長(zhǎng)期俯背運(yùn)動(dòng)造成腰部損傷的生物力學(xué)分析

摘 要：隨著體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)量不斷地增加，腰椎負(fù)荷隨之加大，腰部損傷問(wèn)題越發(fā)突出，它嚴(yán)重影響、威脅著運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)壽命。因此，腰部損傷的預(yù)防和治療是不容忽視的，而要解決腰椎損傷的一系列問(wèn)題，必要前提是要了解腰部的結(jié)構(gòu)功能。本文從人體解剖學(xué)特點(diǎn)、生物學(xué)以及生物力學(xué)的角度對(duì)腰部的結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，闡述了腰椎損傷的發(fā)生機(jī)制及保護(hù)、預(yù)防的措施。

關(guān)鍵詞：俯背運(yùn)動(dòng) 腰部損傷 力學(xué)分析

前言

腰痛一直是困擾人類最常見(jiàn)的疾病，尤其在體育運(yùn)動(dòng)中，腰椎損傷嚴(yán)重地威脅著運(yùn)動(dòng)員的身體健康和運(yùn)動(dòng)成績(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)動(dòng)員中有60%—70%存在不同程度的腰椎疾患。因此腰部疾病的防治成為備受關(guān)注的話題。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)腰椎的生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，但由于腰椎生理結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及研究手段的局限性，很多問(wèn)題有待進(jìn)一步的探索，特別是對(duì)運(yùn)動(dòng)員腰部損傷的防治成了亟待解決的問(wèn)題。

脊柱是人體的支柱，腰骶部又是軀干連接下肢的橋梁，承受的載荷在整個(gè)脊柱中位居首位，同時(shí)其活動(dòng)范圍也相對(duì)最大，正因如此，腰椎發(fā)生損傷的機(jī)率就較大。近20年來(lái)，研究人員用現(xiàn)代化的力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法及理論分析計(jì)算，終于在腰椎損傷產(chǎn)生機(jī)理方面得到了較大的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)表明：腰椎損傷大多是由于腰部脊椎骨、腰椎間盤(pán)、肌肉、韌帶的生物力學(xué)平衡關(guān)系被破壞而引起的。造成平衡關(guān)系破壞的原因很多，如長(zhǎng)期積累導(dǎo)致脊椎的退行性變化，外力過(guò)于強(qiáng)大，活動(dòng)范圍超過(guò)腰椎的最大生理范圍以及體位不當(dāng)?shù)扔纱艘l(fā)一系列病變。要解決腰椎損傷的問(wèn)題，應(yīng)該先從腰部的生物力學(xué)性質(zhì)的分析入手。

一、腰背部基本生物力學(xué)分析

1.腰背部肌肉韌帶的基本生物力學(xué)分析

腰背部肌肉分布均勻，通過(guò)收縮產(chǎn)生抗拒力維持腰椎的穩(wěn)定。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，隨著強(qiáng)度和幅度的加大，致使腰部與腰部相關(guān)的肌肉、韌帶產(chǎn)生退變或損傷，從而使腰部承受慣性載荷在總體上相對(duì)減少。通過(guò)對(duì)每塊肌肉的研究證實(shí)，活的人體肌肉收縮或舒張時(shí)都做功，在相同條件下肌肉收縮所做的功比舒張時(shí)所做的功要大。因此，脊柱伸直時(shí)所做的向心舒張功要大于屈曲時(shí)所做的離心收縮功。

腰部棘突的方位平直向后，棘上韌帶深部纖維聯(lián)結(jié)相應(yīng)的棘突，淺部纖維越過(guò)棘突3—4節(jié)，能控制棘突的前屈。棘間韌帶在腰部發(fā)育最強(qiáng)，對(duì)腰椎運(yùn)動(dòng)的影響也較大。因此，棘上韌帶和棘間韌帶兩種結(jié)構(gòu)對(duì)于維持腰椎穩(wěn)定起到了十分重要的作用，不僅控制腰椎的不同類型活動(dòng)，同時(shí)也承受一定的牽拉、扭轉(zhuǎn)載荷。實(shí)驗(yàn)證明在腰部4、5脊椎功能單位上，棘上、棘間韌帶提供12%—16%的張力強(qiáng)度、10%的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。在屈曲狀態(tài)下，棘上、棘間韌帶對(duì)脊柱起穩(wěn)定作用。還有研究證實(shí)，兩種韌帶結(jié)構(gòu)在生理活動(dòng)期間不僅存儲(chǔ)肌肉能量，同時(shí)也對(duì)脊柱關(guān)節(jié)起穩(wěn)定和保護(hù)作用。

