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第二章 脊柱的功能解剖及与临床有关的生物力学
随着对临床常见多发的颈肩腰腿痛的深入研究，脊柱的功能解剖和生物力学的方面的问题引起了人们的广泛的重视。临床所遇到的以疼痛为主或以功能障碍为主的许多问题，多能从脊柱的功能解剖、生物力学等方面得到合理的解释或推理论证。
第一节 脊柱的稳定性
人体脊柱是一个“稳定”的轴，而发生于脊柱的许多疾病，常以疼痛、功能障碍外形异常为主要表现，尤其是以疼痛为主诉而求医者更为多见。因此，把疼痛、功能异常、外形异常与脊柱的稳定性联系起来考虑，已成为临床医生习惯的方法。
为了适应生活、劳动等的需要，脊柱常要完成许多刚、柔或单向、多向的动作在完成这些动作时，脊柱处于“稳定” 和“不稳定”的矛盾状态中。脊柱的稳定状态依靠其复杂结构的正常功能的发挥，而脊柱的不稳定状态常是由于其复杂结构未能发挥其正常功能或复杂结构本身处在非正常状态所致。
判断临床有疼痛等症状的病人的脊柱稳定还是不稳定，还可根据某些检查所见来作出推理。但确定没有疼痛等症状的病人的脊柱是否属稳定或不稳定，时比较困难的临床上确实存在不稳定的脊柱但并没有临床症状的现象，而且“不稳定”本身并没有量化标准，所以，实际上只能在有临床症状（如疼痛）的病人中确定脊柱的稳定与否。
很明显，脊柱的稳定或不稳定，并不是最后“诊断”，尚有许多要深入了解的问题。
一、 肌肉对脊柱的额面、矢面平衡与稳定的作用
脊柱被稳定在一个静态平衡的功能位置或被稳定在一个能发挥良好功能的动态平衡的功能位置，肌肉是维持其平衡、稳定的重要因素。
正常情况下靠肌肉的收缩和松弛来达到脊柱的静态、动态平衡。为了完成需要的体位的平衡和稳定，肌肉随时都处在适应性变位状态中。肌肉的正常功能还有赖于支配该肌肉的神经的正常功能。另外，脊柱的关节、韧带、椎间盘等机构，不但帮照肌肉的正常功能发挥，也支持肌肉为稳定和平衡脊柱的正常功能而所起的作用。
脊椎于直立位时，从额面看是两旁诸组肌肉对称的正常功能所保持的中柱。当因某种原因出现两旁肌肉不对称时，即两旁肌肉失去平衡时，则可出现侧弯，并显示多种因代偿而相继出现的异常（见图1）
从矢状面看，脊柱前和脊柱后的肌肉所维持的脊柱的生理弧度，也同样有其正常的生理范围。当维持脊柱生理弧度的诸组肌肉失去平衡时，则可出现过伸、过屈或弧度消失或弧度加剧等异常。
无论是从骨盆起止，或从胸廓起止，或从脊柱起止的肌肉，都为保持脊柱稳定功能而发挥作用。常按其作用的范围，分局部的和整体的两种类型（或称两个系统），如图2以腰椎为例，局部系统的构组肌肉，起点或止点均在腰椎部（但腰大肌例外），局部系统的肌肉稳定其腰椎的功能是维持脊柱的弧度和使其在矢状面和侧方的稳定。腰大肌没有把它包括在局部系统内，是因为它的作用在于使髋关节屈曲，这是属整体系统范围的。
整体系统的构组肌肉，是指直接负荷于胸廓和骨盆间的肌肉群，并有维持腹腔内压功能的肌肉群，这些肌肉群包括骶棘肌、腹内斜肌、腹外斜肌、腹直肌和腰方肌的外侧部分（附着在第12肋的那部分）。腰大肌是属整体系统的，背阔肌的作用是肱骨和腰背之间的力量传递，它把肱骨的力量传到骨盆部。这些肌肉均间接的起到稳定腰椎的作用。因此，局部系统和整体系统共同维持腰椎的稳定。
