腰部损伤的力学分析以及防护.docx

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腰部损伤的力学分析以及防护

腰部损伤的力学分析以及防护

1.前言

1.1选题背景

腰椎发生异常改变是腰部疾病的重要原因.但以往人们的研究王要限于对腰椎病诊断、治厅和康复保健上.对其关键病因之一的生物力学平衡的改变却言之甚少。

本又从这一点出发.具体分析了腰椎的生理、病理特点.阐明了其生物力学平衡改变的基本过程。

摘要通过分析腰椎的解剖学及生物力学特点、腰椎受力与腰椎损伤的关系、腰椎主要运动损伤的症状及机理，探讨了引起腰椎运动损伤的力学因素，提出腰椎运动损伤的预防及治疗方法与手段。

腰椎是人体躯干连接下肢的桥梁，负重大，活动多，在体育运动和日常生活中遭受外伤的机会最多。

许多研究证实腰椎损伤与力学上的功能紊乱密切相关，主要是生物力学因素导致的川。

生物力学因素在胸腰椎损伤的诸多因素中占有比较重要的地位。

1.2选题意义

椎体和椎间盘是腰椎损伤极易发生的部位，这是由它们的解剖结构和生物力学特性所决定的。

因此，腰椎的损伤多是由压缩载荷或剪切载荷所致，所以在体育运动中或平常的身体锻炼中，要多加注意。

同时运动练习前和练习后做一些腰椎的牵拉运动，可以缓解肌肉紧张对腰椎的牵拉作用，对预防损伤起到一定作用。

腰椎周围的某些肌肉是维持腰椎稳定的主要因素，所以在腰椎损伤的防治过程中，月要背肌力量的练习占有较高的地位。

腰椎的损伤可能和过度肥胖也有关系，过度肥胖改变了腰椎在维持人体平衡过程中的受力状态，这方面的研究目前还很少，有待进一步研究。

1.3国内外研究现状

对于国外关于腰部运动的研究最早见于1986年，由美国学者Hennessy编著的《Trampolinning》[1]较为系统的阐述了腰部运动的相关内容，主要包括腰部运动技术分析与生物力学分析，这是所发现的最早最全面的腰部运动描述性著作。

由于当时腰部运动的发展水平有限，已有了较大出入，但其中的很多论述对后人的研究具有较大的参考和启示作用。

20世纪七八十年代，研究人员的侧重点依然是腰部损伤的探析，研究层次更加深入。

比较有代表性的是1980年科研人员Vaughan发表在“JournalofHumanMovementStudies”的文章《Akineticanalysisofbasictrampolinestunts》[2]，对运动员在完成动作的过程中所承受的力进行了研究。

1988年法国学者发表于的《Backinfullout》[3]，探讨了腰部防护要领。

20世纪90年代至今，研究内容已经相当宽泛，研究的内容已不仅仅侧重于腰部损伤的研究，还涉及心理调控、运动关节和肌肉生物力学、保护装备研发、体能训练和运动损伤等的研究。

从研究成果频度的地域分布来看，多出现在腰部损伤开展较早、运动水平较高的法国、德国、英国、美国和俄罗斯等国家，但成果数量相对其他项目来说仍旧较少。

2.研究对象与方法

2.1研究对象

以腰部损伤的力学原理为研究对象，解析腰部损伤力学现象以及解剖特点。

2.1研究方法

文献研究法：

文献研究法是根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题的一种方法。

文献研究法被广泛用于各种学科研究中。

其作用有：

①能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。

②能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。

③能得到现实资料的比较资料。

④有助于了解事物的全貌。

定量分析法在科学研究中，通过定量分析法可以使人们对研究对象的认识进一步精确化，以便更加科学地揭示规律，把握本质，理清关系，预测事物的发展趋势。

定性分析法定性分析法就是对研究对象进行质的方面的分析。

具体地说是运用归纳和演绎、分析与综合以及抽象与概括等方法，对获得的各种材料进行思维加工，从而能去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里，达到认识事物本质、揭示内在规律。

3．腰部损伤的相关概念及研究

3.1腰部损伤的定义

腰痛只是患者诉说的一个症状，并非是一个独立的疾病，可由许多疾病所引起。

概括起来说，它可分为损伤性腰痛和非损伤性腰痛两大类。

非损伤性腰痛往往是由某些内脏疾患牵连所引起。

损伤性腰痛是由于不同原因所造成的腰部骨骼、肌肉、筋膜、韧带、关节、椎间盘和神经组织发生损伤所致，是一种常见病、多发病。

临床和实验研究表明，腰椎损伤大多基于对腰部脊柱骨、肌肉、韧带的生物力学平衡关系的破坏，而引发这种破坏的原因很多，如脊柱的退行性变化、外力的过于强大，超过腰椎的适应范围以及体位不当等等，继而引发一系列病理变化，如椎间隙狭窄、椎间盘突出、骨赘形成等等。

