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第 37 章：骨盆在活动中的受力分析（Analysis of the Forces on the Pelvis during Activity）

1.1 腰骶交界处的受力（Forces Sustained at the Lumbosacral Junction）

本章是脊柱三章骨盆单元的最后一章，作者开篇即指出，骨盆痛的众多主诉中很多具有力学基础，可能与骨盆所承受的力相关。腰骶交界（lumbosacral junction）与 L4–L5 是腰椎间盘病变最常见的两个部位 [13]，而腰骶交界还易发生 L5 在 S1 上向前滑移的所谓" spondylolisthesis"（腰椎滑脱；图 37.1）[20]。对该关节复合体上力的理解有助于解释这些疾病相关的病理学机制；然而与腰脊柱其他节段相比，专门研究腰骶交界受力的研究相对较少。一种分析指出 [25] 有 114 个独立的肌单元（muscle units）能够对腰骶交界施加独立的力，而要在一个静不定（indeterminate）——未知数多于方程数——的系统中解出肌肉与关节的力，需要超出本书范围的复杂分析工具与大量简化假设。第一章对此类系统解法做过简要概述，本章给出的是一个大幅简化的力学模型，用以考察骨盆上的力。

骨盆受力分析中的二维示例（Two-Dimensional Example of the Analysis of Forces on the Pelvis）。"考察力"专栏 37.1 给出了对腰骶交界受力的一个二维分析。该例将所有肌肉与韧带的力合并为单一肌肉 M。这一假设显然并不成立，因此所得结果至多只是真实载荷的粗略估计，并可能低估真实的反作用力。简化模型预测：腰骶处的单一伸肌载荷约为体重的 1.12 倍，压缩力与剪切力分别为 1,305 N（293 lb）与 379 N（85 lb）。这些载荷显著低于第 34 章中腰椎的破坏载荷，但它们只是膝关节屈曲、举起 10% 体重的小载荷时所产生。之所以仍用此简化模型，是因为 L5–S1 极易发生间盘病变与滑脱，所以从"哪些因素可能把压缩或剪切力推到危险水平"角度提出分析框架是必要的。压缩载荷主要取决于支撑该交界所需的肌肉力（图 37.2）；任何外部力矩的增加都要求肌肉力增加——举起更重的载荷增加外部力矩，把小载荷举得离身体更远则增大力臂（图 37.3），两种情况都要求更大的肌肉力，从而产生更大的压缩力。腰骶交界平面的方向也影响压缩与剪切分量的大小（图 37.4）——压缩力近似垂直于 L5 与 S1 的椎体，剪切力则平行于二者之间的平面。研究提示剪切力比压缩力对脊柱更具危险性；腰骶交界平面通常比腰椎其他部位更陡，偏离水平面的角度更大，因此尤其易受前向剪切力影响 [20]。该角度越大，头-臂-躯干（HAT）重量与任何被举起物重量的剪切分量也越大。懒散坐姿（slouched sitting）也会增加腰骶的前向剪切力——椅背将 HAT 重量前推，而骶骨向后旋转（图 37.5）[21]。

腰骶交界处的临床要点（Clinical Relevance）。腰椎滑脱常常无症状，但在活跃人群中可引发疼痛 [2,20]。滑脱患者常报告活动增加时疼痛加剧，特别是那些需要腰部过伸的活动。与之相反，许多其他下腰痛患者在躯干屈曲时疼痛加重，并报告腰部伸展可缓解症状。虽然造成背痛的原因常常不清，但临床医生必须找出加重症状的动作与缓解症状的动作。

腰骶交界处的载荷（Loads at the Lumbosacral Junction）。专门研究腰骶交界在活动中所受载荷的文献较少，多数研究采用与"考察力"专栏 37.1 类似的基本方法，使用更复杂的数学工具以获得更精确的解并估计单条肌肉与韧带中的载荷 [1,6,17,26]。但即使如此，这些研究仍依赖简化假设，结果的准确性依赖于假设的精度 [1,17,26]。因此现有研究只能提供对该区域实际载荷的总体近似。尽管存在上述局限，其结果仍让临床医生得以洞察一些活动对腰骶区的要求，并帮助其识别减轻患者症状的策略。

