第一节　生物力学基础

脊柱的三个主要功能为承重、运动和保护神经组织，前两个功能的实现均离不开力学原理，而脊柱生物力学的失衡又不可避免地影响到第三个功能。因而，要深入了解脊柱，不能不了解脊柱的生物力学行为。

一、生命的力敏感性及意义

为了使自身的生命活动与变化的内外环境相适应，生物必须具有感知机体内外理化环境变化并根据内外环境变化调整生命活动的能力。事实上，机体内外环境的力学变化是对机体生存与发展十分重要的信息，关系到个体生存、种族延续以及进化等重大问题。在人类尚未成为世界的主宰以前，为躲避丛林食肉动物的追捕、争夺有限食物而挣扎时，动作的敏捷，运动的协调，跑动的快速是决定个体生存及争取配偶的最主要因素。在这个意义上，生物力学及生物的力敏感性研究对医学发展的重要性怎么强调都不过分。

1.脊柱功能与力反馈调节

脊柱是由骨、肌肉、血管和神经组成，具有许多机械力学和生物力学性质，脊柱周围的关节囊、韧带、肌肉中存在着丰富的机械感受器。许多临床现象都证实有关脊柱关节半脱位的假说是成立的、合理的。这种将脊柱结构简单化的描述对脊柱推拿者来讲是很容易接受的，但并非由此而可得到脊柱的结构和功能完全等同于简单机械的结论，单一的脊柱结构或功能是无法完成复杂而精确的运动、平衡和负重等任务。

人体内维持体内平衡的所有控制系统都是受反馈调节机制调节的，许多因素可影响人体的反馈系统。与人造机械不同的是，脊柱的功能同样是受力反馈机制调节的。一般来讲，影响负反馈调节的单一因素容易被确定，而因素的增多使研究的难度呈几何级数上升。

2.脊柱疾病的力学失衡本质

一般认为脊柱关节半脱位多是由于脊柱力学结构的对称性受到破坏所致，所以进一步理解和掌握脊柱的解剖结构和生物力学性质，提供可靠的、基本的理论依据，对半脱位进行准确的定义必将有助于消除目前有关脊柱推拿中的某些模糊概念。应当认识到与所有活体一样，脊柱的各个部分并不是一个静止的部件，它是在不断地变化着、更新着、修复着和生长着的，虽然这种变化很慢。正常脊柱的许多生理参数也不是恒定的，而是不断地变化着。尽管人体脊柱的整体轮廓和功能基本相同，但两个不同的个体间的脊柱不会是完全相同的。

脊柱的动力学研究涉及与时间因素相关的诸多脊柱内容，如在平衡状态下的脊柱运动和变化，它包含了单纯的运动学（此时不考虑力对运动物体的影响）以及动力学（研究力对物体运动的影响），这些术语都已运用到医学当中。而静力学是研究外力对脊柱平衡影响以及脊柱内部诸力的相互作用，长度、作用力和时间是物理学的要素之一，与之相关的物理学概念有质量、加速度和速度等，常用的概念有移位、载荷、阻力和时间。复合性关节半脱位可以有这4项要素中任何1个要素的改变，脊柱的发生、发育、功能、矫正和潜能也可以根据这4项要素来进行客观地评价和表达。

3.自觉将生物力学原理融入脊柱推拿临床实践

生物力学是研究力或能量作用于生物体、生物材料或生物系统力的运动和形式的一门科学。脊柱推拿的生物力学致力于拓展原有脊柱推拿理论上的不足，用科学的观点和方法，客观地研究脊柱内在的生物力学关系、脊柱整体的力学系统和基本的生物力学特性。运用生物力学的方法和观点来阐述脊柱推拿的基本概念和作用机制，了解脊柱生物学行为在各种不同受力状态下的改变，从脊柱生物力学失衡的观点来分析疾病自然发展过程，提出缓和或终止疾病发展的可操作性建议，改进脊柱推拿手法的技巧，是脊柱推拿研究的目的之一。

