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椎间盘突出症和力学

2020-7-16 14:58| 发布者: weixin| 查看: 53| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 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。
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。

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。
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图1 脊柱

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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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。

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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图3 头顶重物

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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。

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。

注意到脊柱的这两点特点,我们会知道脊柱的两种常见的损害。

一种是,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,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。下图示意椎间盘突出的病变。
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图5 椎间盘突出示意

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,得了这种腰腿疼的病。
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图6 搬动重物的姿势

其次,即使我们并没有负重,但是由于姿势不正确,这时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,小学生长期用单侧背书包,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,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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图7 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。
(本文已发表于《力学与实践》2013年第4期,略有改动)

来源:力学科普微信公众号(ID:lxkp_cstam),作者:武际可 北京大学力学系。

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