弯腰与举重时腰骶区的载荷（LOADS IN THE LUMBOSACRAL REGION DURING BENDING AND LIFTING）。举或放 10–15 kg（约 22–33 lb）的载荷时，腰骶关节处的峰值关节力矩为 200–250 Nm [6,17]；这与第 34 章报告的腰椎载荷一致。报告关节中心反作用力的模型则表现出更大的变异性——间盘上的压缩力估计范围 1,200 N（270 lb）到 5,500 N（1,236 lb）以上 [1,26,27]，前向剪切力的峰值约在 400–1,200 N（90–270 lb）之间 [26]。模型中关于躯干与骨盆尺寸、腰曲形状、所包含的肌肉与韧带以及所研究的脊柱运动等假设，都会影响关节力矩与力的计算结果 [1,26]。要更精确地估计腰骶交界所受的载荷，仍需进一步研究。第 34 章中报告的腰椎峰值压缩载荷在举 27 kg（60 lb）的力时超过 7,000 N（1,573 lb），但腰椎在高度屈曲状态下举重会因抑制伸肌收缩而显著增加前向剪切力（见第 34 章视频）。由于滑脱在 L5–S1 处常见且在该人群中可引起有症状的背痛，临床医生仍需要类似研究来考察姿势与举重技术对腰骶剪切力的影响，以指导干预与预防策略。

行走时腰骶关节的载荷（LOADS ON THE LUMBOSACRAL JOINT DURING WALKING）。在以习惯速度行走时，腰骶关节的平均峰值压缩力为体重的 1.7–2.52 倍，前向剪切力为体重的 0.22–0.33 倍 [3,13]。腰骶小关节（facet joints）上的合力虽小于间盘上的载荷，但也约为体重的 1.5 倍 [3]。间盘与小关节上的反作用力都在步态的双支撑相达到峰值——此时骨盆前倾（anterior pelvic tilt）更明显 [15,24]（图 37.6）。前倾与腰椎伸展（即腰椎前凸增大）相联系，躯干过伸似乎会增加 L5–S1 上的载荷，这或可解释为何部分患者报告行走时腰痛加重。

1.2 骶髂关节的受力（Forces Sustained at the Sacroiliac Joints）

骶髂关节上的力比腰骶交界上的力研究得更少。由于该关节存在至少小幅度的运动，理解跨关节的力或有助于加深对骶髂关节功能障碍病理学机制的理解 [11,22]。

骶髂关节分析模型概述（Overview of the Analytical Model of the Sacroiliac Joint）。与本书中所演示的所有生物力学分析一样，骶髂关节处的力分析也从受力图（free-body diagram）开始。该关节的受力图复杂之处在于：影响该关节的许多结构实际上既不附于髂骨也不附于骶骨。为便于识别单腿站立时相关载荷，通常将骶骨视为由头-臂-躯干-非负重下肢组成的刚体的一部分，髂骨视为由骨盆与负重侧下肢组成的刚体 [8]（图 37.7）。在该模型中确定骨盆上的力需要纳入髋部与躯干的肌肉以及骨盆韧带与地面反作用力，从而构成另一个静不定系统，未知数远远多于方程数；骶髂关节的模型报告有多达 100 个未知数 [8,28]。由于骶髂关节呈现复杂的三维运动，二维模型甚至无法近似其力学 [11,22]。"考察力"专栏 37.2 勾画了在单腿站立中分析骶髂关节受力的基本框架：将下肢与髂骨合并为单一刚体，列静力平衡方程——六条力矩与力平衡方程（关于 x、y、z 轴的力矩以及 x、y、z 方向的力）——其中 Fmus i 是每条肌肉与韧带的力，mamus i 是该力的力臂（力与旋转点在 y-z 平面内的垂直距离），MEXT 是由节段重量与地面反作用力施加的外部力矩；G 是地面反作用力分量，J 是关节反作用力分量，W 是节段重量。利用成像技术可以测量所有相关力臂，地面测力板测量地面反作用力，节段重量已知，因此肌肉与韧带的力以及关节反作用力是方程中仅有的未知数；但未知数仍多于 6 条方程，仍是静不定系统，需要第 1 章中简要描述的方法来求解。完全的骶髂关节三维分析超出本书范围。

骶髂关节功能障碍的临床测试（Clinical Relevance：STANDING HIP FLEXION TEST FOR SACROILIAC DYSFUNCTION）。一种针对骶髂关节复合体功能障碍的测试要求患者单腿站立、屈曲对侧髋、把膝带向胸部。正常的反应是髂骨在骶骨上向后旋转；阳性反应是负重侧骶髂关节区域出现疼痛。运动学分析显示，与骶髂关节相关的疼痛患者常在负重侧表现出髂骨在骶骨上的前向旋转 [10]。该测试利用了骶髂关节的载荷原理以检验关节的稳定性——单腿站立对骶髂关节施加巨大载荷，需要周围韧带与关节产生大量稳定力；在单腿站立中无法维持稳定可能是患者症状的促发因素之一。

