身高對腰椎間盤影響的生物力學分析

郭郡浩

摘要目的:探討身高的變化對腰椎間盤受力的影響。方法:運用生物力學方法,計算出一定體重和固定前屈角度時,不同身高對腰椎間盤受力的影響。結果:隨著身高的增加,腰椎間盤的受力也相應增加,其中擠壓力隨著身高的增加而增加,剪切力則相對不變。結論:身材較高的人應注意腰椎間盤的保護。

關鍵詞 腰椎間盤生物力學身高相關性

1資料與方法

設體重為60kg,腰椎前屈30°(見圖1A、B)。作用于腰骶水平位上腰椎的兩個主力是上身體重所產生的力和直棘肌所產生的力。上身體重所產生的力為W,上身體重為全身體重的65%,則上身體重W=60×65%=39kg,W的杠桿臂LW為25cm,其抗衡力為直棘肌所產生的力M,M的杠桿臂Lm為5cm。M的值用公式1計算;作用于椎間盤的擠壓力C用公式2計算;作用于椎間盤的剪切力S用公式3計算。

公式1:(W×LW)(M×Lm)=0,求M公式2:(W×cos30°)+M睠=0,求C公式3:(W×sin30°)睸=0,求S在體重及前屈角度一定的情況下,身高增加時上身重心隨之上移,使上身體重W的力臂LW增加(本文設增加的身高與上身重心上移距離相等)。根據勾股定理,前屈30°時,上身重心每升高1cm,LW增加0.5cm。運用上述系列公式計算身高增加時椎間盤的受力變化。

2結果2.1身高不增加時,直棘肌的力M=195kg,作用于椎間盤上的擠壓力C=246.96kg,作用于椎間盤上的剪切力S=30kg。

2.2身高增加時,椎間盤受力的變化見圖表1。

圖表1椎間盤受力隨身變化曲線(x:增加的身高;y:增加的應力C+:增加的擠壓力;S+:增加的剪切力)

圖1從圖表中可以看出,隨著身高的增加,椎間盤受到的擠壓力也隨之增加,兩者的變化呈直線相關。而椎間盤受到的剪切力則不受身高的影響。

2.3眾所周知,角度越大,其余弦值越小,而其正弦值則越大。由公式2、公式3可知,隨著腰椎前屈角度的增加,腰椎間盤所受到的擠壓力減小,而其剪切力卻逐漸加大。同理,腰椎前屈角度減小時,腰椎間盤所受到的剪切力則逐漸減小。

3討論

腰椎間盤突出癥是中青年常見病,嚴重者影響日常生活及工作。本病的發生與遺傳、外傷、勞損等因素有關。運用生物力學原理分析椎間盤的受力對于探討椎間盤突出的力學機制有一定的幫助。影響椎間盤受力的因素有體重、姿勢等,關于身高影響椎間盤受力的研究則較少。本研究結果表明在身體前屈角度一定時,椎間盤的受力隨身高的增加而增加,增加的應力主要是擠壓力,剪切力并不受身高的影響。而隨著腰椎前屈角度越大,腰椎間盤所受到的剪切力則越大。因此,對于身材較高者而言,過度的腰椎前屈活動也是導致腰椎間盤突出的因素之一。盡量減少腰椎前屈活動也是保護腰椎間盤的重要措施。如在彎腰拾物時,應盡量保持上身挺直,利用屈膝屈髖姿勢撿拾物體,以減小椎間盤的受力,起到保護椎間盤的作用。腰椎間盤的受力隨身高的增加而增加這種變化規律的確切臨床意義,以及椎間盤突出癥的發病率是否隨身高的增加而增加,有待于更進一步探討。