身高对腰椎间盘影响的生物力学分析

郭郡浩

摘要目的:探讨身高的变化对腰椎间盘受力的影响。方法:运用生物力学方法,计算出一定体重和固定前屈角度时,不同身高对腰椎间盘受力的影响。结果:随着身高的增加,腰椎间盘的受力也相应增加,其中挤压力随着身高的增加而增加,剪切力则相对不变。结论:身材较高的人应注意腰椎间盘的保护。

关键词 腰椎间盘生物力学身高相关性

1资料与方法

设体重为60kg,腰椎前屈30°(见图1A、B)。作用于腰骶水平位上腰椎的两个主力是上身体重所产生的力和直棘肌所产生的力。上身体重所产生的力为W,上身体重为全身体重的65%,则上身体重W=60×65%=39kg,W的杠杆臂LW为25cm,其抗衡力为直棘肌所产生的力M,M的杠杆臂Lm为5cm。M的值用公式1计算;作用于椎间盘的挤压力C用公式2计算;作用于椎间盘的剪切力S用公式3计算。

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在体重及前屈角度一定的情况下,身高增加时上身重心随之上移,使上身体重W的力臂LW增加(本文设增加的身高与上身重心上移距离相等)。根据勾股定理,前屈30°时,上身重心每升高1cm,LW增加0.5cm。运用上述系列公式计算身高增加时椎间盘的受力变化。

2结果2.1身高不增加时,直棘肌的力M=195kg,作用于椎间盘上的挤压力C=246.96kg,作用于椎间盘上的剪切力S=30kg。

2.2身高增加时,椎间盘受力的变化见图表1。

图表1椎间盘受力随身变化曲线(x:增加的身高;y:增加的应力C+:增加的挤压力;S+:增加的剪切力)

图1从图表中可以看出,随着身高的增加,椎间盘受到的挤压力也随之增加,两者的变化呈直线相关。而椎间盘受到的剪切力则不受身高的影响。

2.3众所周知,角度越大,其余弦值越小,而其正弦值则越大。由公式2、公式3可知,随着腰椎前屈角度的增加,腰椎间盘所受到的挤压力减小,而其剪切力却逐渐加大。同理,腰椎前屈角度减小时,腰椎间盘所受到的剪切力则逐渐减小。

3讨论

腰椎间盘突出症是中青年常见病,严重者影响日常生活及工作。本病的发生与遗传、外伤、劳损等因素有关。运用生物力学原理分析椎间盘的受力对于探讨椎间盘突出的力学机制有一定的帮助。影响椎间盘受力的因素有体重、姿势等,关于身高影响椎间盘受力的研究则较少。本研究结果表明在身体前屈角度一定时,椎间盘的受力随身高的增加而增加,增加的应力主要是挤压力,剪切力并不受身高的影响。而随着腰椎前屈角度越大,腰椎间盘所受到的剪切力则越大。因此,对于身材较高者而言,过度的腰椎前屈活动也是导致腰椎间盘突出的因素之一。尽量减少腰椎前屈活动也是保护腰椎间盘的重要措施。如在弯腰拾物时,应尽量保持上身挺直,利用屈膝屈髋姿势捡拾物体,以减小椎间盘的受力,起到保护椎间盘的作用。腰椎间盘的受力随身高的增加而增加这种变化规律的确切临床意义,以及椎间盘突出症的发病率是否随身高的增加而增加,有待于更进一步探讨。