身高對(duì)腰椎間盤影響的生物力學(xué)分析

郭郡浩

摘要目的:探討身高的變化對(duì)腰椎間盤受力的影響。方法:運(yùn)用生物力學(xué)方法,計(jì)算出一定體重和固定前屈角度時(shí),不同身高對(duì)腰椎間盤受力的影響。結(jié)果:隨著身高的增加,腰椎間盤的受力也相應(yīng)增加,其中擠壓力隨著身高的增加而增加,剪切力則相對(duì)不變。結(jié)論:身材較高的人應(yīng)注意腰椎間盤的保護(hù)。

關(guān)鍵詞 腰椎間盤生物力學(xué)身高相關(guān)性

1資料與方法

設(shè)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(gè)主力是上身體重所產(chǎn)生的力和直棘肌所產(chǎn)生的力。上身體重所產(chǎn)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(chǎn)生的力M,M的杠桿臂Lm為5cm。M的值用公式1計(jì)算;作用于椎間盤的擠壓力C用公式2計(jì)算;作用于椎間盤的剪切力S用公式3計(jì)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(shí)上身重心隨之上移,使上身體重W的力臂LW增加(本文設(shè)增加的身高與上身重心上移距離相等)。根據(jù)勾股定理,前屈30°時(shí),上身重心每升高1cm,LW增加0.5cm。運(yùn)用上述系列公式計(jì)算身高增加時(shí)椎間盤的受力變化。

2結(jié)果2.1身高不增加時(shí),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(shí),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(yīng)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(guān)。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(shí),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(yán)重者影響日常生活及工作。本病的發(fā)生與遺傳、外傷、勞損等因素有關(guān)。運(yùn)用生物力學(xué)原理分析椎間盤的受力對(duì)于探討椎間盤突出的力學(xué)機(jī)制有一定的幫助。影響椎間盤受力的因素有體重、姿勢(shì)等,關(guān)于身高影響椎間盤受力的研究則較少。本研究結(jié)果表明在身體前屈角度一定時(shí),椎間盤的受力隨身高的增加而增加,增加的應(yīng)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(duì)于身材較高者而言,過度的腰椎前屈活動(dòng)也是導(dǎo)致腰椎間盤突出的因素之一。盡量減少腰椎前屈活動(dòng)也是保護(hù)腰椎間盤的重要措施。如在彎腰拾物時(shí),應(yīng)盡量保持上身挺直,利用屈膝屈髖姿勢(shì)撿拾物體,以減小椎間盤的受力,起到保護(hù)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(guī)律的確切臨床意義,以及椎間盤突出癥的發(fā)病率是否隨身高的增加而增加,有待于更進(jìn)一步探討。