人体腰椎在发力动作中的受力特点与运动损伤.pdf

人体腰椎在发力动作中的受力特点与运动损伤章旌红(武汉体育学院 运动生物力学教研室,湖北 武汉?430 07 9)摘?要:腰椎生物力学的参数显示腰椎在发力动作中主要受弯矩和压力作用。外负荷和肌力是影响腰椎载荷的主要因素,其中以肌力为主,肌力值是外负荷的 9 10 倍。髋关节角度越大,外负荷能力越强,18 0?时,达到最大。减少腰椎负荷最有效的办法是通过伸髋展体减小阻力臂以减少弯矩。关键词:生物力学;腰椎;运动损伤;肌力中图分类号:G80 4.66?文献标识码:A?文章编号:1 000?520 X(20 01)0 4?00 42?03Biomechanical analysis of lumbar vertebra andsports injury during weight liftingZHANG Jing?hong(T eaching and Research Office of Biomechanics,Wuhan Inst.of P.E.,Wuhan 430 07 9,China)Abstract:Biomechanical parameters of lumbar vertebra shows that the main loads of lumbarvertebra are pressure and bending moment.The weight and dorsal muscle force can influence thelumbar vertebra load and the muscle force is the main factor.The muscle force is 9 10 times asmuch as the weight.More weight can be lifted while the hip joint angle is increasing.The largestweight can be lifted when at about 1 80?.T he best way to unload the lumbar vertebra and avoidinjury is to extend the body to shorten the resistance arm.Key words:biomechanics;lumbar vertebra;sports injury;muscle force?腰椎是脊柱的主要承载部分,也是运动损伤的多发部位。据统计,全世界有 70%80%的人口曾经有过腰背疼痛的经历 1。在力量型的运动项目中,腰椎因负荷过重,发病尤其频繁。对于腰椎的损伤,其治疗与康复都较为困难,复发率极高。所以对于这些运动员来说,腰椎的损伤往往意味着运动生涯的结束。采用生物力学的方法研究腰椎运动的力学性质,了解其承载的机制,不仅可以使运动员掌握科学的发力动作,充分发挥运动潜能,避免损伤,延长运动寿命,还可以为损伤的治疗及康复选择适宜的方案2,3。举重项目的发力动作是一个重要的技术动作,在力学上属于腰椎工作最常见的形式 提物方式。笔者采用力学模型与参数测量相结合的方式研究了第 5 腰椎在不同的活动幅度下的关节受力及其影响因素,并从力学的角度分析了预防腰椎运动损伤的方法。研究结果表明:(1)在发力动作中,腰椎主要受到弯矩和压力两种载荷的作用。增加髋关节的角度能够有效地减轻弯矩。压力主要受到肌力的影响,肌力越大,压力也越大。(2)在发力动作中减轻腰椎载荷的有效手段是充分伸髋展体,贴近杠铃重心,以减少腰椎负荷,防止腰椎损伤。(3)在腰椎负荷强度很大的运动项目中,不仅要以血乳酸作为疲劳的指征,还应该引入腰椎间盘的疲劳参数来安排力量训练。1?资料与方法研究腰椎的运动生物力学方法主要有 3 种:椎间盘内压的测定、肌电图和力学模型法。3 种方法具有良好的相关性4,5。考虑到椎间盘法的损伤性及肌电图法不能单独确定力值的特点,笔者选取了力学模型与参数测量相结合的方法。研究工作分为以下 3 部分:1.1?直接测量收稿日期:2 00 1?04?05作者简介:章旌红(19 64?),女,浙江绍兴人,硕士,讲师。第 35 卷 第 4 期20 01 年 8 月武?汉?体?育?学?院?学?报Journal of Wuhan Institute of Physical EducationVol.3 5No.4Aug.,2 001?以武汉体院本科 26 名学生为研究对象,受试者双手握住 GGD 25 型数字型电子秤做举重发力动作,数字型电子秤的读数即为外负荷的大小,相当于杠铃的重量。用双臂式量角器测量髋关节角度,量值实际上代表了第 5 腰椎的活动幅度。1.2?力学模型将直接测量量的结果代入脊柱的力学模型中6,计算背肌肌力和第 5 腰椎的关节反力。?图 1 中 F 代表背肌肌力,N 代表第 5 腰椎的关节反力,G1代表躯干的重量,G2代表头、上臂和外负荷的重量之和,?代表腰椎的角度。根据该模型计算有:F=(3 W+1?215 G)sin?/2 sin12?,Lm=2/3 Lsin12?,LW=Lsin(18 0?-?),LG=1/2 sin(18 0?-?)。其中 F 代表背伸肌肌力,W 代表外负荷,G 代表身体的重量,Lm代表肌力臂,LG和LW分别代表体重和外负荷的力臂,它们均为阻力臂,?代表髋关节角度。1.3?数据处理所有数据均采用 Excel 4?0 处理。自变量为髋关节角度,函数为各个力值。力值使用体重为单位,以消除个体差异的影响。最后,对直接测量量进行多项式曲线拟合。2?结果结果见表 1 2 和图 2 3。