
下腰痛的生物力学特点及康复发表时间：2019-08-22T15:16:42.640Z 来源：《基础教育课程》2019年8月16期作者：李衍昊[导读] 腰腹肌的稳定性对于下腰痛预后有着重要的作用。
李衍昊（天津体育学院天津 300381）摘要：下腰痛为临床常见病, 尽管其病因复杂, 但生物力学的改变始终是一重要原因, 下腰椎及其周围组织的生物力学改变无可避免地导致组织病理、生化、解剖等方面的问题, 并互为因果,导致下腰痛迁延难愈和反复发作。
椎间盘力学特性的改变、椎间盘退变以及椎间盘的突出等与下腰痛的发生直接相关;脊柱运动环节中小关节突生物力学特点的改变, 后关节紊乱及由此而引起的不稳定因素对于下腰痛的发生发展, 以及预后都有着重要的影响, 此外, 腰腹肌的稳定性对于下腰痛预后有着重要的作用。
关键词：下腰痛；小关节；后关节紊乱；椎间盘突出中图分类号：G626.5 文献标识码：A 文章编号：ISSN1672-6715 （2019）08-188-011.腰椎间盘生物力学特点及其与疼痛的关系1.1椎间盘力学特性的改变椎间盘维持着中轴骨髂的正常功能, 通过相邻的椎体来稳定脊柱并维持其排列。
椎间盘允许椎骨间相互运动, 从而使脊柱具有柔韧性, 同时还可以吸收分布到脊柱上的纵向载荷和能量, 其结构决定了它具有这多种功能[1]。
1.2椎间盘退变与疼痛一些资料提示椎间盘退变引起腰痛可能有以下三种机制:(1)椎间盘结构和生物力学特性的改变,使神经末梢敏感的介质的释放和神经血管向退变椎间盘内生长;(2)椎间盘结构和生物力学特性的变化引发了椎体、椎间关节、脊柱韧带及肌肉的受力和排列的改变;(3)椎间盘对所承受的负荷进行吸收和分散的能力降低。
这些改变可以导致对骨髂、脊柱韧带、关节囊和肌肉的神经末梢刺激性增加。
由于改变脊柱的生物力学功能和椎间关节的排列, 椎间盘退变的远期结果可引发或/和加速椎间关节骨关节炎的进程。
1.3椎间盘突出与疼痛临床研究表明椎间盘突出和疼痛的关系非常复杂。
下腰痛与腰背肌肌力研究综述
重； 且患者的屈 、 肌向心 ／ 伸 离心峰力矩 比值 （ ／） ＣＥ均减小 。 由此可见， 下腰痛 的生物力学改变是 明显 的。 积极主动的康复措施 能加 强下腰 痛患者躯 干肌 肉的力量及稳定性 ； 改善关节活 动范围 ； 使患 者习得 最佳 姿势 ， 从而促进脊柱各 系统 的稳定完善 。 由于腰背伸展时的 椎间关节运 动方向相 反于 日常生活 中所做 的腰前屈 活动方 向 ，这就避 免了腰 前屈运 动所造 成的背伸肌及腰部韧带 的牵张性 劳损 ；腰背伸展 运动 以及腰 背伸肌锻炼 能减轻椎间盘 内的压力 、减少椎 间盘的进 一步 损伤 ； 另外 ， 背运动促进肌 肉力 量的加强 ， 腰 改善 了腰背部 的血 液循环 ， 使腰 背部积 累的炎性致痛 物质能够较快 的清除 ，同时抵抗力 的增 强可 以减少 肌筋膜炎症 的扩散 ， 从而有效缓解疼痛 。 通过 阅读 大量 的文献 得出腰 背肌肌力的下 降与下腰痛症状互 为因 果， 形成恶性循环 。我们 对下 腰痛的治疗不仅仅在于解 除症状 、 除病 去 因、 控制病情 ， 更重要 的是使 患者最大可能恢复 。因此我们对 下腰 痛患 者 除临床对 因治疗外 ， 还在疼 痛缓解 后重视腰伸肌 的肌力练 习 ， 强腰 增 椎 的稳定性 和活动能力 ， 改善腰痛症状 。 以下腰痛最重要的康复手段 所 应该是积极 而主动 的腰肌功能训练 。 对于下腰痛的预防 ， 不同性别 的要 求是不 同的， 男性一般在 日常生活和工作 中腰部 的活动量较大 ， 因此应 加强腰部肌 肉的锻炼 ， 大体力 劳动过后还应注意腰部肌 肉的放松 ； 而对 于女性 ， 由于其生理特点 除加 强腰背肌锻炼外 ， 还应注意各种妇科疾病 的预 防和治疗 。 另外 ， 在生理周期 、 怀孕 、 产后除加强营养外还要注意保 暖。 下腰痛与腰背肌肌力 的关系我们 已有一定的 了解 ， 但对于不同病 因 所致 的下腰痛患者腰屈伸 肌肌力的变化特点是否一致 ，还有待 于进 一 步研 究 。
