椎間盤突出癥和力學(xué)

武際可

（北京大學(xué)工學(xué)院）

？著名劇作家沙葉新說到他妻子時(shí)有這樣一段話:“我妻子生病，我和她開玩笑，我說：‘你呀，一輩子平平淡淡，啥也不突出；退休之后倒突出了，可你突出的不是地方，腰椎間盤突出!’妻子氣得呀直捶我。腰椎間盤突出很痛苦。醫(yī)生說，如果躺著的時(shí)候，腰椎承受的壓力是0的話，站著則是1，坐著卻是8。所以這種病人是真正的坐立不安，只能靜臥；尤其是不能坐，每天只能在床上水平地橫著或在地上筆直地豎著，我說她現(xiàn)在過的是‘橫豎橫’日子?！畽M豎橫，拆牛棚’，很厲害，所以如今遇事我都讓著她一點(diǎn)?！?
說起來要了解椎間盤突出，還需要了解一點(diǎn)相關(guān)的力學(xué)知識(shí)。
下面這幅圖畫的是人的“脊椎”（見圖1），這是醫(yī)學(xué)上的名詞。有的書上管它叫“脊柱”，老百姓的口語中管它叫“脊梁”。到底是“脊柱”還是“脊梁”？雖然只有一字之差，卻耐人尋味。
從力學(xué)的角度來看，“柱”和“梁”雖然形狀一樣，都是一根柱體，但由于所受的外力不同，于是它們就得到不同的名稱。柱是承受軸向外力的，而梁是承受垂直于桿軸——即橫向加載的外力的。
在圖2中，左邊是一根承受軸向壓力的柱，而右邊是一根承受橫向外力的懸臂梁。它們所承受的外力F一樣大。設(shè)這根柱和梁的橫截面都是矩形，其寬度是b高為h，而承力點(diǎn)到梁根部的距離為l。并且假設(shè)它們都是由同一材料組成的。由材料力學(xué)可知，兩種情形中，截面上的最大應(yīng)力[ ]可以經(jīng)過簡單的計(jì)算得到（細(xì)節(jié)可參閱材料力學(xué)教科書）。
對于柱的情況而言，[ ]？=F/(bh)。因?yàn)檫@時(shí)柱的橫截面上的受力是均勻的，所以應(yīng)力是外力F簡單地用截面積去除。此時(shí)整個(gè)截面和桿長的應(yīng)力都是均勻的。
對于梁的情況而言，[ ]=？(6l/h)？F/(bh)。這種情形中，截面上的應(yīng)力有拉力也有壓力，所以最大應(yīng)力比起柱的情況要增大(6l/h）倍。就是說，如果l是h的10？倍，則在受同樣大小外力的情形下，梁的最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)是柱的60倍！而且最大應(yīng)力的位置是在梁的根部。
這就是說，相同截面的梁與柱，在一般情況下，柱的承載能力要大得多。所以俗話說“立柱支千斤”。
這也就是說，在給定橫截面的梁上，要降低梁的最大應(yīng)力，最重要的因素就是要降低承力點(diǎn)到梁根部的距離l。因?yàn)閘與最大應(yīng)力是線性相聯(lián)系的，最大應(yīng)力大了，便會(huì)引起梁的破壞。
現(xiàn)在回過頭來看脊柱。由于人體是經(jīng)?；顒?dòng)的，所以脊柱有時(shí)是作為柱來承受外力的，比方說在人直立、或端坐的狀態(tài)就是這種情況；有時(shí)脊柱又是作為梁來承受外力的，例如，人在彎腰拾取重物時(shí)，這時(shí)上體的自重和重物的重力都是垂直于脊柱的軸線的。從前面的簡單討論中，我們知道，除了人平躺的情況外，當(dāng)脊柱作為立柱時(shí)，在脊柱內(nèi)引起的最大應(yīng)力較小。脊柱的最大負(fù)擔(dān)，即引起局部的最大應(yīng)力，則是在人處于彎腰負(fù)重的情況之下。這時(shí)，脊柱大致上就表現(xiàn)為一根懸臂梁。因此，為了保護(hù)脊柱，這時(shí)需要多加小心。
人類在很長的歷史演進(jìn)中，已經(jīng)學(xué)會(huì)了在負(fù)重時(shí)盡量使脊柱作為支柱來承載壓力。如圖3、4所示，許多人采用頭頂負(fù)重，或者用肩挑負(fù)重的方式，都是使重物的重力大致是沿著脊柱的軸線方向作用，即使脊柱作為支柱，只簡單地承受壓力。這種負(fù)重的辦法是很科學(xué)的，它既能夠承受更多的重量，又能夠保護(hù)脊柱不受傷害。
然而，我們僅從力學(xué)的角度來看脊柱，未免過于簡單。人的脊柱畢竟不是一根僵直的棍棒，而如圖1？所示，是由一節(jié)一節(jié)的脊椎骨組成的，在每兩節(jié)脊椎骨之間，又墊著一層椎間盤，它們是由中央部富有彈性的膠狀物質(zhì)的髓核，和周圍是多層纖維環(huán)按同心圓排列的、易于變形的軟骨構(gòu)成的。只有這樣，脊柱才能夠自由彎曲，而不是僵直的。
