長期俯背運動造成腰部損傷的生物力學分析

摘 要：隨著體育運動的發展，運動員的運動量不斷地增加，腰椎負荷隨之加大，腰部損傷問題越發突出，它嚴重影響、威脅著運動員的運動壽命。因此，腰部損傷的預防和治療是不容忽視的，而要解決腰椎損傷的一系列問題，必要前提是要了解腰部的結構功能。本文從人體解剖學特點、生物學以及生物力學的角度對腰部的結構及生物力學性質進行研究，闡述了腰椎損傷的發生機制及保護、預防的措施。

關鍵詞：俯背運動 腰部損傷 力學分析

前言

腰痛一直是困擾人類最常見的疾病，尤其在體育運動中，腰椎損傷嚴重地威脅著運動員的身體健康和運動成績。據統計，在運動員中有60%—70%存在不同程度的腰椎疾患。因此腰部疾病的防治成為備受關注的話題。多年來，國內外學者對腰椎的生物力學性質進行了大量的研究，但由于腰椎生理結構的復雜性及研究手段的局限性，很多問題有待進一步的探索，特別是對運動員腰部損傷的防治成了亟待解決的問題。

脊柱是人體的支柱，腰骶部又是軀干連接下肢的橋梁，承受的載荷在整個脊柱中位居首位，同時其活動范圍也相對最大，正因如此，腰椎發生損傷的機率就較大。近20年來，研究人員用現代化的力學實驗方法及理論分析計算，終于在腰椎損傷產生機理方面得到了較大的進展。實驗表明：腰椎損傷大多是由于腰部脊椎骨、腰椎間盤、肌肉、韌帶的生物力學平衡關系被破壞而引起的。造成平衡關系破壞的原因很多，如長期積累導致脊椎的退行性變化，外力過于強大，活動范圍超過腰椎的最大生理范圍以及體位不當等由此引發一系列病變。要解決腰椎損傷的問題，應該先從腰部的生物力學性質的分析入手。

一、腰背部基本生物力學分析

1.腰背部肌肉韌帶的基本生物力學分析

腰背部肌肉分布均勻，通過收縮產生抗拒力維持腰椎的穩定。在運動狀態下，隨著強度和幅度的加大，致使腰部與腰部相關的肌肉、韌帶產生退變或損傷，從而使腰部承受慣性載荷在總體上相對減少。通過對每塊肌肉的研究證實，活的人體肌肉收縮或舒張時都做功，在相同條件下肌肉收縮所做的功比舒張時所做的功要大。因此，脊柱伸直時所做的向心舒張功要大于屈曲時所做的離心收縮功。

腰部棘突的方位平直向后，棘上韌帶深部纖維聯結相應的棘突，淺部纖維越過棘突3—4節，能控制棘突的前屈。棘間韌帶在腰部發育最強，對腰椎運動的影響也較大。因此，棘上韌帶和棘間韌帶兩種結構對于維持腰椎穩定起到了十分重要的作用，不僅控制腰椎的不同類型活動，同時也承受一定的牽拉、扭轉載荷。實驗證明在腰部4、5脊椎功能單位上，棘上、棘間韌帶提供12%—16%的張力強度、10%的扭轉強度。在屈曲狀態下，棘上、棘間韌帶對脊柱起穩定作用。還有研究證實，兩種韌帶結構在生理活動期間不僅存儲肌肉能量，同時也對脊柱關節起穩定和保護作用。

通過解剖學的研究我們了解到：在相鄰腰椎板之間存在黃韌帶，黃韌帶的構成中彈性纖維約占60%—70%，韌帶產生的預張力對腰椎間盤形成預應力，有助于保護腰椎及脊柱的穩定性，同時還能防止韌帶本身在腰椎后伸時發生彎折。人在20歲之前黃韌帶的預張力約為18N，而70歲的老年人黃韌帶的預張力僅為5N左右。由此看來，20歲前黃韌帶具有較高的彈性機制，腰部柔韌性較好，能承受大活動范圍的腰部動作，伴隨著年齡的增長，黃韌帶的彈性機制逐漸下降，腰部的劇烈運動就容易使腰部產生韌帶拉傷。黃韌帶的生理范圍為5%—50%，超過50%以后，剛性就迅速增加，在被拉長至70%時即會發生損傷。