整体系统力的作用线，常需经过腰椎间盘前缘或经过椎间盘中点，起到抵消一部分局部系统的肌肉的力的作用。另外，假如没有局部系统的肌肉群的相互牵制，将导致腰椎脊柱的更加伸屈，即平衡将不能满意维持，腰椎弧度将更加加大。从整体系统可以改变外力作用线，而局部系统则主要是维持腰椎位置。当然，对付外力作用时，两个系统是同时起作用的。
那些起附于骶棘肌腱膜的局部系统和整体系统的肌肉，止于髂嵴、骶后、腰椎棘突和棘上韧带，从功能上似乎是把它分属于局部系统都不合适，但可把那些附于棘突和棘上韧带的肌纤维部分属于局部系统，把那些力量主要传递到骶棘肌并到骨盆去的肌纤维部分属于整体系统。所有骶棘肌到胸廓去的肌纤维均属整体系统。（见图3）
腹内压的形成和维持是整体系统和局部系统的肌肉共同作用的结果，整体作用是直接由连接胸廓的整体肌来完成;而局部作用是由连腰椎的肌肉的直接作用来完成，其中还包括屈曲活动。
多裂肌是连接脊柱的重要肌肉（在颈段、胸段和腰段均属同样作用）。腰椎部的多裂肌时起止于棘突和下2~3个腰椎横突上的乳突处的。棘突间和横突间的肌肉当然有稳定脊椎（柱）的作用。肌肉的稳定性是与肌力成比例的，与肌长度、肌横断面面积成比例。Langenberg1970年报道，多裂肌在上腰段的面积为2*3.5平方厘米，而在下腰段有2*6.0平方厘米，而棘间肌只有2*1.0平方厘米。
（一） 从骨盆到腰椎的肌肉
腰椎和骨盆间的多裂肌纤维，起于骶椎和髂骨嵴，止于棘突。提棘肌可分为内、外侧两部分，这两部分均有腰部和胸廓的纤维，胸部占2/3肌纤维，为整体系统的范围；其余1/3为腰部纤维，属局部系统范围，Bogduk1980年指出，腰部肌肉的内侧部分是以髂嵴内侧部分和腰肌间腱膜处为起始的，止于腰椎的副突处；腰部肌肉的外侧部分腰肌纤维是以髂骨的外侧，小部分是以腰肌肌间肌膜为起始，止于腰部的横突。
腰方肌起于髂嵴，止于腰椎横突的大部分，因这肌的外侧部分止于最下浮肋，所以属于整体系统（见图4）
多裂肌肌纤维止于棘突，其肌纤维又几乎与脊柱相平行，对脊柱的侧弯很少有影响。
腰骶棘肌肌纤维作用于脊椎，如果是单侧用力，将导致腰椎伸屈和侧弯，双侧用力则主要是从侧方稳定脊柱。
腰方肌也是从侧方稳定脊柱的，假如它单侧用力将导致腰椎的侧弯，腰方肌的整体系统功能在于骨盆和第12肋之间，它被横隔的收缩作用而抵消一部分机械作用。
（二） 从胸廓到腰椎的肌肉
多裂肌到胸12腰1平面处，他们从腰椎的乳状突处起，止于胸椎的棘突。
棘肌起于上腰椎棘突和下胸椎，止于上一胸椎的棘突。这些肌肉使上腰椎段和胸椎起到伸展作用。
（三） 从胸廓到骨盆的肌肉
提棘肌的胸部肌纤维起于提棘肌腱膜，其内侧部分起于该腱膜的深层，止于胸椎的横突和肋骨，其肌纤维是与脊柱相平行的其外侧部分起于该腱的后面和提棘肌腱膜在肋骨的止处，其大多数外侧部分的肌纤维有一斜向头内侧的去向。
整体系统中的提积极的机械性能是维护脊柱在矢状面和侧面的稳定，即躯干的稳定，单侧作用将导致胸廓的侧弯和伸展。
腹外斜肌起始于第8肋以下，止于3~4肋骨的软骨处和在第9~10肋软骨处肌腱膜和腹直肌的鞘，它的作用是整体性的，双侧作用可致躯干屈向前方，单侧作用可致胸廓屈和旋转。