脊柱生物力学研究进展
脊柱生物力学研究进展庞清江; 施泽文【期刊名称】《《现代实用医学》》【年(卷),期】2019(031)010【总页数】3页(P1289-1291)【作者】庞清江; 施泽文【作者单位】315010宁波中国科学院大学宁波华美医院; 宁波大学医学院【正文语种】中文【中图分类】R318.01近年来，脊柱急慢性损伤逐年增加，并呈现明显的年轻化趋势。
而脊柱相关疾病非手术治疗一般只能缓解症状，不能解决根本问题，但病程后期大多需要手术治疗。
无论是微创还是传统开放手术，都会损伤相关组织，而这些损伤会改变正常结构的生物力学性能，最常见的是应力遮挡导致相邻节段负荷增加，加速了邻近节段的退变，最终引发一系列临床症状。
脊柱生物力学涉及范围非常广泛，了解其特性有助于理解相关疾病的病理机制。
本文结合国内外最新研究进展，对脊柱结构、内植物及微创手术等方面的生物力学特性及相关研究热点进行探讨。
1 脊柱解剖相关生物力学脊柱结构复杂，其主要力学功能是承担并传递压缩、弯曲和扭转的综合载荷。
轴向应力方面，中立站立位时前柱和中后柱分别承担 80%和20%的载荷，且在前屈时前柱应力增加，后伸时中后柱应力增加。
而正常行走时，前柱承受载荷将增大到体质量的1～1.5倍。
椎体的强度随着年龄的增长而下降，尤其是女性，绝经后激素改变导致骨小梁连接不良。
同时椎体皮质小梁间室的强度下降女性大于男性，导致女性的椎体强度下降速度是男性的两倍，且女性脊柱承受的应力和载荷均高于男性，这也解释了为何女性更容易发生椎体骨折。
至于老年性骨折也是由于椎体皮质中骨小梁发生吸收、间隙增大，最终导致骨质疏松继而引发骨折。
椎间盘主要承受拉伸、压缩及剪切的联合载荷。
正常站立情况下椎间盘前部承受的载荷较后部高，前部的纤维环承受载荷高于处于椎间盘中部的髓核，从而在力学结构上形成前部纤维环对髓核和后部纤维环的挤压作用，这与椎间盘的退行性变密切相关。
另一方面，随着年龄增长，椎间盘水分含量降低导致作用于椎间盘对载荷缓冲、分散和转移能力降低，必然加速其退变。
(骨生物力学课件)不同坐姿下腰部负荷的生物力学研究
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不同坐姿下腰部负荷的生物力学研究
THANK YOU
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放松伏案坐位(S5)
挺直伏案坐位(S6)
4
1.3 分析方法
【坐姿受力分析】
研究对象及方法
5
1.3 分析方法
研究对象及方法
6
研究结果及分析
同一腰椎节段各姿势重力矩之间均存在统计学差异
S3重力矩是S1的2.0-2.4倍 S4重力矩是S1的1.9-2.2倍
S5重力矩是S1的3.2-3.5倍 S6重力矩是S1的3.4-4.3倍
3
1.2 研究姿势选择
研究对象及方法
以放松站立位(S1) 、 挺直站立位(S2) 为参考， 放松坐位(S3)、挺直坐 位(S4)、放松伏案坐位 (S5)、挺直伏案坐位(S6)
放松坐位(S3)
挺直坐位(S4)
在桌面放一测力台,正 侧面放摄像机。测试S1、 S2、S3、S4、S5、S6 六种不同姿势下的影像 及对桌面的压力
G
S3重力矩是S4的1.2-2.0倍
7
研究结果及分析
6种不同姿势之间肌力矩除S5 和S6 的腰4、腰5 节段外,同一腰椎节段各姿势之间 差异均具有统计学意义( P < 0. 05)
S3的肌力矩是S1的1.8-2.2倍
Байду номын сангаас
S5的肌力矩是S1的7.5-8.9倍
S4的肌力矩是S1的1.7-2.2倍
S6的肌力矩是S1的8.4-9.9倍
(骨生物力学课件)不同坐姿下腰部负 荷的生物力学研究
1 研究对象及方法 2 研究结果及分析 3 坐姿的相关建议
目录
2
