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椎间盘突出与力学 精选

已有 4544 次阅读 2021-10-28 17:13 |系统分类:科普集锦

椎间盘突出症和力学

 

武际可

提要 从梁和柱的受力分析,联系到脊柱的受力。结论是,为了保护脊椎不受伤,要尽量使脊柱作为柱承受压力。文章分析了椎间盘突出症的病理和建议保护脊椎的负重姿势。还建议平时应当注意保护脊柱,注意坐卧的姿势。

关键词   柱 脊椎 椎间盘突出症 负重姿势

 

著名剧作家沙叶新说到他妻子有下面一段话:我妻子生病,我和她开玩笑,我说:“你呀,一辈子平平淡淡,啥也不突出;退休之后倒突出了,可你突出的不是地方,腰椎间盘突出!”妻子气得呀直捶我腰椎间盘突出很痛苦。医生说,如果躺着的时候,腰椎承受的压力是0的话,站着则是1,坐着却是8。所以这种病人是真正的坐立不安,只能静卧;尤其是不能坐,每天只能在床上水平地横着或在地上笔直地竖着,我说她现在过的是“横竖横”日子。“横竖横,拆牛棚”,很厉害,所以如今遇事我都让着她一点。椎间盘突出是这个病的学名,老百姓一般称为腰腿疼。因为它的直接症状就是腰和腿(一般是一侧)的神经疼痛。

说起来要了解椎间盘突出,还需要了解一点有关的力学知识。

下面这幅图画的是人的脊椎。有的书上管它叫脊柱,老百姓的口语中管它叫脊梁。到底是“脊柱”还是“脊梁”,一字之差,很是耐人寻味。

从力学的角度来看“柱”和“梁”虽然形状一样,都是一根柱体,由于它们所受的外力不同,就得到不同的名称。柱是承受轴向外力的,而梁是承受垂直于杆轴的外力的,亦即承受横向加载的外力的。

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1 脊柱

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2  柱和梁

 

在图2上,左边是一个柱承受的压力,而右边是一根悬臂梁。外力F是一样大。设这根柱和梁的横截面都是矩形,其宽度是b高为h,并设它们都是有同一材料组成的。由材料力学我们知道,两种情形,截面上的最大应力[σ]可以经过简单的计算得到。

对于柱的情况[σ] =F/(bh),因为这时柱的横截面上受力是均匀的,所以应力是外力F简单地用截面积去除。应力沿整个截面和杆长都是均匀的。

对于梁的情况[σ]=6l/(hF/(bh),这种情形,截面上的应力有拉力也有压力,所以最大应力比起柱的情况要增大6l/(h)倍。就是说如果lh10 倍的情形,则这时受同样大小的外力,梁的最大应力应当是柱的60倍!而且最大应力的位置是在梁的根部。

这就是说,在相同的截面的梁与柱,一般情况下,柱的承载能力要大得多。所以俗话说“立柱支千斤”。

这也就是说,在给定横截面的梁上,要降低梁的最大应力,最重要的因素就是要降低承力点到梁根部的距离l。因为l与最大应力是线性相联系的,最大应力大了便会引起梁的破坏。

现在回过头来看脊柱,由于人体是经常活动的,所以脊柱有时是作为柱来承受外力的,比方说在人直立、或端坐的状态就是这种情况;有时脊柱又作为梁来承受外力的,例如,人在弯腰拾取重物时,这时上体的自重和重物的重力都是垂直于脊柱的轴线的。从前面的简单讨论,我们知道,除了人在平躺的情况外,脊柱还是作为立柱时在脊柱内引起的最大应力较小。脊柱最大负担,亦即引起局部最大应力,还是当人处于弯腰负重的情况。这时,脊柱大致上就表现为一根悬臂梁,为了保护脊柱,这时需要多加小心。

因此,人类在很长的历史演进中,已经学会了在负重时尽量使脊柱作为支柱来承载。如图许多人采用头顶负重,或者用肩挑负重,都是使重物的重力大致是沿着脊柱作用,使脊柱作为支柱,只简单地承受压力。这种负重的办法是很科学的,它既能够承受更多的重量,又能够保护脊柱不受伤害。