从表 2 可以发现各力值均与髋关节角度有关:随着髋关节角度的增加,外负荷、肌力与关节反力都呈增加趋势;从图 3 可以发现,关节反力的值与肌力值相近而比外负荷的值要大得多。表 1?直接测量量?(?)6 3758090951 001 06W/G1.60 8!0.11 51.360!0.07 31.7 78!0.09 42.0 28!0.11 01.5 28!0.1562.1 75!0.1 011.81 7!0.0 99?(?)10 812 513 51601 651 68W/G2.15 9!0.94 62.056!0.49 22.1 99!0.19 82.1 00!0.08 42.2 53!0.0142.1 43!0.0 29表 2?腰椎的运动力学参数?(?)63758 0909 510 01 06W/G1.6 081.36 01.7 782.02 81.52 82.1 751.81 7F/G1 4.5312.73 51 5.75 017.5 501 3.94 51 8.6 1116.0 30N/G1 4.1412.47 01 5.53 017.4 401 3.88 01 8.6 0016.0 80?(?)10 81 2513 51601 6516 8W/G2.1 592.05 62.1 992.10 02.25 32.1 43F/G18.5 0017.76 01 8.78 51 8.0 71 9.17 51 8.3 80N/G18.5 7018.01 01 8.85 018.6 001 9.72 01 8.9 503?讨论3.1?髋关节角度对弯矩的影响从运动生物力学的角度来看,在发力动作中,上体相当于一个杠杆。第 5 腰椎的瞬心为支点,体重和外负荷为阻力,背伸肌肌力为动力。由于阻力臂大于动力臂,所以这是一个费力杠杆,腰椎主要受到弯矩和压缩载荷两种阻力的作用。阻力臂=支点到阻力作用点的距离 sin(180?-?)。从关系式中可以看出髋关节角度与阻力臂呈反向关系:髋关节角度越大,阻力臂越小,阻力对腰椎的弯矩也越小。从另一角度来说,在阻力的弯矩相同时,髋关节角度越大,克服的阻力越多。图 1 的结果正说明了这一点:当髋关节角度从 6 3?增加到 180?时,外负荷值由1?397 增加到 2?266 倍体重,上升幅度达 1?3 倍体重。43第 4 期章旌红:人体腰椎在发力动作中的受力特点与运动损伤髋关节角度(?)图 2?外负荷与髋关节角度的关系髋关节角度(?)?图 3?关节反力、肌力、外负荷与髋关节角度的关系3.2?肌力对关节压力的影响椎体的压力主要是背伸肌的力量和阻力共同作用的结果。由于肌力臂远小于阻力臂,所以肌力值比外负荷值大得多。由图 2 的结果可以看出肌力值比外负荷值大约 9 1 0 倍。3.3?减轻腰椎负荷,预防运动损伤腰椎疾病的病因很多,如暴力、炎症等。但是在运动员中,腰椎疾病主要是训练中用力不当造成的,其中以椎间盘突出较为多见。从运动生物力学的角度来看,在发力动作中,腰椎受到的负荷为弯矩和压力。在活动节段中,椎间盘具有抗压不抗弯的特点,因而弯矩对椎间盘的损害更为严重。若运动中过度前倾,会在腰椎中产生很大的弯矩,有可能造成纤维环的破坏与髓核突出。由此可见,减轻腰椎最直接有效的方法是减小弯矩。由于弯矩=阻力 力臂,对于运动员来说,阻力往往与运动成绩联系在一起,所以减少弯矩只能从减少力臂入手。从前面的分析来看,髋关节角度与力臂的大小有关。可以通过增加髋关节角度来减少阻力臂。此外,根据静力学原理:肌力 动力臂=阻力 阻力臂,当阻力臂减少时,由于动力臂变化很小,肌力值也会减少,肌力的减少又会使椎体受到的压力减少。所以,运动员在做发力动作时,首先,应使身体尽量贴近杠铃,并充分展体使髋关节角度接近 180?,以减轻腰椎的载荷。其次,运动员应注意利用对抗肌的收缩力量来加固腰椎关节和分散载荷。在发力动作中,背伸肌固然起着主要作用,但是屈肌的作用也不能忽略。屈肌的收缩可以加固关节,增加关节的稳定性,并可以减少扭矩的作用。据报道,腹肌强有力的收缩能使腹内压上升,在大负荷的情况下还可以分散 40%的脊柱载荷4。第三,科学地安排运动量。由于椎间盘如同其它的关节软骨一样,属于无血运的组织,它主要依靠液体的渗透作用维持新陈代谢,其修复能力非常弱,极易退变。大运动量后,代谢产物如乳酸、糖胺聚糖会引起盘内PH 值下降,因其运输能力弱而恢复缓慢。运动训练中一般采用血乳酸作为疲劳的指征,因此不能准确地反映椎间盘的疲劳程度。在某些情况下,肌肉的疲劳已恢复正常,而椎间盘还未完全恢复,如果运动员马上进行阶段训练,容易造成椎间盘退变 1。所以在某些项目,如举重运动中,应引入椎间盘的疲劳程度作为安排训练的一个指标。参考文献:1 胡顺江.康复医学与护理 M.北京:科学技术文献出版社,19 99.2 49.2 杨建伟,李泽兵.腰椎间盘突出症患者的体质分析 J.中国康复,20 00,(3):14 3.3 倪新国.骨关节康复中的力学问题 J.中国康复理论与实践,20 00,(1):1 4.4 胡有谷.腰椎间盘突出症 M.北京:人民卫生出版社,19 96.6 1?1 13.5 David M.Andrews and James J.Dowling(2 00 0).Mechani?cal Modeling of Tibial AxialAccelerations Following Impul?sive Heel Impact J.Journal of Applied Biomechanics,2 00 0,16(2):2 76?28 7.6 全国体育学院教材委员会.运动生物力学 M.北京:人民体育出版社,19 95.1 15.44武汉体育学院学报第 35 卷