腹内斜肌起于胸腰筋膜的外侧缘、髂嵴和腹股沟韧带，止于胸廓下2~3肋骨软肋骨和腹直肌鞘膜。
这些肌肉的主要机械功能是整体性的，当双侧作用时，使胸廓屈曲，一侧作用时，使胸、腰部侧弯（见图5）
斜肌综合作用时起不到转轴的作用。
腹内、外斜肌是两个呈弧形的肌肉，可构成腹腔的内压力。
腹腔内压力的形成，主要是由于周围肌肉的作用所致，前为腹直肌，双侧为腹内、外斜肌和腹横肌，上面有横隔，下为骨盆肌层。试验检测和临床观察证明，腹内压增高与躯干负重劳动密切相关。
胸廓的伸、屈负重时，腹内压的整体作用可致脊柱的压缩负荷动作降低15~30%（Broberg 1981年）。
二、 胸廓、骨盆位置与脊柱的平衡与稳定
脊柱在直立、前屈、侧弯和后伸等位置时，其功能的完成，除靠脊柱周围的肌肉功能外，还要靠骨盆的正常位置而得到基础性稳定。
脊柱除接受头颅重量的负荷处，还支撑着双侧肩胛骨、锁骨和双上肢。其垂直位的长轴、水平位的短轴，综合完成躯干及躯干以上的稳定和平衡。另外，骨盆犹如基石，起着托固和支撑脊柱的稳定和平衡的作用，其原因是脊柱的许多肌肉是对称地止于骨盆或者起于骨盆。骨盆位置如果有额面的不正或矢状面的倾斜，均可导致脊柱诸肌肉失衡和不稳。
肌肉的作用是维持脊柱平衡与稳定的主动构件，被动构件则是力量从身体的上部通过脊柱传到骨盆及下肢肌肉的作用，由肌肉的作用所构成腹腔内压，脊柱本身的运动肌肉，都是主动构件，骨骼、韧带等则是被动构件。由骨骼和韧带所构成的关节是脊柱平衡与稳定的重要组成部分。
（一） 小关节的稳定作用
胸12腰1运动节段是旋转强度最高的节段。在腰段，尤其是下腰段，小关节面逐渐转向额面位，这适应了小关节多轴旋转的需要，也适应了小关节需要有剪力存在的需要，这在下腰段尤为如此。
根据小关节的关节面的解剖特点，首先要想到小关节的剪力因素。小关节的剪力的维持还有棘间韧带的参与。有人已检测到，当脊柱屈曲时，在关节囊韧带即出现强力，其运动节段将有1/4~1/3的被动屈曲强度是由棘间韧带来承载的。另外，当运动节段承受压力时，小关节承受一定压载，但在脊柱处在中立位时，小关节不承受压载或只承受很少的压载。
（二） 关于胸腰肌筋膜（腰背肌肌膜）
这是一个强有力的结构，有三层，前层起于腰椎横突的前面，中层起于腰椎横突尖，后层起始于中线并覆盖所有腰背部肌肉。这三层在力学方面也有三种不同的作用：（1）力量传递：从肌肉到骨骼；（2）力量传递，直接在两骨骼之间（没有肌肉参与，力量来自筋膜的弹性）；（3）传递脊椎与提棘肌之间的横向力量（即提棘肌周围的网膜）。
胸腰肌筋膜的后层还有一浅表薄层，它止于背阔肌以及骨骼嵴和骶骨棘突。胸腰肌筋膜的后层，还有浅、深两薄层，是斜行网织交错止于中线棘突，并与胸腰肌筋膜中层融合。胸腰肌筋膜的深层，在上腰段发育得不象其他部位那样有力，这样，是靠浅层传递肌肉的力量，即从下后锯肌到腰椎的棘突。中间层的网织结构包绕着提棘肌，有些纤维还伸到肌肉中去。胸腰筋膜仅能很小程度的抵消躯干的屈曲活动。
这些维护脊柱稳定的主动构件和被动构件，其作用的发挥是多种因素相互作用和共同作用的结果。
三、 脊柱弧度的形成及其力学意义
