第十五章理想状态下正常人体的直立静态脊柱

对脊柱模型的研究始于20 世纪50 年代对空军飞行员弹射的研究。根据文献报道，脊柱模型主要分为两大类：一是连续性模型；另一是离散参数模型，脊柱的连续性模型除受到椎体和椎间盘的解剖和生理学性质的影响外，同时还受到脊推间的藕合运动类型、肋骨、胸骨和韧带对胸廓的影响以及肌肉的作用，这使得不同个体间的差异很大。考虑以上因素，要构建脊柱的连续性模型是不现实的。而早期的脊柱离散参数模型不包括椎旁肉和肋骨，载荷也仅作用于模型的两端，而且刚性椎体仅限于在矢状平面上的运动。70 年代后出现了三维立体研究。1986 年，腰椎的前凸被认为是人类发育和运动过程中最小的能量消耗和维持稳定所必须的。因为本文所介绍的内容不是利用刚性、弹性、可塑性材料及仪表等求出的计算机程序的平衡式，所以它不同于脊柱的离散参数模型。它是从对抗重力的最佳位置来观察研究脊柱。对所有脊柱模型进行细致的分析研究后发现，竟没有人提出一个严格的静态脊柱初始位置的定义，因此有必要建立一个正常的、理想的、直立静态下的脊柱模型。

第一节理想静态脊柱模型的构建方法

像与“悬绳问题”相类似的Calcul ，变量中的等圆周问题一样，解出理想的直立脊柱模型的微分方程是可能的。而直到文献介绍构建正常理想的直立脊柱模型的一套严密数学方法时，一个基本的脊柱几何数学模型才应运而生。
一般认为，唯一提出直立静态正常脊柱模型的是一名欧洲工程师― Del 二、。他提出：正常脊柱的高度与其长度的比为95 % ，即I 关l ～标准H 几＝0 . 95 。这一标准连同脊柱各生理弯曲皆符合圆形弧度的假设，可被用于确定侧位上理想的颈、胸、腰椎的曲度。显然，理想静态脊柱模型的讨论应该限于脊柱的侧位片＿匕。骨骼肌向量和软组织流变能力的平衡方程使得我们在前后位上看到一个是绝对垂直的脊柱。换言之，如图15 一l 所示，脊椎质量的中心不是移至X 一Y 轴所处的平面上，而是被限制在Z 一Y 轴所决定的平面上。

第二节用于脊柱各个圆弧的Del ～标准（H 几＝0 . 9 引

为了简化计算，一些研究人员在侧位片上应用圆周弧对其所构建的脊柱模型中的两个原发和继发性生理弯曲进行了研究。若将De 加汾乞标准用于脊柱圆周弧的曲度计算中，则得出函数H 八J = ( si 沁）月。Del 、，标准取值正常时，H 几二（51 叻）月＝0 . 95 ，于是得出正常脊柱弯曲的弧度为63 ’。计算出脊柱的正常弧度需如下四个步骤：
( l ）确保头、胸和骨盆不会沿着图15 一1 所示的Z 轴方向平移，否则会影响平衡方程中的各个部位中点的对线。因此，变椎、第二胸椎、第十一胸椎、第一能椎处于一条垂线上就显得很必要了。假设脊柱的弯曲形状符合圆弧，则理想的脊柱弧度将是同一长度下的一组非限定的一316 一

圆弧，即各段前纵韧带长度下的等圆周问题。圈15 一1 正常人的理想静态直立资柱模型综观许多文献所提及的连续性和离散参数性的计算机脊柱棋型，竟没有见到一个严格确定的初始位里。图中所见即为E 血们咖所提出的理想脊往静态模型的初始位皿。平衡方程规定颅骨、胸廓、骨盆、膝、躁的质量中心必须在正中矢状面上，即图中的Y 一Z 平面二在此唯一有争议的就是两个原发和继发性的脊柱生理弯曲在矢状面上的弧度，1 玉刀i ～在本文中提出的圆弧为63 '