由于生物力学概念的应用与现代医学的内涵密不可分，所以对脊柱推拿手法的评价进而转向基本的生物力学和人体工程学等内容，以寻求应用新的理论和方法，重新研究脊柱推拿，使我们进一步地了解脊柱推拿的作用机制、创新脊柱推拿手法、淘汰繁琐和不合理的脊柱推拿手法。将生物力学原理融入脊柱推拿为推拿发展提供了新的视野和工具，可使脊柱推拿从经验医学的范畴进入实证医学的王国，为学科发展和医疗水平的提高增添有力的翅膀。

二、基本生物力学概念

1.刚体

刚体是指这样一种物体，就是它的大小和形状对所讨论的问题来说，不能忽略；但它受到力的作用时，大小和形状都保持不变，即不发生变形。

2.外力和载荷

力是物体间的相互作用，外力作用使物体的运动状态或形状发生改变，外力对物体的效应取决于力的大小、方向的作用点。对脊柱而言，作用力可来自重力、机体外部作用力、腹内压以及肌肉收缩力等，这些力对脊柱而言都可称为外力。外力对机体作用的结果可分为位移（displacement）、组织内部变形（deformation）及内力或称应力（stress）。载荷可分为以下几种。

（1）重力：

重力所产生的载荷（如人体的体重）作用于人体的组织结构有如下性质：①为连续均匀一致的作用；②作用的单向性（重力线）；③总作用力（体重）；④对物体的作用等效于作用于重力点。

（2）生理性载荷：

如果以脊柱作为参照物，体内的其他作用力对其产生载荷有：①肌肉作用力（如平衡、动力和运动）；②韧带张力（弹性）；③液压（如血压）；④气压（如肺脏）。

（3）功能性载荷：

功能性载荷是指来自外部的动力所产生的载荷造成脊柱正负加速度的改变。这些载荷包括振动、压力和冲力。

3.内力和应力

如果作用于物体结构上垂直载荷的总量等于零就称为处于静力平衡状态，在物体结构内部产生了作用力，也叫做应力。应力可造成组织结构的变形，应力可分为下列几种形式。

（1）轴向载荷（拉伸和压缩）：

这种载荷的作用线与物体纵轴重合，使物体的长度发生延长（拉伸）或缩短（压缩）（图3-1）。

（2）剪切载荷：

由大小相等、方向相反、作用线垂直于物体纵轴且相互贴近的一对外力，受载荷作用的物体两部分沿此一对外力作用线方向发生相互错动（图3-2）。

（3）弯曲载荷：

是一对垂直于物体纵轴的横向力偶，或作用于物体平面内的横向力偶，引起物体的纵轴由直线转变为曲线（图3-3）。

（4）扭转载荷：

是一对大小相等、方向相反、作用面垂直于物体纵轴的旋转力偶，引起物体内任意两个横截面绕轴向的相对转动（图3-4）。

不平衡的载荷作用于物体可影响物体的运动，改变物体的线性运动或角速度。外部载荷有4个比较重要的特点：载荷的大小、载荷的方向、载荷的作用线、载荷的作用点。由外部载荷作用而出现的组织结构内部诸力小于组织结构结合力的情况下，在去除载荷后，组织将回复到原来相应的位置上。一旦作用力超过组织结构的结合力，组织结构将会发生永久性的变形。如果载荷量进一步增加，最终组织结构将发生破坏，如出现撕裂或骨折等。

4.阻力

阻力是指组织结构本身所具有的抵抗外部载荷作用的能力，生物体的阻力可分为两部分，即材料力学和结构力学。

（1）材料力学：

包括：①物理学性质：具有所有材料的性质，例如，它是否具有均一性、各向同性等，这些性质可影响载荷时的行为；②流变学性质：在受到力学载荷时，材料在应力作用下的变形以4个基本概念，即弹性、可塑性、黏滞性和强度来表示；③摩擦系数；④疲劳。