脊柱弧度的形成是为了适应功能的需要，包括生活活动中的功能需要和劳动时的功能的需腰。
从正面看，脊柱是直的；从侧面看，脊柱有四个弧度（颈椎向前凸，胸椎向后凸，腰椎向前凸，骶椎向后凸）。
弧度的功能是为了承受负荷压力。根据机械力学原理，弧形柱的阻尼（ｒesistance）等于弧数（N）的平方加1即呈正比例关系。脊柱是一弧形柱，其阻尼是1，这种情况在临床并不见；有两个弧度时，其阻尼是5；有三个弧度时，其阻尼是10，即10倍于直立的脊柱（见图6）。
脊柱弧度的意义可以从Delmas指数来提示。Delmas指数等于从骶1到环椎的实际长度除以从骶1到环椎的充分伸屈的长度，然后再乘100.正常的脊柱Delmas指数为94~96之间，即95；但当脊柱弧度加深，其Delmas指数将小于94；反之当脊柱的弧度变浅，或几乎变直时，其Delmas指数将大于96.Delmas还作解释，指出其功能方面的意义是弧度明显的脊柱是动力型，弧度线直的脊柱是静力型（见图7）。
第二节 脊柱的功能单位
在研究脊椎的功能解剖时，常常人为的把脊柱作某种分类。
一、 运动节段的概念
把包括两个脊椎及其间的连接结构看成是一功能单位，从功能的整体看，把脊椎的功能单位概括为一运动节段（motion segment）。运动节段的前部时两个椎体、椎间盘和纵向韧带，其后是相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及期间的韧带。椎弓和椎体维合成椎孔，为构成椎管的基础，目的是为了保护脊髓（见图8）
二、 运动节段的前部及其功能解剖特点
（一） 椎体的功能解剖及生物力学
椎体为短骨，外层为致密骨质皮，包围松质骨。在椎体上面和下面的骨皮质，称之为脊椎骨板。它的中央部分较厚，并包含软骨板，在周边是脊椎的边缘部分，它是由骨骼板分化而来的，到14~15岁时，再与椎体相融合。骨骼的骨化因故发生病变时将导致如脊椎股骨骺炎（即休门氏病）等常见疾病（见图9）。
若将一椎体从额面垂直切剖观察（如图9），可清楚看到椎体的各边的骨皮质是增厚的。更有意义的是，椎体中松质骨骨小梁按照力线走行，这些线按垂直连接到椎体的上面和下面，按水平连接到椎体的旁侧或外侧。若将椎体从矢状面剖切，所显示骨小梁是另外两种斜行的，并是扇形走行，其中之一从椎体上面到上关节突和棘突，另一从椎体下面到下关节突和棘突。
上述所见骨小梁的“交错编织”起到了加强椎体阻抗的作用，但还存在着一个三角形，那就是阻抗能力薄弱的部分也是临床骨折好发的部位，如椎体受挤压后所致的压迫性骨折，在600kg以下的垂直压力可导致椎体的前部的受压致碎；当压力上升到800kg时，将导致权椎体粉碎骨折，以致包括椎体的后缘，有时X线片也不能清楚显示在比600kg更小的压力之下所发生的椎体的显微骨折，病人常被误诊“腰肌劳损”。
（二） 椎间盘的功能解剖及生物力学
1. 纤维环：
纤维环是一种纤维样软骨，胶原纤维束交叉排列是其结构的一大特点。各层纤维环之间相互交叉90度，有多层，形成一个十分坚固的环形结构，因此可以承受强大的弯曲和扭曲。同时它相当牢靠的固定在软骨板上，软骨终板又紧贴在上下椎体骨面上，形成几乎极少位移的稳定连接（见图10）。
2. 髓核