通過(guò)解剖學(xué)的研究我們了解到：在相鄰腰椎板之間存在黃韌帶，黃韌帶的構(gòu)成中彈性纖維約占60%—70%，韌帶產(chǎn)生的預(yù)張力對(duì)腰椎間盤(pán)形成預(yù)應(yīng)力，有助于保護(hù)腰椎及脊柱的穩(wěn)定性，同時(shí)還能防止韌帶本身在腰椎后伸時(shí)發(fā)生彎折。人在20歲之前黃韌帶的預(yù)張力約為18N，而70歲的老年人黃韌帶的預(yù)張力僅為5N左右。由此看來(lái)，20歲前黃韌帶具有較高的彈性機(jī)制，腰部柔韌性較好，能承受大活動(dòng)范圍的腰部動(dòng)作，伴隨著年齡的增長(zhǎng)，黃韌帶的彈性機(jī)制逐漸下降，腰部的劇烈運(yùn)動(dòng)就容易使腰部產(chǎn)生韌帶拉傷。黃韌帶的生理范圍為5%—50%，超過(guò)50%以后，剛性就迅速增加，在被拉長(zhǎng)至70%時(shí)即會(huì)發(fā)生損傷。

2.腰椎的基本生物力學(xué)分析

腰椎位于人體的中部，是脊柱運(yùn)動(dòng)的樞紐，其中椎間盤(pán)最厚，占椎體高度的1/2。腰椎活動(dòng)幅度大，當(dāng)彎腰即腰椎屈曲時(shí)，椎間盤(pán)前窄后寬，使腰椎的生理彎曲由前凸變平或稍微后凸。腰椎伸時(shí)，則使腰椎生理彎曲度加大，腰椎的屈伸是以第一骶椎為支點(diǎn)的多關(guān)節(jié)活動(dòng)。上體前屈時(shí)，纖維環(huán)前部膨出，而后部伸直。上體后伸時(shí)，后纖維環(huán)松弛后凸，后凸的纖維環(huán)使椎管前后徑縮小，導(dǎo)致神經(jīng)根或馬尾神經(jīng)受壓。另外，腰骶椎間盤(pán)不論脊柱呈何種屈伸角度，其載荷形式幾乎均為壓縮應(yīng)力，且應(yīng)力大小與體重、脊柱前屈的角度有關(guān)。由于椎間盤(pán)在兩相鄰脊椎骨之間，前后部均受韌帶保護(hù)，尤其前部纖維較厚，并受腹腔內(nèi)壓力的支持，當(dāng)壓縮應(yīng)力足夠大或做長(zhǎng)時(shí)間靜力性動(dòng)作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致韌帶和纖維疲勞。此時(shí)，髓核向后突出比向前突出的可能性大得多，當(dāng)壓縮應(yīng)力非常大時(shí)，就會(huì)直接損傷椎骨。

二、俯背運(yùn)動(dòng)對(duì)腰部損傷的影響

多年來(lái)，無(wú)論在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練或體育教學(xué)以及大眾健身運(yùn)動(dòng)中，俯背運(yùn)動(dòng)被大多數(shù)人所接受，在運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過(guò)程中運(yùn)用更為廣泛。多數(shù)研究人員只考慮到它可以增加腰背部及大腿后部肌肉和韌帶的柔韌性，但很少有人研究它是否對(duì)人體有不利的影響。畢竟每件事物的存在都是有利也有弊的，所以俯背運(yùn)動(dòng)的負(fù)面影響也是不容忽視的。

我們完成某個(gè)動(dòng)作，都是靠關(guān)節(jié)、韌帶及肌肉的拮抗作用來(lái)完成的。脊柱的運(yùn)動(dòng)也是靠腰椎關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)間韌帶以及脊旁肌肉群發(fā)動(dòng)的。如上體屈曲時(shí)，先從腹直肌及腰大肌開(kāi)始，然后以上體重量為負(fù)荷使屈曲進(jìn)一步發(fā)展，此時(shí)豎脊肌起控制作用，但彎曲程度繼續(xù)加大至完全屈曲后，豎脊肌失去功效，僅靠脊后方韌帶維持以防止關(guān)節(jié)內(nèi)部受傷。從屈曲位到伸直位時(shí)，豎脊肌逐漸拉脊柱伸直，到越過(guò)中軸至繼續(xù)伸直時(shí)腹肌又起控制作用。

對(duì)于腰部損傷來(lái)說(shuō)，腰椎的位置結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)形式對(duì)損傷都存在極大的影響。腰椎的病變是極其常見(jiàn)的，也可能導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生。這與腰椎的活動(dòng)范圍有著密切的關(guān)系。下表是綜合他人及自己研究所得的結(jié)果，主要表現(xiàn)了腰椎的生理活動(dòng)范圍。