（2）结构力学：

包括：①物体的长度、宽度和厚度；②物体的形状（材料的轮廓和分类）；③定向（结构与载荷的关系）；④应力集中与缺失。

这些性质可用于评价不同组织及其组成部分结构的功能和完整性。人体的组织结构，如骨骼、肌肉、软骨、韧带和肌腱对脊柱推拿专业来讲是非常重要的。在许多实例中，对检测构成物的性质更简便易行，如关节和椎间盘的性质，而不是检测其中的单一组织结构。在临床上评价阻力时，很重要的一点是要考虑到一些因素可影响或改变组织结构的刚度，其中有：①疾病；②适应或训练；③创伤；④年龄；⑤手术；⑥代谢变化等。

5.力矩

设有一作用于物体的力及一点，力与点至力的作用线的垂直距离的乘积为力矩。

6.笛卡儿坐标系

空间相互垂直的线交汇于一点，即原点，包括二维和三维坐标系。二维坐标系有X和Y轴，三维坐标系有X、Y、Z三条轴线（图3-5）。

7.自由度

是指该体系运动时，用来确定其位置所需独立坐标系的数目。即刚体沿着所有的轴做前后平移或绕着轴做旋转运动的总数。

8.运动学

属于力学的一个分支，在不考虑引起任何动作力的前提下，研究刚体运动学的一门学科。

三、生物力学效应及基本条件

1.平衡

作用在一个刚体上力的总和以及所有力矩的总和都等于零时，我们称刚体的这种状态为平衡。

2.位移

简单地说，位移是两个物体间空间位置的变化，脊柱的位移有3种基本类型，即动力型（由于运动造成的位移）、静力型（偏歪）和张力型（变形）。动力型位移是测量某个物体在特定的方向上单位时间内正在移动的距离。如果位移的大小和方向是特定的，应考虑到相对位移和向量，例如速度和加速度。

用于测量相互位移和偏斜的常用方法是笛卡儿坐标系，即X、Y、Z三条彼此相关的轴线以及坐标系统，借此来测量三维空间物体移位的角度和距离。任何一个运动轴上的位移可分为平移和旋转两种形式。

（1）平移：

刚体运动时，如果其上任一直线始终与其初始位置平行，则这种运动称为平移。

（2）旋转：

刚体围绕某一固定轴（直线）做角位移。轴线可位于刚体之内或刚体之外。

根据1974年提出的人体体位姿势的笛卡儿坐标系表达方式，以中轴骨的原点，对头、胸廓和骨盆各种可能的体位姿势和运动进行了讨论。如果把脊柱看作是一条链状刚体，那么就可以用工程力学的原理来分析研究脊柱，测量出这些链状刚体从某一点移至另一点间的距离，则可以得出刚体移动的绝对角和绝对平移距离。反之如果测量出链状刚体间各联结处的平移距离或旋转角，则可以计算出其相对旋转角和相对平移距离。因此，在研究头、胸和骨盆各自球形体运动并伴有脊柱的耦合运动时，应当考虑到脊柱各耦合节段的相对旋转和平移变化，而头、胸廓和骨盆的球形体运动则为绝对的旋转和平移。

Panjabi等进一步提出脊柱的六自由度坐标轴概念，采用R来代表旋转，用S代表平移，这样，脊柱运动单位存在着围绕X、Y、Z三个轴（Ry、Rx、Rz）的旋转及沿着Sy、Sx、Sz三个轴的平移。应用右手螺旋法则时， +Ry和-Ry是两个不同的概念。

中轴骨各部分的绝对旋转和平移都伴有不同类型的脊柱耦合运动，即单个脊椎的相对旋转和平移。头和胸可以绕着笛卡儿坐标系中的每一条轴进行旋转和沿着每一条轴平移。与标准的脊椎一样，相对于所选定的原点，头和胸廓有6个自由度。在静态直立体位上，由于有下肢骨（主要是胫骨和股骨）的作用，骨盆不能沿着Y轴平移以及绕着Z轴旋转（侧弯）。因此，骨盆当静态时只有4个自由度。但当行走或跑动等动力性体位时，骨盆有6个自由度。如果将平移或旋转的方向确定了正负，那么头和胸在6个自由度上有12种简单的运动，骨盆则在4个自由度上有8种简单的运动，运用上标和下标可以描述上述所有的运动。