髓核被牢固的限制在纤维环中，它与纤维环之间并没有明显的界限。
髓核是椎间盘结构中的重要组成部分，尤其当椎间盘在承受负重时更为重要，椎间盘的负荷是复杂的，负重或运动时，椎间盘所承受的力有压缩力、屈曲力和剪切力。例如当脊柱伸屈或侧弯时，将产生张拉应力和压缩力，而旋转时则产生剪切应力（见图11）。
其实，椎间盘在将上下椎体分开的同时，就已使纤维环和纵向韧带处于一定张力下，同时，髓核在正常情况下就已经承受有水压力，当处于负重状态时，其压力将更高。
髓核本身是由粘弹结构的材料所构成，粘弹性的物理特征有：①当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，这种现象称为力松弛(relaxation)。②若令应力保持一定，物理的应变随时间的增加而增大，这种现象称为蠕变(creep)。③对物理作用周期性的加载和卸载，则加载时的应力应变曲线同卸载时的应力应变曲线不重合，称这种现象为滞后（hysteresis）。
髓核有粘、弹、塑等力学特性，主要表现在蠕变性和滞后性方面。所谓蠕变性，即在一定不变的负荷作用下，作用持续一定时间后，变形会继续，时间是一个延续因素。所谓滞后性，即在反复作用力下，椎间盘能吸收震荡能量（这是一种保持特性）。椎间盘的蠕变性会因椎间盘的退行性改变而改变。当退行变过程进行性发展时，粘弹性就将减退，蠕变性也受到削弱。粘弹性减退将衰减对抗冲击与吸收震荡的能力，滞后性特性与椎间盘的年龄有密切的关系，越是年轻，滞后特性越好。
髓核在负重时，压力是平均分布在髓核的四周的，即帕死卡定律所述的特点（见图12.）。并产生运动节段的水压力功能。有人测出，椎间盘内压力约为每平方厘米10牛顿，这是内在的，是由于椎间盘周围许多固定结构，如韧带张力所赋予的。髓核也受到外加的压力，当髓核受到外加的压力时，髓核仅有轻微压缩，这时，还可使间盘向侧膨出。
当脊柱承载负荷时，腰椎间盘的应力分布以髓核承受的压缩应力最大。纤维环还受有外围的张力，腰椎的纤维环的后方所承受的张拉应力为轴负荷（ariol loading）的4~5倍。胸椎纤维环的张力较腰椎的为低，这是由于胸椎间盘的直径、厚度均较腰椎为高的关系。
从机械原理看，髓核的功能犹如旋转街头（swivel），有很灵活的承载功能（见图13），能顺利完成三种类型的运动。
（1） 倾斜运动：无论是矢状面或额状面，均能顺利完成脊柱的伸展和屈曲。
（2） 旋转运动：指在两软肋骨板间的旋转运动。
（3） 滑动或剪切运动：指在两软骨之间的滑移运动
这三种类型的运动不是单独出现的，而是有椎间关节同时参与和协同动作（见图14）。
3. 椎内盘在身体水平位横断的面积比值
从脊柱各段处的水平位横断面观察，椎间盘的矢径与身体的矢径的比值是不相同的，与脊柱的活动范围大小、负荷多少等有关，例如，在胸段，脊柱的矢径为该相同水平的身体的矢径的后1/4，在颈段则为1/3，而腰段则为1/2（见图15）。
这些位置及矢径大小的变异，是根据躯干局部的功能而决定的，颈椎是为了适应载负头颅的重量，胸椎是为了适应胸腔内器官的重量。腰椎是为了支持整个上肢和躯干的重量。
4. 椎间盘的厚度与椎体的厚度及其比值
