脊柱的生物力学

脊柱可看成是相互类似的运动节段组成，即脊柱功能性单位（functional spinal unit，FSU），含有两个相邻椎体及其椎间盘、韧带、关节突及关节囊复合体。

椎体主要承受压缩载荷，由上向下持重量逐渐增大，椎体的截面积也逐渐变大。椎体的强度和刚度与骨密度密切相关，随着增龄，椎体骨量减少，骨密度下降，椎体强度下降。椎间盘能制约椎体间的过多活动并承受、分散应力。椎间盘承受的载荷较椎体复杂。脊柱前屈、后伸和侧凸将产生拉应力和压应力，旋转产生剪切应力；由于脊柱活动往往是多方向的耦合，因此椎间盘往往承受多种类型的联合应力。在外加载荷下，椎间盘膨隆，髓核承受压应力是外加载荷的1.5倍，而纤维环的压应力为外加载荷的0.5倍，后部纤维环主要承受拉伸应力，为外加载荷的4～5倍。关节突关节在每个部位的方向性不同。

脊柱的受力与体重、肌肉活动和外加载荷有关。脊柱可看成一个改良弹性杆，脊柱的诸结构和生理弯曲，使脊柱能承受比笔直更大的载荷量。躯干肌肉、肋骨和腹腔压力对稳定脊柱也起了重要作用。人体站立时躯干的重力线通过第4腰椎椎体中心的腹侧，因此重力使脊柱节段产生前屈弯矩，需要韧带和背部肌肉来抗衡。如脊柱重力线改变，肌肉必须重新调整来适应这种状态。骨盆对脊柱的静止状态也有密切关系。松弛站立时，骶骨角约30°，骨盆向后倾斜，骶骨角变小，腰椎变直；骨盆向前倾斜，骶骨角变大，腰椎前凸增加。不同体位能使腰椎承受不同的载荷，仰卧位时脊柱承受载荷最小；躯干前屈时，前屈力矩增加而承受载荷增加；坐位时脊柱承受的载荷比站立要大；无靠背的坐位比有靠背的脊柱承受载荷增加，因后者的靠背能支持部分体重，前者骨盆后倾，腰前凸变平，重力线前移，弯曲力矩增加引起。