与构成头颅的各坚硬骨骼所不同的是，肋骨在胸椎上的附着处以及骨盆的骶髂关节都是滑膜关节，这就使得胸廓和骨盆内部有复杂的运动。尽管双足支持着的下肢限制着骨盆的侧弯运动，但下肢的长短不一同样可造成骨盆的倾斜。此时在前后位X线片上，可以观察到明显的骨盆侧弯。由于这种异常可以导致头、胸和骨盆的位移，所以在体位变换时应当考虑到这种因素的影响。实际上骨盆在4个自由度上有8个方向（有正负之分）的简单运动。如果加上由于左腿或右腿短缩所造成的骨盆向左或向右倾斜，那么加上原先的8种运动，骨盆应有10种可能的运动方式。头和胸部的12种简单运动是由6种旋转和6种平移构成的。

3.变形

头、胸廓和骨盆的旋转和平移使体位异常，于是就产生了作用在韧带、脊椎、中枢神经系统和椎间盘上的异常应力（单位面积上所受的力）和异常应变（变形）。

（1）骨的变形：

对长骨（四肢骨）和脊椎骨变形的研究开始于1957年。Harrison等在1988年发表了一篇有关近30年来对变形骨以及由电势产生应力的综述。若给脊柱或下肢骨加一个力偶，则该骨会发生变形。凹入侧的骨表面带有负电荷，凸起侧的骨表面带有正电荷（图3-6）。电动势是由外向电流形成还是由压电形成，这个问题在文献中尚有争议。但对骨的变形方面的许多问题已经进行了深入细致地研究，骨的唇样增生和骨刺形成都与异常应力和应变的作用有直接关系，这些应力和应变是由异常直立体位的平衡和（或）是因工作习惯或重复性动作所形成的不正常体位姿势所引起的。

通常，变形的骨与弯矩、变形后的凹面与凸面、正应力应变与剪应力、剪应变密切相关。由打断胶原分子的氢键和共价键后产生的细胞外向电流和压电现象在骨内形成电场，受压的凹面带有负电荷，受拉伸的凸面带有正电荷。在负电荷聚集的部位，使成骨细胞受到刺激而增加胶原的形成，同时在正电荷聚集的部位，破骨细胞促使骨的重吸收。

（2）椎间盘的变形：

椎间盘是一个具有6个自由度的柔韧组织结构，起着液压载荷吸收器的作用。尽管椎间盘不如中枢神经系统组织一样柔软，但与椎体相比则又是非常柔软的，所以不能将其视为刚体。1988年，Ghosh出版了有关椎间盘的专业书籍，全面详尽地论述了椎间盘的生物学特性。如果载荷的作用时间很短，不足1秒钟，那么它仅引起椎间盘的瞬时弹性变形。若载荷持续作用，则椎间盘受力黏弹性呈持续上升。卸载后，椎间盘不能完全恢复到最初的高度。椎间盘的这种不能完全恢复初始状态的现象称之为滞后效应。

（3）韧带的变形：

韧带的力学特性与其他软组织的非线性黏弹性相类似，骨骼上的韧带在稳定关节和引导关节运动方面所发挥的力学功能是被动的。有证据表明，作为动态信息重要的传感器，韧带具有重要的感觉神经功能。脊柱诸韧带利用预应力把各脊椎骨连接在一起。Panjabi等在1984年就已确定了腰椎韧带的应力-变形曲线。Ghosh等在1985年对脊柱诸韧带的应力-应变关系做了详细地研究。横韧带、后纵韧带及黄韧带是刚度最大的韧带，韧带的最大变形量、因滞后造成的能量损耗以及其他一些生物力学特性都随着年龄的增长而降低。

（4）神经组织的变形：

Breig经历了20年的研究，对后脑、脑干、颈髓、胸髓、腰髓、脑神经根的变形做了完整而详尽的分析。对其研究工作可简要概括为：头部前屈（+θx）时可对后脑、脑干、颈髓、胸髓、腰髓以及脊神经根等产生牵拉，头部的侧屈（±θz）和（或）轴转动（±θy）也可对脑神经和颈神经根产生牵拉和（或）压缩作用。他还发现颈脊髓在松弛的颈椎前凸体位下会出现褶皱，而当头屈曲或颈椎前曲消失时，颈脊髓褶皱消失，并且还要承受弹性和塑性变形。