脊柱各段椎间盘的厚度与椎体的厚度，及其二者之间的比值时不同的，例如，腰椎的椎体的厚度及横断面，均比颈椎和胸椎为大。显然这与承度较大的负荷有关。其间椎间盘的厚度，无论是机械性或功能性方面都是研究脊柱的功能所关注的部位。椎间盘椎间盘的厚度与椎体的厚度及二者的比值也不相同。在颈段是活动范围最为明显的部位，椎间盘的厚度与椎体的厚度的比值为2/5（即40%）；在腰段活动范围稍差，椎间盘的厚度与椎体的厚度的比值1/3（即33%）；而胸段活动范围最少，其椎间盘的厚度与椎体的厚度比值为1/5（即20%）（见图16）。
5. 髓核在椎间盘中的位置
髓核在椎间盘中基本位于椎间盘的中央，但在脊柱各节段髓核的位置并不完全都在中央。把各椎体的矢径等分为10等分，可见颈椎髓核位于椎体前缘的4/10与后缘的3/10处，占3/10，并在运动轴的正下方；在胸椎，髓核在椎体前缘4/10与后缘的3/10处，也是占3/10，但它在运动轴的后方；在腰椎，髓核在椎体前缘的4/10与在后缘的2/10处，占4/10，有一较大的接触表面，它正在运动轴的上下方（见图17）。
6. 椎间盘内的压力
椎间盘是有压力负载的。在形成下腰痛综合征的全部病理过程中，当腰椎在增加机械负荷时，疼痛症状会更加明显。
有报告提出，当举重量仅为20kg时，尸体脊椎即可出现骨折，临床观察到正常的腰椎在垂直负重时致骨折前，可耐受近1000kg的压力，这二者差距很大。还有研究指出，单独加压到椎间盘上或两个相邻近的椎体上是不能形成真正的椎间盘突出的。但在垂直压力下椎间盘软骨板可造成骨折，以致髓核突出到椎体之内，但未见能形成象临床所见的那类椎间盘突出。
利用压力传感器检测髓核内的压力，在活动时、各种体位时，以及不同负重时检测的压力（如表1）。
椎间盘内的压力还将因脊柱的不同倾斜而改变，靠背椅的角度后斜较小时及继续增加倾斜时，椎间盘内压力将逐渐下降。
7. 椎间盘的强度系数
椎间盘的强度系数是综合压应力、张应力、剪应力和轴旋转得出的（见表2）。
8. 椎间盘的各向异性
各向异性是指物理性质随量度方向而变化的特性，称为各向异性。各向异性是一般物质的通性，而各向同性则为特性。
椎间盘的各向异性，主要表现在椎间盘的自身的特殊结构，即弹性方面的物理特征。椎间盘是自行限制的弹性容器，它随着作用于它的力而发生空间定向的变化。椎间盘既有弹性亦能稳定。
（三） 有退行性改变后i的椎间盘的生物力学改变
随着年龄的增大，椎间盘可发生明显的退行性改变，髓核的水结合力逐渐下降，弹性功能逐渐减退，并逐步丧失贮藏能量、传递和扩散应力的能力，从而减少了抗负荷的力量。
椎间盘在退行性改变后，上下两椎体因髓核脱水、容积压缩等原因而靠近，并因退变进行得更为明显而靠得越近（见图18）。这时，椎间小关节首先从不等距离的错位而发展到半脱位，并相应地错位或半脱位的情况下造成软组织的损伤，首先是关节囊和关节周围软组织结构的损伤。
由于椎间盘的退行性改变进展为最快，所导致的继发性改变也最多，故髓核退行性改变成为脊柱功能失衡的首发部位，继发性损伤性炎性反应也从该处开始和扩展，构成一系列以慢性腰痛为主要特点的临床疼痛综合征。
（四） 前纵韧带和后纵韧带的功能解剖及生物力学（见图19）