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3 头顶重物

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4 肩挑担子

 

然而,我们前面从力学的角度来看脊柱,未免过于简单。人的脊柱毕竟不是一根僵直的棍棒,而是如图1 所示由一节一节的脊椎骨组成的,在每两节脊椎骨之间,又垫着一层椎间盘。它们是由中央部富于弹性的胶状物质的髓核,和周围是多层纤维环按同心圆排列易于变形的软骨构成的。只有这样,脊柱才能够自由弯曲,而不是僵直的。

也正是脊柱构造的这一特点,它和严格的力学中的“梁”是很不同的。最大的不同,就是它能够很好地承受压应力,而不能承受拉应力。我们知道,严格力学上的梁在承受弯曲的时候,截面上有一部分承受压力而另一部分承受拉力。但是脊柱在承受弯曲时,例如弯腰负重时,有压力也会有拉力,压力就由脊柱本身承受,而拉力部分,只能由脊柱旁边的腰肌来承受了。

当你弯腰负重时,所要搬动的物体比较重,超过了你的能力。实际上是你的背肌不够强,被拉长了,这时脊柱所受的压力是脊柱的前边应力大后部应力小,椎间盘被挤到后边去,而后边的纤维组织会被压裂而使髓核从脊椎的后方突出。我们知道在弯腰负重时,人脊柱类似于悬臂梁承重,而悬臂梁的应力是它的根部最大,所以这种突出大多发生在脊椎的最后一节上,即第五腰椎上。我们又知道脊柱后面的椎管里有神经,而第五腰椎出发的左右两条坐骨神经分别延伸到左右两条腿上。突出的椎间盘会和某一条坐骨神经相摩擦和挤压,使这条神经慢性发炎,这就构成坐骨神经痛。这是一种很常见的劳动损伤。俗称腰腿疼。严重时受伤者只能卧床休息而失去劳动力。前面说的沙叶新的夫人大概就是这种情况。5 是弯腰负重时椎间盘受力示意图,用一根受拉的弹簧表示背部的肌肉,脊椎骨只能承受压应力,弯曲时梁的截面上的拉力是由弹簧承受,在弹簧强有力的时候,椎间盘基本没有变形,当弹簧较弱时 椎间盘就会被压变形以至椎间盘突出。6示意椎间盘突出的病变。

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5 弯腰负重时椎间盘受力示意图

 

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6   椎间盘突出压迫坐骨神经示意

 

为了避免这种损伤,首先是对于所要搬动的重物要衡量一下,是不是一个人搬得动。不做超过自己能力的事。其次在搬动时要姿势正确,要使重力对脊柱所形成的力矩尽量小。也就是说让重力作用线与脊柱的轴线距离尽量小,这相当于减小图2中的l。下面四幅图中左边两幅的姿势是正确的,而右边的两幅是不正确的,因为后者的l相对要大许多。注意左下边的那幅,那个人让重物靠在腹部,重物对脊柱的力矩就会减小到最小的程度。在文革中许多知识分子被下放到农村做体力劳动,由于不熟悉这些劳动中的窍门,所以很多人用力不当,再加知识分子平常都是坐着工作,背部肌肉缺少锻炼,很弱。所以很容易得这种腰腿疼的病。

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7  搬动重物的姿势

   要避免椎间盘突出,除了搬东西正确用力之外,还要注意增强自己的背部肌肉。这就要平时注意锻炼。 8 是一组用以增强背肌的锻炼动作,如果经常做这些动作并且持之以恒,背肌一定能够强起来,有强健的背肌,在弯腰负重时也就比较不容易椎间盘突出。

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8 增强背肌的练习

 

脊柱和严格力学上的梁还有一个区别是,脊柱作为梁的组成材料是生物组织。它的行为与时间关系很大,在脊柱弯腰负重时,背肌承受拉力,时间稍长,肌肉就会疲劳不能继续支持。即使脊椎和椎间盘本身,承力的时间一长,也会产生显著变形和损伤。