1.1 研究对象
关节软骨、脊柱、腰椎的生物力学性能
关节软骨、脊柱、腰椎的生物力学性能软骨就像一块吸满水的多孔海绵物质，所以它的生物力学性能是固体基质和其渗透性的性能。
（一）渗透性液体通过关节软骨的多孔介质有两个重要的机械性现象：①施加压力阶段时，即软骨顶部的压力大于低部的压力，液体可被压进多孔的固体基质。
②另一方面，如果把坚实的多孔块放在液体饱和标本之上再加压，液体也会流动，这种流动是由挤压形变所引起的，这类形变将减少蛋白多糖大分子溶剂范围，反过来增加局部压力。
这样就使液体自组织内渗出。
在正常关节内，此两种功能同时发生于关节软骨。
（二）蠕动反应粘弹性物质在承受压力时，可出现蠕动反应(creep response)。
恒定负荷即时加于软骨上，并保持整个实验时间，则挤压形变将持续增加，软骨发生“蠕动”，直至渗出停止，固体基质完全承担负荷，也即是挤压应变与应力达到平衡，这就是固体基质的内在模量。
关节软骨对液流的抗力是很大的，即它的渗透性较低。
所以，液体的流动取决于负荷的速度和保持的时间，负荷迅速，移除也快，没有时间将液体挤出；软骨表现为弹性物质，负荷时发生变形，当负荷解除后，形态立即恢复。
如果负荷逐步增加而衡定，例如持久站立，软骨的变形将逐步增加，液体也被挤出；当负荷解除时，只要有足够的时间和足够的液体，软骨可恢复原来的形态。
前者称为弹性物性，或不依赖时间的因素；后者称为黏弹性物性，或依赖时间的因素。
至于抗张强度，离关节面越远，抗张强度越小，这表明表层有丰富和稠密的胶原。
好似一组富有韧性和抗磨损的组织，保护整个关节软骨，不被蠕动所损伤。
人体脊柱生物力学脊柱是一复杂的结构，其主要功能是保护脊髓并将载荷从头、躯干传递到骨盆。
２４块椎体互相形成关节，可在三个平面上运动。
脊柱的稳定由内源性和外源性提供，韧带和椎间盘提供内源性稳定，而叽肉则赋予外源性支持。
脊柱的功能单位指最小活动节段，包括两个椎体及其间的软组织。
椎体主要承受压缩载荷，椎间盘在力学和功能上都具有极其重要的作用。
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腰大肌拉伸与脊柱伸展应力关系的生物力学研究 ——动物实验报告 韦以宗1 高腾1 谢冰2 谭树生3 周学龙2 韦云锋1 （1、北京以宗整脊医学研究中心 102200；2、广西中医学院 530001；3、广西民族医院 530001） 摘要：目的：探讨腰大肌拉伸带动脊柱伸展应力的生物力学关系。背景资料：脊柱三维结构之六大自由度是刚体运动，未包括肌肉动力作用的纵轴伸缩运动。人类椎曲形成于二足支撑诱导的应力功能性适应，未知主要源自何肌力。颈腰痛导致脊柱所致力学改变问题远未解决。方法：取家兔12只，分3组，每组4只，解剖后保留枢椎以下完整之脊柱及骨盆、髋关节、股骨，不损伤脊柱前纵韧带及所附着之腰大肌、以及附着于脊柱背侧的肌肉韧带。置于生物力学拉伸测试仪（日本岛津制作所产AGS-J系列）上端十字头分别夹枢椎（颈胸腰段）。第1胸椎（胸腰段）和第12胸椎（腰段）下端十字头夹股骨上部，分别作有腰大肌状态下和切断腰大肌状态下，股髋自屈曲位到过伸带动脊柱自屈曲位到过伸位拉伸试验，测定两种不同状态下脊柱各节段的伸展应力（N/㎜2）。结果：有腰大肌状态和切断腰大肌状态下，股一髋一脊柱拉伸后脊柱伸展应力分别为：颈胸腰全段平均为306.6675 N/㎜2：78.7167 N/㎜2；胸腰段为680.8417 N/㎜2：373.0375 N/㎜2；腰段为1990.7944 N/㎜2：523.0608 N/㎜2；经统计学分析，具显著性差异，P<0.01。结论：腰大肌拉伸对脊柱伸展应力影响显著，是脊柱伸展运动主要作用力，颈胸腰段占75%、胸腰段占45%，腰段占74%的伸展应力源自腰大肌。脊柱运动在腰大肌作用下产生纵轴伸缩活动度；二足步态在腰大肌拉伸脊柱伸展—过伸动态下形成颈、腰曲；牵引下肢、过伸悬吊腰椎可解决因病所致脊柱力学紊乱临床问题。 