前纵韧带从颅骨（枕骨）底部向下达骶椎，位于椎体的前面，纵行，富有弹性。它有纤维跨越上下椎体，短纤维在椎体并与椎间盘相互融合，但在椎体的前上角和前下角处，并未与韧带融合，留有一间隙，这里也正是骨关节病时易形成骨唇 。
后纵韧带从后颅骨（枕骨）底沿椎管前壁向下直达骶骨。它在每一椎间盘有扩大的短纤维相互融合，而后纵韧带与椎体并不像前纵韧带那样，而是相互不融合的，形成一间隙，有椎旁静脉在其间穿过，后纵韧带在椎弓处成一双凹形。
在每一椎板间有着强而有力的黄韧带相互连接，从上一椎板的下缘到下一椎板的上缘，两旁直达椎间关节囊和前纵韧带，将椎管后壁全部闭合。
棘突间有强而有力的棘上韧带相互连接着，棘上韧带自上而下，到达腰段时有部分纤维伸向腰背肌之间。
在横突与副突之间有横突间韧带连接，在腰椎尤为发达。从椎管的前面看椎弓和黄韧带的连接，为软硬相间的椎管前壁，结构完整。
三、 运动节段的后部及其功能解剖特点
运动节段的后部包括椎弓根、椎板、椎间小关节、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带等结构，它们均有各自的功能解剖特点。
（一） 椎弓根、椎板的功能解剖
椎弓根是一短而粗的近似圆柱形的骨柱，直接与椎体的后、偏上部位相接。在骨骼干标本上因为椎弓根与椎体、与小关节突、与椎板均无明显解剖界限，腰直接出其高度是十分困难的。但可从X线的正位和侧位的投照片上，可测其高度（见图20）。
椎弓根的高度与椎体大小相应有关，因此在同一人不同椎体大小之间，在各个体不同大小之间有着很多差异。在腰椎部分，上腰椎到下腰椎，其椎弓根高逐渐减少，腰5椎弓根是最短的（见图16）。
椎弓根高与椎体矢径的比值叫做根高比值，即（SVN/VD）*100,它将因椎体矢径由上至下的增加和椎弓根高由上至下的减少而形成比值由上至下的减少。
由椎板、椎弓、椎弓根和椎体所围成的椎孔，在5个腰椎中也不同形。上腰段多为椭圆形，向下逐渐变小成为三角形或钝三角形，然到第5腰椎时因小关节突挤向中线而使椎孔成三叶形，椎孔空间明显缩小（见图21）。
由于椎间小关节突与椎弓根高度关系十分密切，直接影响椎间孔内口的矢径，也十分密切的关系到椎间孔内口附近侧隐窝的容积，所以均为临床所关心（见图22）。
（二） 椎间小关节的功能解剖（见图23）
椎间小关节有引导和限制运动节段的运动方向的作用，即根据关节面与水平面、额平面的夹角不同而不同，例如，在颈椎，颈1以下颈椎椎间关节的关节面与水平面成45度，与额平面平行，这决定了颈椎有较大范围的屈曲和伸展、侧弯和旋转活动；在胸椎，其椎间关节关节面与水平面成60度，与额平面成20度，因此，运动受到限制，只允许侧弯、旋转和少量屈伸；在腰椎，其椎间关节面的关节面与水平面成90度，与额平面成45度，因此，只允许伸和侧弯，而极少旋转（见图24）。
在腰骶椎之间的椎间关节，其形态有较多变异，但总的说只允许有一些旋转（见图25）。
当要骶椎之间关节面不具备对称性时，仅有的一些旋转也将受限，同时还将导致周围软组织结构易受损伤。
椎间关节不仅有定向功能，而且还有少量负荷功能，并还因脊椎位置的改变，关节突与椎间盘之间所分担的负荷也有所不同。当脊椎处于后伸位时，关节突所起的负荷作用最大。