临床检查发现艺术体操运动员的腰背部损伤如腰背肌筋膜炎、棘间韧带损伤、第三腰椎横突肥大、X线片证实锥弓峡部不连、锥体箭板骨软骨病等，大多基于腰部脊柱骨、肌肉、韧带的生物力学平衡关系的破坏.引发这种破坏的原因很多，如艺术体操运动员脊柱的柔韧性练习较多、开始训练时年龄较小、训练时外力过于强大超过腰椎的适应范围以及体位不当等而引起一系列病理变化，包括脊柱后凸、椎间隙变窄、脊柱侧弯等。

一般认为腰椎损伤的关键是破坏了腰椎解剖结构的生物力学平衡关系，本文将对此做详细探讨。

3.2腰部的解剖特征

腰椎位于人体的中段，是脊柱运动的枢纽，腰椎间盘最厚，占椎体高度的1/2。

活动度大，当弯腰时椎间盘前窄后宽，使腰椎生理前凸变平或稍后凸，但主要的弯曲度是在髓关节约80%，后伸时前宽后窄。

据测量，当腰椎由高度弯曲转至高度伸展位时，腰椎和椎间盘前缘总长度伸12mm,即每个椎间盘伸长2.4mm，后缘缩短5mm，即每个椎间盘后缩1mm。

腰椎的屈伸是以骸，为支点的多节段活动的总和。

侧弯亦如此。

其旋转运动虽然腰骸间有额状关节面，便于旋转，但因骼腰及腰骸韧带的存在，故实际上也分散在各个椎骨间，即每个椎骨间可作约50的旋转，旋转与侧弯亦常同时存在，但因腰椎生理前凸，故椎体常旋向凸侧。

脊椎运动轴的即刻运动中心有实验测量是在椎间盘的后半，椎管前壁之前约10mm处，在腰椎相当于髓核中部，髓核是一个不被后压缩但可变形的球体，前屈时纤维环前部膨出，而后部伸直，后伸时则后纤维环松驰后凸，后凸的纤维环使椎管前后径缩小，导致神经根或马尾的受压。

脊柱运动是受脊旁肌发动的，如屈曲时先自腹直肌及腰大肌开始，然后以上身重量使屈曲进一步发展，竖脊肌则起控制作用，髓后肌亦参与控制，但在完全屈曲后，竖脊肌失去效能，仅靠脊后方韧带维持。

从屈曲位到伸直位则由竖脊肌以绞链式逐渐拉脊柱伸直，到越过中轴至过伸时，则腹肌又起控制作用，因此各项运动皆靠关节、韧带及多组肌肉的桔杭作用夹完成的。

3.3腰部损伤的各种形式以及力学分析

3.3.1腰部肌肉扭伤

急性腰扭伤的原因是在肌肉力t不足、技术动作不正确、准备活动不充分的情况下，腰部屈伸或扭转发力时突然发生。

另外，在机体疲劳时，肌肉的活动不协调，脊柱的平衡和稳定性低下，腰部一些较小的动作过程也可致伤。

急性腰扭伤主要包括腰骼部肌肉与筋膜的拉伤、韧带披伤及关节的扭伤或轻度绞锁等。

受伤时有撕布样的感觉或弹响，腰骸部疼痛，活动受限，由于损伤的刺激或肌肉牵拉腰神经支，可出现臀部或下肢反射性疼痛。

椎体损伤的生物力学因素椎体是腰脊节段的主要实体，主要承受压缩载荷。

有人认为骨终板是脊柱受压缩时最容易被破坏的骨性结构川。

在运动员中，发生胸腰椎骨折的原因多由高处落下，臀部着地是受瞬间冲力引起，如单杠的失手、跳伞落地技术不正确等。

瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折。

因此，压缩载荷所致的骨折常见于椎体。

研究表明，椎体受到压力达到一定的数值就会发生骨折，成人腰椎标本5-8KN的压力即可造成椎体破坏。

3.3.2腰部韧带损伤

腰背部肌肉筋膜炎发病的原因是力量不足或训练安排不合理致腰背部负担过重，逐渐劳损所致。

或急性损伤后治疗不彻底过早投入训练而转变为慢性损伤。

另外受凉、维生素E缺乏、脊柱结构的先天畸形等易患此症。

其病理改变多种多样，包括肌肉及肌膝附着部、筋膜、神经、血管及脂肪等组织结构的慢性炎症性改变。

久站、久坐、劳累后、晨起后及天气阴冷时腰背部疼痛加重，适当活动后缓解，但剧烈活动后又加重，严重者可出现坐骨神经症状。

检查中可发现腰背肌张力增加，肩脾骨之间、腰推两侧及臀部肌肉压痛并可触及硬条索，棘突旁可触及硬结或肿胀条形砖块，腰推横突及骼靖肌附着部可触及压痛点，棘突可出现排列不齐现象。