文献中报告的骶髂关节力（Sacroiliac Joint Forces from the Literature）。静态单腿站立中报告的骶髂关节载荷为体重的 0.85–1.1 倍 [8]。在步态单腿支撑末期报告的骶髂关节上的力超过体重的四倍 [4]。行走比静态单腿站立要求更多肌肉活动，模型结果显示骶髂关节在步行中承受的载荷更大与此一致。作者们指出 [14,18,19,22,23,28] 在功能活动中骶髂关节需要肌肉活动与大肌肉力来稳定。靠近骶髂关节附着的伸肌似乎有助于支撑腰部并产生超过 6,500 N（1,430 lb）的力 [14]。虽然研究骶髂关节力的文献仍少，但关节似乎承受着巨大载荷，这或可解释部分个体发生的骶髂关节功能障碍。

1.3 骨盆骨折的力学（Mechanics of Pelvic Fractures）

骨盆骨折多由机动车事故造成，常见原因是侧方撞击 [5]。侧方撞击时，载荷通常经大转子再通过髋臼传入骨盆。造成骨折的部位取决于撞击速度与施加力的大小。撞击速度之所以重要，与第 3 章所述骨的力学特性一致——骨的强度与弹性依赖于加载的速率。以约 25 mph 的车速撞击，约 8,600 N（1,933 lb）的力即可在对侧产生耻骨支骨折。更高的加载速率或更大的撞击力会造成更广泛的骨折甚至骶髂关节与耻骨联合的脱位。这些数据可供汽车工程师设计安全系统（约束系统、安全气囊）以减少事故损伤，也帮助从业者理解机动车事故中个体所承受创伤的范围。虽然急性骨盆骨折是骨盆骨折中最常见的类型，应力性骨盆骨折也会发生 [9,12]。耻骨支（通常为下支）骨折报告于女性新兵中，与不自然的过长跨步有关——尤其在身材较矮的女性以及与男性一同训练的女性 [9,12]。骨密度、体能水平与月经似乎并不能预测骨盆骨折的发生，但非裔美国女性的应力骨折发生率低于高加索女性。骨盆应力骨折最常发生于耻骨支最窄处，可能是步态周期中内收肌反复加载的累积结果。

骨盆应力骨折的临床要点（Clinical Relevance：STRESS FRACTURES OF THE PELVIS）。骨盆应力骨折的症状包括腹股沟痛——这也是慢性髋关节功能障碍患者常见的症状。临床医生在体型较小的高加索女性出现腹股沟痛而没有髋关节功能障碍直接体征时，可能需要考虑骨盆应力骨折的存在；反复加载（如跑步）的病史也是相关线索。

1.4 本章小结（Summary）

本章考察了骨盆在单腿站立与冲击加载中所承受的载荷。对骨盆载荷的准确分析要求超出本书的更复杂方法，但本章仍展示了将静力平衡方程应用于腰骶交界与骶髂关节的基础方法。腰骶交界上的压缩力估计可达 5,500 N（1,236 lb），估计的剪切力可达 1,200 N（270 lb）。正常行走时腰骶交界也承受超过两倍体重的力。骶髂关节上的力在步态中报告超过四倍体重。高冲击载荷（如机动车事故中所受）可造成骨盆骨折与骨盆关节脱位；骨盆还会发生应力骨折，特别在低体重的高加索女性中。骨盆力学这一三章单元完成了对脊柱的讨论。该单元反复指出骨盆将头-臂-躯干的重量传向下肢；下一个下肢单元从髋部开始。

本章个人批注

本章是脊柱三章骨盆单元的收官章（ch35 结构、ch36 肌肉活动、ch37 受力分析），与 ch34（腰椎受力分析）在方法论上形成镜像——ch34 解的是一般腰椎节段在举起 27 kg 物体时所承受的峰值 7,000 N 压缩载荷与剪切载荷；本章解的是腰骶交界的"特殊版"以及骶髂关节的"更特殊版"。这三条线索给我留下几个值得记的事实点：

  1. 简化二维模型不是"教学玩具"，而是有用的工程边界条件。本章用 1.12 倍体重的单一伸肌、1,305 N 压缩、379 N 剪切（举 10% 体重、膝屈曲情况下）作为基准，与 ch34 报 7,000 N 形成对比。差异主要不是腰骶"更脆弱"——而是任务差异。简化模型反复把"肌肉合并为单一伸肌"标注为显然不成立的假设，但同时强调所得结果"可能低估真实反作用力"——这其实是在告诉读者：当你看到 1.12 倍体重这个数，把它当作下限而不是点估计。

