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  梁 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。

图1 脊柱

图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/(h）F/(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l比h大10 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。

图3 头顶重物

图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。图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。图6示意椎间盘突出的病变。

图5 弯腰负重时椎间盘受力示意图

图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。

图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。 图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。

图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。

图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。

            图 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。

图 12 弯腰与爬行时脊椎受力不同

图 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。

图14 正确的坐姿

图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（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。

图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。