作者 吳芳瑜、周盈妤 / 永春高中
我從高一就加入熱舞社，認識一位二十多歲的舞蹈老師。某次練習時，他說他因 為一次空翻失誤，造成了椎間盤突出；後來，聽到一位籃球教練，因長期的運動，也 有著椎間盤突出的問題；而身邊也有幾位長輩年輕時經常搬重物，導致了椎間盤突 出。
我開始好奇，到底甚麼是椎間盤突出？查了資料才發現，許多從事搬重物的工作 者、年輕的運動員，都飽受「腰痛」以及四肢發麻的困擾；而經過檢查發現，這些腰 痛及四肢發麻等問題，都是「椎間盤突出」造成的。
有些健康網站或新聞建議了蹲下再搬重物的姿勢，避免造成椎間盤突出問題。而 我們試著用簡單的模型，探討這些生活中「不同姿勢對椎間盤所造成的壓力」的問題。
壹、脊椎結構
首先，我們先來大致的了解一下脊椎的結構，每 個人身上都有33塊脊椎骨，分別有7塊頸椎、12塊胸 椎、5塊腰椎、5塊薦椎、4塊尾椎。每一節脊椎都會由 椎間盤、小關節及韌帶連接。
(一)椎間盤
連接上下兩塊脊椎骨，具有保護、緩衝的功 能，從內到外的結構分別為：髓核、纖維環 、軟骨板（終板），其中髓核是椎間盤最重 要的部分，內部為膠狀物質，可隨外部壓力 改變形狀，負責緩衝的功能。
(二)小關節
主要負責穩定兩相鄰脊椎，其表面有相對的軟骨 （作為骨頭的緩衝），周圍有關節滑囊（潤滑）。
貳、甚麼是椎間盤突出?
俗稱為「椎間盤滑脫」是指位於椎間盤中間、成果凍狀的「髓核」受到擠壓，壓 迫到神經、韌帶、脊髓硬膜，或是從外層纖維環的裂縫流出來。大致上可以分成二種情況：
參、椎間盤突出受力分析
由於我們無法拿實際的骨頭做測量，因此我們詢問生物老師，老師幫我們去保健 室取得腰椎模型，得到腰椎長約3公分，寬2公分，椎間盤間距約為1cm。 所以我們先以長方形的假設對脊椎截面進行討論；脊椎未彎曲時，完整承受正向 力的截面積約為6cm²=0.0006m²
接下來我們考慮一位身高170公分，體重60公斤的人，要抬起重量10公斤=100N的 物體。又假設上半身重量佔全身重量的75%，則此人上半身重量為60×75%=45kg=4500N
因為多數的椎間盤突出發生在尾椎的位置，所以我們用尾椎第三節及第四節進行討論。如右圖所表示,當我們在彎腰的時候，上方的脊椎對下方脊椎的夾角為θ，則下方脊椎的垂直受力面積為2× cos θ × 3(cm2),我們先計算下方接觸面所承受的壓力。
我們會使用正向應力的公式：
(一)不彎腰
假設搬重物時，直接下蹲，且脊椎沒有任何彎曲，則此時的彎曲角度為0° 椎間盤單位面積所承受的力為(100+4500)÷0.0006=7666666Pa
(二)單膝彎腰
假設搬重物時，單膝彎腳下蹲，且稍微彎腰，考慮此時脊椎彎曲角度約為10°，那麼 椎間盤單位面積所承受的力為(100+4500)÷0.0005908=7786052Pa
(三)站立彎腰
假設搬重物時直接彎腰，考慮此時脊椎彎曲角度達到最大限度，約為30°。那麼椎間 盤單位面積所承受了力為 (100+4500)÷0.0005196=8852963Pa
脊椎不同彎曲角度之受力分析
接下來我們進一步考慮椎間盤內部，如右方示意圖。其中AB線段從A處開始依序通過了纖維環、髓核，再到達前方B處的纖維環；C、D是線段通過髓核的兩側端點；O是脊髓中點。經剖面圖測量估計，
假設上方正向力的大小是F，在脊椎未彎曲的情形下，也就是 0°時,受力是平均的，所以每一個部分的平均正向應力皆相同。若有彎曲的狀況，考慮從A點到B點的範圍，從0均勻增加到2F的受力分布；在這個狀況下，雖然平均受力仍然是F，但在
四個對應範圍的正向應力也會有所不同，受力範圍也個別不同。可推算出各範圍正向力：
以下是各個對應範圍的正向應力分析：
從上面表格中可以發現，用錯誤的姿勢搬重物，對於纖維環的壓力甚至可能達到 正確姿勢的
倍以上！
在一開始討論的例子中，F的值是4600N，水深增加1m，壓力大約就增加101.3hPa，所以m = xF ÷ 100 ÷ 101.3hPa，換算出這些壓力對應到在海裡大約是多少深度：
肆、結論
由上表得知當脊椎彎曲30°時
部分纖維環所承受的壓力是0°時的13倍，且超過了 人體極限的32倍(人類自由潛水最深紀錄為300m)，換算成海的深度就接近世界上第六 深的海溝–克馬德克海溝(深度約10047m)的底部，難怪對椎間盤會造成這麼大的傷害!
所以我們要用正確的姿勢搬重物，對椎間盤造成的傷害也會大幅的降低，透過這 次的數學模型分析，我們才了解到錯誤的動作會對椎間盤承受的壓力有多大，因此希 望大家好好保護自己的脊椎，不要再直接彎腰下去拿重物了!
伍、引注資料：
腰痛（原作者：長谷川淳史）
背部保健學習百科（原作者：John Tanner）
頸/脊椎的結構與功能
應變 Strain & 應力 Stress，
http://jamessensor.blogspot.com/2017/12/strain-stress.html
脊椎生物力學
http://oldmoodle.jente.edu.tw/file.php/11921/%E6%9C%9F%E6%9C%AB%E8%80%83%E7%AF %84%E5%9C%8D%E8%AC%9B%E7%BE%A9/%E8%84%8A%E6%A4%8E%E7%94%9F%E7 %89%A9%E5%8A%9B%E5%AD%B82018a.pdf
圖片來源:
圖(一)~圖(四)
頸/脊椎的結構與功能
圖(四)~圖(六)
背部保健學習百科（原作者：John Tanner）