  2. 剪切力是腰骶交界的"风险主轴"，不是压缩力。文中多次强调"shear forces appear to be more dangerous than compressive loads on the spine"，并把腰椎滑脱（spondylolisthesis）的力学诱因归到前向剪切分量上——尤其是 L5–S1 平面偏离水平更多，使 HAT 与被举物的剪切分量增大；懒散坐姿又是通过把 HAT 重量前推 + 骶骨后旋放大这个分量。这把"坐姿 → 腰痛"这种临床观察直接接到了一个具体的力学几何解释上，结构很完整。

  3. 步态双支撑相是腰骶前向剪切力的峰值时刻——文中说"the reaction forces on both the disc and facet joints peak during the double limb support phases of gait, when the pelvis is tilted anteriorly"。这呼应 ch36 关于骨盆前倾激活髂腰肌的讨论，也呼应 ch39 即将讨论的髋肌链。结构上前倾 → 腰椎前凸增大 → 压缩与剪切同时上升，于是部分患者报告"走路时腰痛"这件事不再模糊。

  4. 骶髂关节分析是"肌肉骨骼生物力学的不定性问题教学样本"——ch37 把骶髂关节模型的未知数推到 100 个，又明说"二维模型甚至无法近似该关节的力学"。结合 ch36 关于骨盆底肌功能整合、ch35 关于骶髂关节微小运动的描述，可看出骶髂关节之所以在教科书里长期处于"难以力学分析"的位置，不是因为研究少，而是因为骨盆这个区域把脊柱（腰骶）、骶髂、髋三个关节链与盆底肌肉连成不可分割的闭环。这是我读 ch35 时没有意识到的。

  5. 机动车撞击的速度项（rate-dependent bone strength）把"骨的粘弹性"与"骨盆骨折流行病学"挂钩——约 25 mph 撞击、约 8,600 N 即可在对侧耻骨支致骨折，且骨折类型依赖于加载速率。这一点让 ch3 的粘弹性骨描述从"实验室曲线"跳到"车祸现场"，是非常好的跨章呼应。

  6. 骨盆应力骨折的"步态-内收肌-耻骨下支"力学链给我留下很深的画面：女性新兵 + 不自然长跨步 + 高加索人种 = 耻骨下支应力骨折；这本质上是一个"骨 + 肌肉 + 步态参数 + 人口学"多因素耦合的损伤，与第 3 章应力骨折一般规律在长跑者胫骨中看到的是同一种模式，但部位换成骨盆。临床要点也合理——把"腹股沟痛"的鉴别诊断从单纯髋关节问题扩展到骨盆应力骨折，是临床推理的实战演示。

  7. 未涵盖的：尾椎的力与载荷分布——本章集中于 L5–S1 与骶髂关节，没有把尾骨（coccyx）作为一个独立载荷节段讨论；可能因为尾骨在直立与坐姿中的载荷意义仍以临床观察为主、定量研究偏少。这是一个我可以以后查文献的开放问题。

与上下章的衔接（一段话）

本章在脊柱与下肢之间占据一个独特位置——它是脊柱"骨盆三章"（ch35 骨与关节结构、ch36 骨盆与会阴肌活动、ch37 受力分析）的收官章，因而与 ch35、ch36 形成强约束：ch35 已经把骶髂关节的微动与楔形几何讲清楚，ch36 已经把骨盆底肌与会阴肌作为"非关节运动肌肉"的功能与神经控制讲完，ch37 则把这些结构当成受载体——把 ch35 的几何（关节平面方向、骶骨倾斜）作为变量，把 ch36 的肌肉（盆底肌、髂腰肌、髋部周围肌）作为产生稳定力的来源——用静力平衡方程量化它们在腰骶交界与骶髂关节上产生的载荷与剪切。本章的方法论又是 ch34（腰椎受力分析）的"特化版"——ch34 解一般腰椎节段在举重下的载荷，本章解腰骶交界与骶髂关节的载荷；并以"骨盆骨折"作为末节引出"高加载速率下的骨强度"这一与第 3 章骨粘弹性直接呼应的议题，从而为脊柱部分画上句号。在"上"的一侧，ch37 与 ch34 的相似性意味着读者应把两者并列阅读以理解脊柱-骨盆交界段的力学共性与差异；在"下"的一侧，ch37 末尾明确说"the following unit on the hip begins the discussion of the lower extremity"，即下一单元（ch38–ch40 髋）将接续下肢——而 ch37 末尾关于"骨盆将头-臂-躯干的重量传向下肢"的句子，是这种过渡的物理基础；ch37 中关于单腿站立时骶髂关节承受 1 倍体重、步态中承受 4 倍体重的数字，则为 ch40（髋关节在活动中的受力分析）做了直接铺垫。