图15 一2 矢状面上脊柱各组弯曲的弧度若假设脊柱各段在矢状面上其曲度是国弧形，则颈稚曲度可分为颈椎前凸增大、领椎曲度正常和颐稚减小等几种悄况。颈椎曲度的弧长或者说前纵韧带长度是固定不变。从这各组圆弧中确定脊柱某一段正常弧度值时，就变成了等圆周数学间题。在矢状面上，任一正常的颈由、胸由或樱曲都应满足以下条件：( ] ）肌肉收缩产生运动时起到的杠杆作用；( 2 ）在圆弧顶点处（项。一，，胸‘一，, 腰劝弯曲力矩最小备（3 ）在曲线上的各个点应力最小。图中描述了寰椎在胸椎（TZ ）上不同高度的一组不同弧度〔 或半径）的圆弧

( 2 ）颈椎、胸椎和腰椎曲度在程度或弧度上是相同的，只是其长度或半径不同。图15 一3 是从侧位来观察和描述整条脊柱，此时的块Inla 吕标准则为：H 几＝< C , + q ＋场）汉气十岛十凡）这里瓜表示脊柱的高度，践表示弧长，即脊柱的长度，i 取值为1 、2 、3 。
( 3 ）在圆弧中氏坛班s 标准H 几二（Sin6 ) / 0 。图15 一4 中，假定整段圆弧的弧心角20 被平分，利用三角函数可得脊柱的高C = ZR ( Si 浦）；利用弧长公式求出脊柱的长S 二R ( 20 ) , R 为半径。那么，( H / L ）二（C / S ）即H 几二C / S 二ZR ( 51 动）/ R ( 20 ) = ( Si 动）旧
( 4 ）若在理想正常状态下H 几二0 . 95 ，则（si 动）刃＝0 . 95 ，于是可以得出口＝0 . 55 弧度，2 日＝63 。
图15 一5 中将上述四步进行了归纳。在侧位上对直立的脊柱进行了观察，如果脊柱高与其长相等，则H 几二1 ；当理想静态正常脊柱弯曲的弧度为63 ’时，则脊柱的高与其长度的比率为0 . 95 ；而当脊柱弯曲为半圆时，计算出脊柱的高与其长的比率为0 . 64 。显然，这一结果不切实际。
第三节为什么在矢状面上脊柱静态模型的曲度呈圆弧形

Gra 住Ivetsky 和FarfaTI 都认为，在举重时，为了避免脊柱因受力过大而损伤或骨折，往往通过减小腰椎前凸的程度甚至使腰雄前凸减少到最小，来使得应力均匀地分配到整个脊柱。一般说来，最初的静态腰椎前凸是从受检者的侧位直立X 线片上获得的。通过计算来描述各肌群、韧带系统、胸腰筋膜等是通过机械感受器和伤害感受器在神经系统控制下，将作用于腰椎各关节的压力、张力和剪切力平均分配并使其减低至最小，这不仅限于屈伸动作，也用于其他各种运动，如步态等。把各种应力降低到最小并平均分配到脊柱各个椎间盘及小关节上的机制，在人体静止直立体位时发挥脊柱效能的这种假设，听起来似乎合乎逻辑。
于是，研究人员便利用几种简单的几何形状来构想脊柱在矢状曲度上可能的外型，比如脊柱曲度的双曲线形、椭圆形、抛物线形、正弦曲线形以及正圆形。如果用作用于端点上的弯矩来分析这些几何形状的弧或某个片段，那么圆弧的形状好像可以把作用于端点即颈椎4 一5 , 胸椎6 一7 ，腰椎3 上下的前纵韧带的压力更加均匀的分配。图15 一6 图示的是一圆弧节段的弯矩。
在端点这一公式可简化为M 二Wa 。因为成人颅骨的重量是一相对恒定值，因此或大或小的损伤可引起图中两点间距离的改变，因而只会造成弯距的变化，从而导致脊柱曲度形状的改变。前纵韧带是脊柱前凸的弧顶上对抗弯矩应力的唯一组织结构。
现已证实腰椎前凸是人体直立行走所必需的，将来还会揭

阳15 一9 颈椎前凸是其力学结构所必须从推体、关节突、推间盘、终板以及脊位的解剖研究中可以发现，项椎前凸对人体有着非常重要的临床意义。若假设推体的重心位于椎体后缘的中点上，那么经过相邻稚体的实际力的向蛋就如图中所描述的那样。而通过颈曲的合力向量则向下经过颈椎前凸后再传导至脊俏

的绝对旋转角度为43 ' ；图15 一10 中Tl 一T5 一T10 的绝

对转角为45 ' ；图