按压棘突旁及臀部等部位的痛点时疼痛可向臀及下腰椎在不同的过程中承受负荷的大小和方式是不同的，负荷的方向主要有垂直负荷、横负荷及旋转负荷3种。

图3.1直立与倾斜时腰部受力示意图

W=上半身及外来负荷力的总和

X=骶骨倾斜角

S=剪切分力

C=挤压分力

P=对抗S力的总和

向前滑的力S为椎间盘纤维环、关节突间关节、前纵韧带以及椎弓间韧带所抗衡，肌肉不参与或仅少量参与.向骶骨面挤压力C则经椎间盘、骶骨、骶骼关节传到下肢抵消.两分力的大小随骸角大小而不一得：

设骶角为α，则,，。

设体重为70Kg，上半身重占65%为45Kg，骶角α为30。

，则：

当运动员在做上半身前倾或弯腰拿器械等一系列动作时下腰部所受的力:

上半身前倾或弯腰搬物时，重力中心前移到脊柱的前方，其距离随弯腰程度而定，此时除韧带、骨氏棘肌及腹肌等皆参与活动。

W=上身重量垂直力及所办重物的总和

S=剪切分力

C=压于L5—S1间盘上的挤压分力

F=竖脊肌力的聚集效应

H=腹肌

Y=W垂直力至脊柱力作用点距离

如Y=35cm，d为5cm，按杠杆作用则有

竖脊肌的力应是上身体重的7倍，如上身重量为45Kg，提取物为20Kg，则竖脊肌承受力总和为（45+20）Kg×7=455Kg。

如弯腰越大，重力的中心越前移，则竖脊肌承受的力越大，但弯腰越大90。

，则竖脊肌作用消失而只靠韧带维持。

因此半弯腰工作易腰肌劳损。

弯腰时作用于椎间盘的总挤压力和剪切力应设为：

骶角四十度，则总挤压分力应为：

剪切分力为：

当臀后肌肉拉骨盆旋转时，则韧带亦被牵动产生拉力，而腹肌收缩，胸腹腔压力增加时，会从脊柱前方给予支持力N，磁力可以减轻竖脊肌力负担，以调节力的分布，维持平衡。

3.3.3腰椎关节错位

由于人体自身的缺陷或畸形，导致人体在维持平衡状态时，使腰椎处于不符合力学原理的状态，也可引起腰椎损伤。

另外，过度肥胖使人体重心发生改变，但人体为了维持自身的平衡状态，需靠脊柱的调节，从而腰椎的受力可发生变化，也会引起腰椎损伤。

脊椎推板骨折又称为脊推峡部不连症，系指脊推上、下关节突之间的推板不连接，部分合并滑推。

腰部过伸扭转同时屈曲是主要致伤动作。

这些动作使脊推上、下关节突之间狭窄的推板部分产生过分的剪力与扭力而引起骨折。

若脊椎发育异常，其抗应力能力较弱，更易产生此症。

当夜间人们平卧时，椎间盘只受到周围的肌张力约束而非受体重挤压，加上入睡时肌张望力大大减弱，故髓核通过微孔向椎体骨松质重新吸收水分，使椎间盘又恢复原来的厚度。

髓核的涵水能力可达250×133.322P。

随着年龄的增长，髓核的涵水能力减弱，这也说明老年人的脊柱即有长度上的缩短，也有弹性的减弱。

实验表明，涵水量的恢复需要一定的时间，卸荷时间如果距负荷时间太短，则椎间盘就不能恢复到原来的厚度。

同样，如果卸荷后有充分的时间休息，椎间盘仍不能恢复其原来厚度，说明椎间盘的弹性下降并已处于衰老状态。

腰既间盘所受的挤压力最大，承受体重的大部分。

假设人体重量为80kg，其上肢重量为14kg、躯干重量为30kg，如果L—S，关节椎间盘只支撑上身重量的2/3，也要负担37kg重量，这已接近体重的一半。

此外，它还得负担身体直立时为维持此姿势而椎旁肌产生的肌张望力，因此腰骸间盘要承受巨大压力。

椎间盘的扁化取决于它的状态。

一个健康人的椎间盘在静态时负荷100kg，可扁化1.4mm，但同时横径变宽;病变椎间盘在同样负荷情况下将扁化2mm，而且它在卸荷后也不易恢复原来的厚度。

扁化后的椎间盘将使关节突间隙后面张开。

这种关节面的扭转最终会使人在长跑时产生骨性关节炎。

腰椎间盘脱出是引起腰腿痛的最常见原因之一，也是运动损伤中较常见的