由表格中可以看出，腰椎各關(guān)節(jié)段的屈伸活動(dòng)范圍由上到下逐漸增大，而側(cè)彎范圍除腰骶關(guān)節(jié)偏小外其余部分大致相等，軸向旋轉(zhuǎn)則以腰骶關(guān)節(jié)為最大，但仍明顯小于屈伸和側(cè)彎的幅度。這主要與關(guān)節(jié)面的方向相關(guān)。雖然單個(gè)腰椎關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍不大，但是五個(gè)關(guān)節(jié)疊加起來(lái)，其活動(dòng)的范圍卻很大，而且能夠支持人體的各種腰骶及動(dòng)作。但腰椎活動(dòng)的范圍也有一定的局限，如果運(yùn)動(dòng)時(shí)腰椎活動(dòng)范圍超過(guò)了極限程度，則會(huì)導(dǎo)致腰椎的損傷。

通過(guò)表中數(shù)據(jù)表明，腰椎前屈的生理范圍應(yīng)不超過(guò)50度。大多數(shù)人都有可能在運(yùn)動(dòng)中使腰椎屈曲范圍接近甚至超過(guò)正常生理范圍，偶爾的運(yùn)動(dòng)雖不能造成損傷，但長(zhǎng)期積累就會(huì)導(dǎo)致疲勞，從而對(duì)腰椎引起損傷。因?yàn)榧∪忭g帶都是粘彈性組織，在其經(jīng)常被拉長(zhǎng)時(shí)，尤其是過(guò)度拉長(zhǎng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生肌肉松弛，此時(shí)腰部的肌肉和韌帶起了穩(wěn)定和保護(hù)脊椎的作用，而大量的做俯背運(yùn)動(dòng)、過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累，腰部肌肉就會(huì)疲勞，韌帶也會(huì)產(chǎn)生松弛，使其穩(wěn)定和保護(hù)的作用減弱。因此，脊柱是更容易因大幅度運(yùn)動(dòng)而超出其生理活動(dòng)范圍造成損傷。實(shí)驗(yàn)證明，俯背運(yùn)動(dòng)對(duì)腰椎存在一定的損傷，多做則會(huì)積累導(dǎo)致腰部慢性損傷，損傷的主要病變是椎骨變形以及腰椎間盤(pán)脫出、突出等而壓迫神經(jīng)造成不良后果。

三、結(jié)論和建議

本文主要闡述了長(zhǎng)期俯背運(yùn)動(dòng)對(duì)腰椎及腰背部肌肉和韌帶彈性存在的不良影響。長(zhǎng)期積累還會(huì)導(dǎo)致肌肉疲勞、韌帶松弛而影響脊柱的穩(wěn)定性，從而使腰椎發(fā)生損傷。

隨著體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，競(jìng)技體育日趨激烈，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)調(diào)大運(yùn)動(dòng)量，腰椎負(fù)荷必然隨之加大，損傷問(wèn)題就越發(fā)突出了。據(jù)此我從生物力學(xué)角度提出兩方面的措施：一是預(yù)防，要使教練員和運(yùn)動(dòng)員充分掌握腰椎及腰背部肌肉韌帶的生物力學(xué)知識(shí)，并用以指導(dǎo)實(shí)踐，減少導(dǎo)致?lián)p傷的危險(xiǎn)動(dòng)作的出現(xiàn)。如舉重項(xiàng)目中要盡量避免遠(yuǎn)離身體的提鈴動(dòng)作，體操運(yùn)動(dòng)中要縮短靜力性動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間。二是及時(shí)治療，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究成果可為臨床提供醫(yī)療依據(jù)，學(xué)習(xí)和掌握腰椎損傷的生物力學(xué)因素及機(jī)制將進(jìn)一步推動(dòng)腰椎疾病的治療。另外在日常生活中，也要盡量避免遠(yuǎn)離身體的脊柱充分前屈的提物動(dòng)作，從而減少由于肌肉韌帶及纖維疲勞引起的椎間盤(pán)髓核突出癥的發(fā)生，避免因過(guò)度疲勞而引起的腰部疾患。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 尚桂紅.腰椎運(yùn)動(dòng)損傷的生物力學(xué)分析.山東師大學(xué)報(bào)，1995.

［2］ 岳壽偉.腰椎生物力學(xué).中國(guó)療養(yǎng)學(xué)，1997.

［3］ 張智勇.腰椎損傷的生物力學(xué)原理分析.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，1999.

［4］ 于柏龍.腰椎生物力學(xué)研究進(jìn)展.中國(guó)急救醫(yī)學(xué)，1999.

［5］ 潘惠炬.腰椎間盤(pán)突出的生物力學(xué)分析.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)，2002.