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2016 年全国中学生生物学联赛试题及解析
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脊柱生物力学
脊柱是人体的中轴支柱,具有复杂的机构和众多的功能,其中主要的有以下3方面:在各种体位时支持头颅和躯干,并将其载重负荷传递到骨盆。使头颅及躯干能在三维空间内完成较大的生理活动保护脊髓及胸,腹腔和盆腔脏器不受损伤。
第1节&脊柱生物力学模式
力学是研究力和力的作用之科学。当应用与动物和人体时,则称生物力学。
一& 脊椎的功能单位
运动节是脊柱运动的功能单位,它由2块椎骨和软组织构成的。2块相邻椎骨的椎体、椎间盘和前、后纵韧带构成运动节的前部;其后部包括椎弓、椎间关节、横突、棘突和后部韧带。椎弓和椎体形成椎管、椎管可保护脊髓。有学者在脊柱的三柱结构理论中指出,韧带是保持脊柱内外平和的重要结构。前纵韧带、椎体前半部及相依椎间盘、纤维环为前柱;椎间盘、纤维环、后纵韧带、椎体后部和椎管属于中柱;后柱为脊椎附件,包括椎板、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带和棘突。
运动节的前部与后部主体是用来承受压力负载的,压在椎体的体重越大,椎体载荷也增大。体位不同椎间盘内压也不同。椎间盘由髓核和纤维环构成。髓核位于椎间盘中心略后。纤维环由含胶原纤维束的纤维软骨组成。随着年龄增大,椎间盘逐渐发生变性,弹性也降低,失去储能和分配应力的能力,因而也减小了抗负载的能力。椎间盘变性后,其高度变小,即椎间隙变小,而相对椎周的前纵韧带、后纵韧带变长。此时若受轻微外力,使脊柱失稳就会产生移位而出现临床症状。运动节的后部控制运动节的运动,运动节的运动方向是由椎间关节面的方向来决定的。整个脊柱椎间关节面方向的变化都与水平面和额状面有关。颈椎关节面接近水平,所以能做屈伸、侧弯和旋转等大幅度运动。胸椎小关节成额状,加上胸廓存在,故胸椎只可做侧屈旋转和少许屈伸运动。腰椎的椎间关节面与水平呈90度,与额状面呈现45度,因此腰部脊椎仅能做屈、伸、和侧屈运动。
三& 脊柱的稳定
脊柱的作用是保持人体呈直立状态,将头及躯干的载荷传递到骨盆,提供在三维空间的生理活动和保护脊髓。因此,必须要维持脊柱的内外平衡和动静力平衡。脊柱的内平衡要靠椎间盘和韧带。椎间盘髓核内的压应力使相邻的2个椎体分开,而在其外的纤维环和周围的韧带在对抗髓核分类压应力的情况下,使相邻的量椎体靠拢。这2种作用相反的力,使脊柱得到较大的稳定性。脊柱上的韧带由伸缩性较小的胶原纤维组成,而连接椎弓上的黄韧带很特殊,它由含较多的弹性纤维构成。因此。它在脊柱屈伸过程中总是能保持其张力,从椎管内维持脊柱平衡。脊柱的外平衡要靠肌肉,如腰椎间盘变性后椎间隙变窄,周围韧带相对增长而导致脊柱失稳,产生脊柱向前或后滑脱时(即内平衡失调),可通过腰背肌、腹肌、腹横肌的锻炼(即增加外平衡)以增加脊柱的稳定性。一般来讲,内平衡没有外平衡重要。在内平衡失去后,脊柱失稳的变化很缓慢。而当外平衡破坏后,脊柱则难以保持正常功能脊柱的动静里平衡理论认为,骨骼和韧带维持关节稳定和平衡的作用为静力平衡,而肌肉维持关节稳定和平衡的作用则为动力平衡。国内专家通过切除兔颈棘上、棘间韧带及分离椎旁两侧肌肉而造成颈椎静力性失衡模型,在造模8个月后,就诱发了静力失衡性颈椎病动物模型另一个实验则通过手术直接破坏大白鼠颈背部的浅群、深群和全群,经影像学、组织及生化方面的检测,证实动力平衡失调也可导致颈椎病发生。
&&&&&第2节脊柱生物力学改变与临床
脊柱有6个自由度的运动,即沿冠状轴、纵轴、矢状轴的平移及旋转。在颈、胸、腰椎、骨盆的骨、关节、椎周软组织慢性劳损或椎间盘退行性改变、骨增生时,在一定的诱因条件下,使脊柱的生物力学发生改变,骨关节不能复位到正常的解剖位置上,间接或直接对神经根、椎动静脉、脊髓或交感神经产生刺激或压迫,就出现了柱相关疾病。
一& 静态的脊柱
& 脊柱侧面呈S
形,分4个弯曲,其中颈椎呈前凸线,胸椎后凸线,腰椎前凸曲线。腰椎前凸是主要曲线,它影响着颈、胸椎的2条曲线,但它又决定于骶骨基底的倾斜角度。例如,当一个人腹部脂肪明显增加后,腹部想前膨隆,腰椎去读明显加大,腰骶角也随之增大。腰段侧面观腰曲之加大向前凸,随之而来的是被曲也向后凸呈圆形背,再向上引起颈曲也增大向前凸。根据“任何一条曲线其曲度的增加必须由另外2条曲线成比例地对称地增加或减少其曲度来代偿”的脊柱生物力学规律,在治疗腰内加大的腰骶角外,还要注意纠正向后凸的胸椎,病程长者还得检查其颈曲有没有改变,若颈曲加大时应一起治疗才能收到理想疗效。长期的不良姿势及习惯可引起脊柱变形,导致脊柱相关疾病。每天长时间的的面对电脑,采用弓背颈前伸的姿势,这种肌肉拉力的增加不仅容易使颈背部劳损,也是施加于软组织以及颈椎间盘的一种压力,如果经常处于颈前伸的姿势,就会引致颈肌劳损、颈椎间盘变性甚至突出,或颈椎错位等病症,颈前凸还可引致胸后凸等连锁反应。
&&& 二动态的脊柱
脊柱的运动形式有屈伸、侧屈和旋转。在颈椎屈伸时环枢椎的幅度很小,主要是颈2~7椎骨间上一椎骨在下一椎骨之上“滑动”。脊柱在屈伸时,椎间盘在水平位发生扭转变形。前屈时椎间盘前部被压缩变窄,后部增宽,后伸时则与之相反。对于椎管而言,前屈时颈椎管增长,伸展时缩短;屈曲时椎管长度的增长多于前部,在背伸时则相反。颈屈曲时椎间孔也随之变化,屈时椎间孔张大,伸时椎间孔变小。故颈椎错位与椎间盘突出症患者,头习惯偏向健侧,为的是使病侧间隙和椎间孔张大,减少患处对神经根的刺激。
三& 脊柱力学改变
“上梁不正下梁歪”,当颈椎错位后,由于脊柱力平衡的破坏,可使胸椎、腰椎甚至骨盆失稳产生延续性错位。在颈椎错位后,脊柱内源性平衡失调,就通过外源性的肌肉紧张来加强该关节的相对稳定。这种因与原发性脊椎错位形成力学稳定关系并对其复位造成阻力的,称为负性稳定关节。
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