也正是脊柱構(gòu)造的這一特點(diǎn)，它和嚴(yán)格的力學(xué)中的“梁”是很不同的。最大的不同，就是它能夠很好地承受壓應(yīng)力，而不能承受拉應(yīng)力。我們知道，嚴(yán)格力學(xué)意義上的梁在彎曲的時(shí)候，截面上有一部分承受壓力而另一部分承受拉力。但是脊柱彎曲時(shí)，例如彎腰負(fù)重時(shí)，有壓力也會(huì)有拉力，壓力就由脊柱本身承受，而拉力部分，只能由脊柱旁邊的腰肌或背肌來承受了。
脊柱和嚴(yán)格力學(xué)意義上的梁還有一個(gè)區(qū)別是，作為梁的組成材料，脊柱是生物組織。它的行為與時(shí)間關(guān)系很大，在脊柱彎腰負(fù)重時(shí)，背肌承受拉力，時(shí)間稍長，肌肉就會(huì)疲勞不能繼續(xù)支持。即使是脊椎和椎間盤本身，承力的時(shí)間一長，也會(huì)發(fā)生顯著變形并產(chǎn)生損傷。
注意到脊柱的這兩個(gè)特點(diǎn)，我們就可以了解脊柱的兩種常見損傷。
一種是，當(dāng)人彎腰負(fù)重時(shí)，所要搬動(dòng)的物體比較重，超過了人的能力。實(shí)際上是背肌不夠強(qiáng)，被拉長了，這時(shí)脊柱所受的壓力是前邊的應(yīng)力大后邊的應(yīng)力小，椎間盤被擠到后邊去，而后邊的纖維組織會(huì)被壓裂，從而使髓核從脊椎的后方突出。我們知道在彎腰負(fù)重時(shí)，人的脊柱類似于懸臂梁承重，而懸臂梁的應(yīng)力是它的根部最大，所以這種突出大多發(fā)生在脊椎的最后一節(jié)，即第五腰椎上。我們又知道脊柱后面的椎管里有神經(jīng)，而從第五腰椎出發(fā)的左右兩條坐骨神經(jīng)分別延伸到左右兩條腿上。突出的椎間盤會(huì)和某一條坐骨神經(jīng)相摩擦，使這條神經(jīng)慢性發(fā)炎，這就構(gòu)成坐骨神經(jīng)痛。這是一種很常見的勞動(dòng)損傷，俗稱腰腿疼。嚴(yán)重時(shí)受傷者只能臥床休息，從而失去勞動(dòng)力。前面說的沙葉新的夫人大概就是這種情況。下圖5示意的就是椎間盤突出導(dǎo)致的病變。
為了避免這種損傷，首先，人們要對所要搬動(dòng)的重物衡量一下，一個(gè)人是不是能夠搬得動(dòng)？一定不做超過自己能力的事。其次，在搬動(dòng)時(shí)姿勢要正確，要使重力對脊柱所形成的力矩盡量小，也就是說讓重力作用線與脊柱的軸線距離盡量小，這相當(dāng)于減小圖2中的l。下面圖6的四幅圖中，左邊兩幅中的姿勢是正確的，而右邊兩幅中的姿勢是不正確的，因?yàn)楹笳叩膌相對要大許多。注意左下邊的那幅，那個(gè)人讓重物靠在腹部，重物對脊柱的力矩就會(huì)減小到最小的程度。在文革中，許多知識(shí)分子被下放到農(nóng)村做體力勞動(dòng)，由于不熟悉這些勞動(dòng)中的竅門，所以很多人用力不當(dāng)，因而得了這種腰腿疼的病。
此外，即使我們并沒有負(fù)重，但是由于姿勢不正確，也可能造成脊柱的損傷。這時(shí)，雖然脊柱所承受的力矩很小，但是由于脊柱和肌肉組織不能承受長時(shí)間的負(fù)擔(dān)，所以即使負(fù)重很小，但時(shí)間過長也會(huì)造成脊柱的病變。例如由于躺著的姿勢不正確或長時(shí)間在電腦前工作，或者長時(shí)間蹲著，都會(huì)造成頸椎和腰椎病變。還例如，小學(xué)生曾經(jīng)長期用單側(cè)背的書包，經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致脊柱歪曲，才普遍被替換成現(xiàn)今用的雙肩背書包。下面這兩幅圖中的人，他們的姿勢就不正確，會(huì)造成頸椎或腰椎病變。因?yàn)闀r(shí)間長了，他們的肌肉會(huì)松弛，脊柱長時(shí)間維持一個(gè)姿勢就會(huì)產(chǎn)生“流變”，這是一種不可恢復(fù)的變形。有時(shí)肌肉長時(shí)間緊張還會(huì)導(dǎo)致肌肉勞損。所以，需要較長時(shí)間彎腰時(shí)，最好把一只胳膊支撐在膝蓋上；需要較長時(shí)間做蹲位勞動(dòng)時(shí)（例如人們擦地板時(shí)的情形），這時(shí)最好采取在地板上爬行的姿勢。這種姿勢會(huì)使脊柱的負(fù)擔(dān)減小許多。
可見，懂一點(diǎn)力學(xué)，對于保護(hù)你的脊柱的健康是很有好處的。
注：文中插圖大多來自網(wǎng)絡(luò)。

（轉(zhuǎn)載自《力學(xué)與實(shí)踐》2013年第4期，本刊轉(zhuǎn)載時(shí)對文字略有調(diào)整）