关键词：腰大肌 拉伸 脊柱伸展应力 生物力学 运动力学 颈曲、腰曲 过伸悬吊牵引法 人类新生儿和所有脊椎动物一样是没有颈曲、腰曲的。颈腰曲的出现是站立行走后逐步形成。为探讨腰大肌拉伸对脊柱运动力学的影响，探讨二足步态后形成腰曲、颈曲是何肌肉的作用力，取家兔作腰大肌拉伸对脊柱伸展应力关系生物力学研究的动物实验，现将实验结果报告如下。 1.材料与方法 1.1、实验动物与分组 成熟期家兔12只（由广西中医学院实验动物中心提供）分为三组，即颈胸腰段组（C1.2.3.4）胸腰段组（T1.2.3.4）和腰段组（L1.2.3.4）。三组兔子雌雄不分，其各自年龄、体重、脊柱长度（见表1），经统计学X2检验， 差异无显著性意义，P＞0.05，具可比性。 表1 12只家兔年龄、体重、脊柱长度 家兔编号 C1 C2 C3 C4 T1 T2 T3 T4 L1 L2 L3 L4 X2 P 年龄（月） 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 >0.05体重（㎏） 2.56 2.82.7 3.1 3.0 2.9 2.6 3.0 2.5 2.75 2.8 3.2 2.83 >0.05 脊柱长度（㎝）34.8 35 36 36.2 35.5 36.1 35.8 36.1 36.3 36.2 35.7 36.4 35.84 >0.05 （注：脊柱长度是枢椎至骶椎的长度。）
1.2、实验动物标本处理： 将兔子杀死后解剖，去除头颅，胸腹部脏器、肋骨及肌肉，保留完整脊柱前纵韧带及所附着腰大肌、脊柱背侧腰背筋膜、竖脊肌、颈胸长肌、夹肌、棘上韧带；保留骨盆、臀肌、阔筋膜张肌，双髋关节，双股骨自中段离断，切除内收肌群，保存腰大肌在股骨小转子的附着点，勿损伤，成为完整脊柱包括腰大肌、髋关节和上段股骨的标本。此保
留腰大肌的标本，以下称标本A（C1A，各标本同）（图2）。标本A完成股-髋-脊拉伸测试后，自胸12椎或胸11（部分标本有腰大肌纤维延伸到胸11椎）以下到腰1、2、3、4、5椎自腰大肌所附着脊柱横突及前纵韧带切断腰大肌（不伤前纵韧带），制成标本B（图3）（如C1B，各标本同）标本B再完成股-髋-脊拉伸测试。
图1 图2 图3 1.3、选用实验仪器： 选用日本岛津制作所出品：AGS-J系列生物力学测定仪。 1.4、AFS-J系列检测： AGS-J系列十字头行程（伸长）测量：采样速度：50msec，显示速度：200msec，测量分辨力：0.001㎜，显示分辨力：0.01，原点位为0. （1）检测颈胸腰段应力：标本C1A枢椎置上十字头夹，下端双股骨置下十字头夹，上下夹确保没有滑动。使股髋屈曲与脊柱成90°角，脊柱腰段屈曲，胸颈伸展，模似家兔自然体位（图1、4）。此上下十字头夹距离为30㎝。按AGS-J系列十字头行程测量标准原点位回“0”后启动，至股髋后伸达160°，此时脊柱腰段自屈曲位到伸展（全直）位（图5），即关闭，终止行程。此时数据显示图表十字头夹行程（位移）为44㎜（±）（因测量分辨力为0.001㎜，因此关机也有0.1~0.5的浮动，但P>0.05），脊柱伸展最大应力为 235.95N/㎜2（表2）。然后取标本C1B（即切断腰大肌后）（图6），同标本C1A同样装置及距离即30㎝，AGS-J系列原点回“0”后，启动拉伸，数据显示位移至44.33㎜（图7），即关闭。得出C1B脊柱伸展最大应力（表3）。其余C2、C3、C4标本均按此测试法，结果见表2、3。