4.基本条件

为了明确机体在受到各种外力作用时所产生的效应，需要了解三个基本的关系或者是三个条件。这三种关系为我们解决所有未定量的研究内容如内力、变形和位移提供了足够的公式。

（1）平衡条件：

即外力与内力之间的平衡。

（2）运动学：

即材料体内的变形与位移的关系。位移可以通过外部测量而获得，而变形则是物体内部的改变，可以通过定量测量物体伸展的应变情况而获得。

（3）应力与变形之间的本构关系：

这种本构关系所反映的材料力学性质可以通过实验来加以验证。

（4）静定体系和超静定体系：

一些力学体系仅平衡条件就有许多未知的公式，直接由平衡条件公式就可以确定结构的内力，这种力学体系为静定结构的，如果不能直接由平衡条件决定结构的内力，这种力学体系为超静定的。绝大多数的力学体系是超静定的。为了确定位移和变形以及静定体系，需要三个假设条件。因此，如果上述三种关系之一被忽略，我们就不能对该力学体系进行完整的分析，只能得出近似的结果。

（5）预应力状态：

预应力是指在无变形的情况下，材料体内的应力，预应力不是由载荷所引起的。例如，用先张法对混凝土构件施加预应力是在浇筑混凝土之前，张拉配置在构件内的纵向受力钢筋并使其产生回缩，从而达到对构件施加预应力。在脊柱，椎间盘髓核内的预应力是来自于髓核的渗透作用以及重力的影响。Nachemson和Evans注意到在正常体位时，黄韧带对椎间盘构成一定的压力。这种在韧带纤维中固有的张力叫预应力。前纵韧带和后纵韧带与其他韧带纤维相同，都具有保持正常体位预应力的作用。一般认为，这种预应力在椎间盘承受内部压力增大时起到稳定和平衡的作用。

（6）变形量：

与钢等材料不同，生物材料具有非常好的柔韧性。很小的作用力就可引起生物材料的显著变形，因此小变形理论并不适用于生物材料。由于组织结构的复杂性，为了区分各种变形体的运动特性。按组织变形的程度可分为三级：即小位移理论、大位移理论和大变形理论。其中小位移理论也包括了小变形理论，而大位移理论常用于探讨有较大的位移或旋转而变形较小的组织结构。至少，机械结构稳定性的研究需要大位移理论。拇指法则用于研究单一组织结构的刚体组织，做生理载荷下的力学分析时可以根据小位移理论进行分析。非线形特征对研究软组织有重要的影响，这时应按照大变形位移理论进行研究。

5.时间

在所有的动力系统的研究中，相互作用时间是一项非常重要的因素。在评价单位时间内的力学因素时，应了解功能组成部分的3个力学因素。

（1）单位时间内的载荷是用压力、冲力或振动来表示的。

（2）单位时间内的移位是用速度、速率或加速度来表示的。

（3）单位时间内的阻力可以表示为蠕变、应力松弛、滞后和黏弹性。

软组织的流变学特性之一是蠕变。异常的脊柱载荷可引起异常移位。由于这种异常载荷作用一定的时间，可导致软组织的蠕变，即软组织的拉伸或短缩，以适应作用载荷。

一般认为与时间因素相关的生物学特征具有长短两种概念。与短时间概念相关的有：①生理性反应，有反射活动、刺激和习惯养成等；②力学效应，蠕变、应力松弛（持续变形）、黏弹性（载荷量）和疲劳（反复载荷）。

与长时间概念相关的有：①适应（负反馈），包括组织结构大小的变化、密度的变化和纤维走行的变化；②退变（正反馈），包括组织结构特征的消失、结构的丧失（萎缩）和功能的丧失等；③生长，包括正常和异常的生长；④愈合再生；⑤遗传学方面的改变等。