2.腰椎的基本生物力學分析

腰椎位于人體的中部，是脊柱運動的樞紐，其中椎間盤最厚，占椎體高度的1/2。腰椎活動幅度大，當彎腰即腰椎屈曲時，椎間盤前窄后寬，使腰椎的生理彎曲由前凸變平或稍微后凸。腰椎伸時，則使腰椎生理彎曲度加大，腰椎的屈伸是以第一骶椎為支點的多關節活動。上體前屈時，纖維環前部膨出，而后部伸直。上體后伸時，后纖維環松弛后凸，后凸的纖維環使椎管前后徑縮小，導致神經根或馬尾神經受壓。另外，腰骶椎間盤不論脊柱呈何種屈伸角度，其載荷形式幾乎均為壓縮應力，且應力大小與體重、脊柱前屈的角度有關。由于椎間盤在兩相鄰脊椎骨之間，前后部均受韌帶保護，尤其前部纖維較厚，并受腹腔內壓力的支持，當壓縮應力足夠大或做長時間靜力性動作時，會導致韌帶和纖維疲勞。此時，髓核向后突出比向前突出的可能性大得多，當壓縮應力非常大時，就會直接損傷椎骨。

二、俯背運動對腰部損傷的影響

多年來，無論在運動訓練或體育教學以及大眾健身運動中，俯背運動被大多數人所接受，在運動員的訓練過程中運用更為廣泛。多數研究人員只考慮到它可以增加腰背部及大腿后部肌肉和韌帶的柔韌性，但很少有人研究它是否對人體有不利的影響。畢竟每件事物的存在都是有利也有弊的，所以俯背運動的負面影響也是不容忽視的。

我們完成某個動作，都是靠關節、韌帶及肌肉的拮抗作用來完成的。脊柱的運動也是靠腰椎關節、關節間韌帶以及脊旁肌肉群發動的。如上體屈曲時，先從腹直肌及腰大肌開始，然后以上體重量為負荷使屈曲進一步發展，此時豎脊肌起控制作用，但彎曲程度繼續加大至完全屈曲后，豎脊肌失去功效，僅靠脊后方韌帶維持以防止關節內部受傷。從屈曲位到伸直位時，豎脊肌逐漸拉脊柱伸直，到越過中軸至繼續伸直時腹肌又起控制作用。

對于腰部損傷來說，腰椎的位置結構及其運動形式對損傷都存在極大的影響。腰椎的病變是極其常見的，也可能導致多種疾病的發生。這與腰椎的活動范圍有著密切的關系。下表是綜合他人及自己研究所得的結果，主要表現了腰椎的生理活動范圍。

由表格中可以看出，腰椎各關節段的屈伸活動范圍由上到下逐漸增大，而側彎范圍除腰骶關節偏小外其余部分大致相等，軸向旋轉則以腰骶關節為最大，但仍明顯小于屈伸和側彎的幅度。這主要與關節面的方向相關。雖然單個腰椎關節活動范圍不大，但是五個關節疊加起來，其活動的范圍卻很大，而且能夠支持人體的各種腰骶及動作。但腰椎活動的范圍也有一定的局限，如果運動時腰椎活動范圍超過了極限程度，則會導致腰椎的損傷。

通過表中數據表明，腰椎前屈的生理范圍應不超過50度。大多數人都有可能在運動中使腰椎屈曲范圍接近甚至超過正常生理范圍，偶爾的運動雖不能造成損傷，但長期積累就會導致疲勞，從而對腰椎引起損傷。因為肌肉韌帶都是粘彈性組織，在其經常被拉長時，尤其是過度拉長時就會產生肌肉松弛，此時腰部的肌肉和韌帶起了穩定和保護脊椎的作用，而大量的做俯背運動、過長時間的積累，腰部肌肉就會疲勞，韌帶也會產生松弛，使其穩定和保護的作用減弱。因此，脊柱是更容易因大幅度運動而超出其生理活動范圍造成損傷。實驗證明，俯背運動對腰椎存在一定的損傷，多做則會積累導致腰部慢性損傷，損傷的主要病變是椎骨變形以及腰椎間盤脫出、突出等而壓迫神經造成不良后果。

三、結論和建議

本文主要闡述了長期俯背運動對腰椎及腰背部肌肉和韌帶彈性存在的不良影響。長期積累還會導致肌肉疲勞、韌帶松弛而影響脊柱的穩定性，從而使腰椎發生損傷。

隨著體育運動的發展，競技體育日趨激烈，運動訓練強調大運動量，腰椎負荷必然隨之加大，損傷問題就越發突出了。據此我從生物力學角度提出兩方面的措施：一是預防，要使教練員和運動員充分掌握腰椎及腰背部肌肉韌帶的生物力學知識，并用以指導實踐，減少導致損傷的危險動作的出現。如舉重項目中要盡量避免遠離身體的提鈴動作，體操運動中要縮短靜力性動作的持續時間。二是及時治療，運動生物力學研究成果可為臨床提供醫療依據，學習和掌握腰椎損傷的生物力學因素及機制將進一步推動腰椎疾病的治療。另外在日常生活中，也要盡量避免遠離身體的脊柱充分前屈的提物動作，從而減少由于肌肉韌帶及纖維疲勞引起的椎間盤髓核突出癥的發生，避免因過度疲勞而引起的腰部疾患。

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