经常会发生这种情况,一个人好好地,可是在长时间蹲着或较长时间弯腰之后(如图9),腰腿猛然难以忍受地疼起来,以至不能行走。有时,由于长时间躺在过软的床上,使腰前弯的时间过长,也会产生这种情况。为避免这种情况,一定不要长时间弯腰。过一小段时间,需要直立活动一下。也不要睡过软的床。

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9 蹲着、弯腰和蹲着劳动

 

现在我们要问,如果不幸患了椎间盘突出症,应当如何治疗呢。上面我们从力学原理上讲了这个病是怎么得的,腰治疗它,还需要从力学上来讲一讲。

腰腿痛既然是由于椎间盘突出的髓核摩擦和压迫坐骨神经引起的,首要的办法,就是减少压力和摩擦。这在临床上有两种办法,一是腰里穿一个“铁背心”(图10),二是做腰部的牵引(图11)。前者固定腰的形状减少腰部活动带给髓核对坐骨神经的摩擦,同时由于架子的支撑,也减少了上体对椎间盘的压力。后者使病人的胯部向下拉、胸部向上拉,使受伤的椎间盘缓解压力便于恢复。

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             10                            图 11

其次,在日常起居中,坐、卧都要严格注意,与能够引起椎间盘突出的因素,反其道而行之。

第一是,变弯腰而为爬行。如果人在弯腰时腰部是一根悬臂梁的话,爬行时腰部是一根典型的两端简支梁。我们知道,悬臂梁的弯矩是向下的,即脊部上侧受拉下部受压,简支梁的弯矩方向相反,即上部受压下部受拉(图12)。由于这个原因,所以有的地方干脆用爬行来治疗轻微的椎间盘突出的患者(图13),要求患者每天做几次爬行,每次腰坚持一段时间。其实,人类的脊椎的构造是适应爬行的,当人类由爬行进化为直立行走时,脊椎的构造并没有相应地改变过来。这才有在弯腰负重时产生腰腿痛的病。四肢爬行的动物是没有这种疾病的。

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12 弯腰与爬行时脊椎受力不同

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13 用爬行来治疗和减轻椎间盘突出的症状

第二是,坐卧都要坚持尽量使脊椎反向弯曲。如下面这些(图 14-15)。才能使椎间盘突出逐渐回复原状。

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14 正确的坐姿

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15 矫正椎间盘突出的卧姿

    以上这些做到了,经过个把月到两三个月,腰腿痛就可以逐渐减轻到痊愈。现在有的大夫动不动就劝人做手术,其实大部分椎间盘突出病人是不需要做手术的。笔者就曾经由于劳动、车船颠簸、参加拔河用力不当等,多次患椎间盘突出,每一次都是用以上的办法治好。有一段疼得实在厉害,曾经咨询过一位当医生的中学同学,他不建议手术,他的意见是只要生活基本能够自理,即不要做手术。因为手术也不见得能够根治,而且手术后也依旧不能做重体力劳动。所以我就一直是靠以上说的办法慢慢治疗。

在日常生活中,即使我们并没有负重,但是由于姿势不正确。虽然脊柱所担负的力矩很小,但是由于我们的脊柱和肌肉组织是不能承受很长时间的,所以即使负重很小但时间过长也会造成脊柱的病变。例如由于躺着的姿势不正确或长时间在电脑前工作,或者长时间蹲着,会造成颈椎和腰椎病变。还例如,长期小学生曾经用单侧背的书包,后来研究发现会导致脊柱歪曲,才普遍改用如现今用的双肩背书包。下面这两幅图 16,他们的姿势就不正确,会造成颈椎或腰椎病变。因为时间长了,他们的肌肉会松弛,脊柱长时间维持一个姿势就会产生“流变”,是一种不可恢复的变形。有时肌肉长时间紧张还会产生肌肉劳损。在需要较长时间弯腰时,最好把一支胳膊支撑在膝盖上;在需要较长时间做蹲位劳动时,例如人们在擦地板时的情形,这时最好采取爬行在地板上的姿势,它会使脊柱的负担减小许多。

 

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16  长期这样的姿势有可能导致脊柱病变

 

 

     可见,懂一点力学,对于保护你的脊柱的健康是很有好处的。

     

注:文中的插图大多来自网上。




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