图4 图5 图5 图7 （2）检测胸腰段应力：取标本A自第7颈椎以上离断，保留胸腰段脊柱制成标本T1A、2A、3A。取T1A（即保留腰大肌者）置第1胸椎于上十字头夹，置股骨于下十字头夹，并检查十字头夹无滑动，使屈股髋与脊柱呈90°角，脊柱屈曲位。此上下十字头夹距离为26.5㎝。按AGS-J系列十字头行程测量标准，原点位回“0”后启动，至股髋后伸达160°，脊柱也自屈曲位到伸直位，即关闭，终止行程。此时数据显示图表，十字头夹行程（位移）为25.373㎜，脊柱伸展最大应力为353.55N/㎜2（表4），然后取标本T1B（即切断腰大肌）同标本T1A同样装置及距离（即26.5㎝），AGS-J系列原点回“0”后，再启动拉伸，数据显示位移至25㎜，即关闭。得出T1B脊柱伸展最大应力（表5）。其余T2、T3、T4标本均按此测试法，结果见表4、5。 （3）检测腰段应力：取标本自11胸椎以上离段，保留12胸椎以下腰段，制成标L1A、2A、3A。取L1A（即保留腰大肌者）置第12胸椎于上十字头夹，置股骨于下十字头夹，并检查十字头夹无滑动，使屈髋与脊柱呈90°角，脊柱呈屈曲位。此上下十字头夹距离为19cm。按AGS-J系列十字头行程测量标准，原点回“0”后启动；至股髋后伸达160°，脊柱自屈曲位到伸屈（全直）位即终止行程。此时数据显示图表十字头行程(位移)为29.393mm，脊柱伸展最大应力为1932.5N/mm2（表6），然后取标本L1B（即切断腰大肌后）同标本L1A，同样装置及距离（即 19cm），AGS-J系列原点回“0”后启动拉伸，数据显示位移至29mm（即L1A之行程）即关闭，得到L1B脊柱伸展最大应力(表7)。其L2、L3、L4标本均按此测试法，结果见表6、7。
表2 AGS-J生物力学检测仪数据显示结果—颈胸腰段（保存腰大肌） 标 本 C1A C2A C3A C4A X P 位移峰值mm 应力峰值N/mm2 最大应变 % 44.3300 235.9500 44.3300 44.5717 489.850044.5717 44.4427 241.9000 44.4427 44.3677 258.970044.3677 44.4280 306.6675 44.4280 >0.05 >0.05 >0.05
表3 AGS-J生物力学检测仪数据显示结果—颈胸腰段（切断腰大肌） 标 本 C1B C2B C3B C4B X P 位移峰值mm 应力峰值N/mm2 最大应变 % 44.3960 75.4500 44.3960 44.4653 123.350044.4653 44.4013 50.2000 44.4013 44.4077 65.8669 44.4077 44.4176 78.7167 44.4176 >0.05 >0.05 >0.05
表4 AGS-J生物力学检测仪数据显示结果—胸腰段（保存腰大肌） 标 本 T1A T2A T3A T4A X P 位移峰值mm 应力峰值N/mm2 最大应变 % 25.3730 589.1500 25.3730 25.4150 938.250025.4150 25.4073 547.200025.4073 25.3500 648.766625.3500 25.3863 680.8417 25.3863 >0.05 >0.05 >0.05
表5 AGS-J生物力学检测仪数据显示结果—胸腰段（切断腰大肌） 标 本 T1B T2B T3B T4B X P 位移峰值mm 应力峰值N/mm2 最大应变 % 25.7367 353.5500 25.7367 25.4893 380.700025.4893 25.4153 389.100025.4153 25.5389 368.800025.5389 25.5451 373.0375 25.5451 >0.05 >0.05 >0.05
表6 AGS-J生物力学检测仪数据显示结果—腰段（保存腰大肌） 标 本 L1A L2A L3A L4A X P 位移峰值mm 应力峰值N/mm2 最大应变 % 29.2847 2137.5000 29.2847 29.3930 1804.500029.3930 29.5243 1932.500029.5243 29.3399 2088.677629.3399 29.3855 1990.7944 29.3855 >0.05 >0.05 >0.05
表7 AGS-J生物力学检测仪数据显示结果—腰段（切断腰大肌）