第四節 腰椎的運動力學
脊柱的載荷主要由體重、肌肉活動、韌帶產生的預載與外加載荷所產生。整個脊柱中腰椎承載最大，並且是疼痛的易發部位。因此，對這一區域的承載問題最為關注。目前基本可以肯定，腰椎傷病與其承載異常有密切聯係。流行病學調查也已表明，重體力勞動者的腰背痛發病率要大大高於輕體力勞動者。
除前已述及的椎間盤內壓的測定外，有些人還結合肌電圖的研究對腰椎載荷作了比較係統的研究。他們用自由體圖來確定腰椎的主要作用力及力臂，並由此計算出腰椎上的扭矩，然後預測了作用於腰、椎間盤的骶棘肌與腹肌的肌力及壓力。
Schultz（1981）等用力學模型來估計不同坐姿與立姿時作用於腰椎的載荷，並借助電子計算機來選擇當腰椎受一定扭矩作用時，維持軀幹位置的不同肌肉和肌肉群，其原則是作用於椎間盤的載荷應盡可能小，肌力不超過100N/cm2，從而將某一橫截麵上參與作功的肌肉區分開來。用這一方法所得結果已由肌電圖所證實，但用肌電圖法在記錄肌肉的不對稱活動時效果還不夠理想。
用力學模型計算腰椎載荷的方法亦被椎間盤內壓的測定結果所證實。此外，對於椎間盤內壓、肌電圖和力學模型的比較表明，這三種方法之間具有良好的相關性。
一、腰椎的靜力學
腰椎的靜力學主要涉及平衡狀態下的載荷以及不同姿勢的影響。
（一）腰椎的生理曲度
脊柱處於靜力狀態時呈現出生理彎曲：胚胎和嬰幼兒脊柱的生理曲度表現為後凸；出生後5個月時嬰兒開始爬行或能坐位仰頭，即形成繼發的頸椎前凸；自出生後9～10個月嬰兒能站立至出生後13個月，腰椎後凸消失；到3歲以後腰椎又形成繼發前凸；8歲時腰椎前凸已比較明顯，10歲時則與成人的曲度基本相同，此時原脊椎的原發後凸僅在胸椎和骶尾椎保存，以平衡脊柱的生理前凸。自此人體的生理曲度由側麵觀表現為四個曲度，即頸椎前凸、腰椎前凸和胸椎、骶尾椎後凸。在直立的脊椎動物（包括靈長類）中，惟有人類具有4個生理曲度。
根據屍體標本的測量結果，腰椎生理前凸在未受到承載時平均曲度為40°左右。活體測量時還發現充分前屈可使曲度降為0°，而充分後伸腰椎可使曲度達到80°。
脊柱曲度的生物力學意義在於增加脊柱抵抗縱向壓縮載荷的能力，這一抵抗能力於脊柱曲度值的平方成正相關，可表示為R=N2+1。
其中R為有曲度脊柱的抵抗能力，N為脊柱的曲度數。
當脊柱曲度N=0時，R=1；N=1時，R=2；N=2時，R=5；N=3時，R=10……
人體的腰椎曲度為第3個曲度，即N=3，據此可推算出腰椎所能承受的壓縮載荷為腰椎平麵以上體重的10倍。
脊柱的曲度還可用Delmas指數表示：
Delmas指數=脊柱高度/脊柱長度×100
正常Delmas指數為94，稱為動力型脊柱；當脊柱曲度小時，Delmas指數大於96，稱為靜力型脊柱。
（二）站立的不同姿勢及維持因素
人體的不同姿勢需要肌肉的自源性支持。據研究，去肌肉的屍體脊柱在所承受的軸向壓縮載荷超過20N時就會發生彎曲。位於腰椎後方肌肉有骶棘肌、棘間肌、橫突間肌等，前方主要有腹外斜肌、腹內斜肌、腹橫肌和腹直肌等。
人體直立時腰部的肌肉活動較弱，Asmussen等發現僅腹部肌肉有輕微活動，但另有人報告直立時脊柱後方肌群有持續的肌電活動。軀幹的重力線通常在第4腰椎的腹側通過，這說明重力線通常位於脊柱所有活動節段X軸的腹側，從而使活動節段獲得向前的彎矩。然而站立並不意味著絕對靜止，重力線的任何移位都將產生彎矩，因而需要肌肉的間歇活動來維持。
骨盆的傾斜度改變也影響腰椎前凸的程序，從而影響肌肉的活動。當骨盆前傾增大時腰椎前凸加大；反之，骨盆後傾時腰椎前凸減小。隨著增大骨盆的傾斜度可使背肌活動增加，而減小骨盆傾斜度可使背肌活動減弱。
（三）不同姿勢時腰椎載荷具有十分明顯的影響
當放鬆直立時，腰平麵承載幾乎為該平麵以上體重的2倍；而當身體前屈時由於向前彎矩的增加使腰椎承載也隨之增大。當無靠背端坐時，腰椎承載將超過放鬆直立時；有靠背坐時，腰椎承載比無靠背時減低，這主要是由於靠背承受了一部分身體上部的重量。當人體仰臥時腰椎承載最小，如此時行重力牽引又可進一步減輕載荷。
可能是基於美學或軍事方麵的考慮，一般總是將挺胸、抬頭即保持腰椎前凸作為標準的姿勢，但有人發現習慣於蹲坐的人群中腰椎間盤的退行性變非常少見。為此Adams和Hutton（1985）作了大量的研究，發現關節突關節在直立時承受了大部分剪切載荷，當椎間盤發生退行性變後關節突關節的承載作用就更加明顯。腰椎前屈可使關節突關節承受壓縮載荷減小甚至不承受壓縮載荷而隻承受剪切載荷，使其退行性變過程得以延緩。纖維環後部最容易發生退行性變和損傷。腰椎前屈可使纖維環後部的應力減小，纖維環前部雖然在腰椎前屈時應力達到最大，但由於這一部分較厚且剛度較大，椎間盤內壓也隨腰椎前屈而增加了0.5倍，但是尚不至於造成損傷。
腰椎間盤是人體中最大的無血管結構，其營養供給來自椎體的血管通過軟骨終板的滲透和纖維環周圍的血管。脊柱受載增加，髓核內的液體通過軟骨終板被排出，而受載減小時液體被吸入髓核。
腰椎前屈時可將髓核內更多的水分排出，從而加強液體的變換，同時液體更容易向纖維環的後部彌散，因而有利於營養的供給。
二、腰椎的動力學
腰椎的動力學主要涉及運動過程中作用於腰椎的載荷。無論是漫步還是較大強度的體力勞動，幾乎所有的身體活動都會增加腰椎的載荷。在慢步行走或隨意轉體時可中度增加載荷，而在作一些訓練活動時則可較明顯地增加載荷。Cappozzo（1984）發現，以不同速度行走時，腰3～4活動節段所承受的壓縮載荷可達到體重的0.2～2.5倍，當腳離地的一刹那，載荷可達到最大，並與行走速度呈正相關。