关于关节突间比值，也是从X线正侧位片上所测（IF/IP）（关节突间距离与椎弓根间距离之比乘上100）在正常人所测关节突间比值为80加减0.5%，（见图20）。
（三） 棘上韧带和棘间韧带的功能解剖
在棘突上和棘突见有强而有力的韧带固定着，既起到脊柱活动的稳定作用，还能加强脊柱的外在稳定力（见图19）。
（四） 黄韧带的功能解剖
黄韧带是连接两椎板见的韧带，有丰富的弹性纤维。黄韧带在脊柱前屈时拉长，后伸时缩短，所以这韧带一直处于固定的张力状态情况之下，它还使椎间盘始终处于一定的应力之下，这也是造成椎间盘内有一定压力的一个原因，以保持脊椎的内在支持。
从动态角度看，黄韧带、棘上韧带、棘间韧带的另一功能是传导一个脊椎上的应力负荷到另脊椎上去，并使之能在一定范围内有一个阻力最小，而活动最稳的运动。
黄韧带的应力应变曲线（见图26）。当伸展与屈曲超过其70%的长度时，将导致黄韧带的撕裂损伤，在有退行性变时，将达不到70%。
四、 运动节段的压载（见图27）
脊柱的任何运动节段都是有负荷压载的，腰段的压载最大。体重、运动、负荷等都随时可导致运动节段的压载的改变，当运动节段承受压载时，将产生椎体间的不同位移。多数情况下，位移的多少与负荷力量大小呈正比例关系（见图28）。
五、 运动节段的稳定性与不稳定性
运动节段随时都在承受压载，运动节段在承受压载后将有以下问题：（1）运动节段承受压载的阈值；（2）运动节段在承受压载后的稳定性或不稳定性的量化标准；（3）稳定性或不稳定性的临床意义。
但上述问题尚无明确答案，因而目前讨论运动节段的稳定性与不稳定性仅是一个笼统的概述，只能在极少数有疼痛症状的病人身上作极为有限的讨论和推理。
第三节 脊柱的运动
脊柱的运动是指脊柱的运动幅度和运动功能。脊柱的运动是神经和肌肉协同作用的结果。通过肌肉的发达，脊柱起动，从而达到运动的目的。与运动肌相对抗的是拮抗肌，它给起动肌以约束或控制，并因而达到协同目的。
脊柱的不同部位（颈段、胸段、腰段）有着不同的活动幅度，它还因椎间关节的关节突而有不同的活动定向。连个脊椎之间的活动是很小的，几乎没有独立行动，而常常要由几个节段联合起来行动，才能达到功能要求。躯干的胸廓结构和骨盆，对脊椎活动功能的发挥方面没有什么作用，反而限制了胸椎和腰椎的活动。只是在当骨盆倾斜到一定角度后，才增加脊椎的活动幅度。
一、 脊柱的运动的特点
脊柱各节段的活动幅度很不一致。上胸段运动节段的屈曲为40°，中段为6°，下段为12°；而腰段运动节段的屈曲活动，自上而下逐步增加度数，直到腰骶段的最大活动量为28°；侧弯在下胸段可有9°，而上胸段只有6°，腰段为6°，腰骶段为3°；旋转在上胸段为9°，越向下越小，至腰段只有3°，到腰骶段增至5°。不过，各家报道的脊柱活动幅度有较多出入。
脊柱的屈曲、伸展运动特点还包括在伸展运动的同时出现旋转运动。
（一） 脊柱的屈曲和伸展运动（见图29）
脊柱的屈曲和伸展运动，在颈段、胸段和腰段各有特点。
从整个脊柱测试，屈曲活动的最初50°~60°是由腰椎来完成的，并且以下运动节段为主，通过骨盆的前倾还可使向前屈曲更为增大。胸椎的屈曲作用很小，这主要有以下原因所定：（1）关节突的定向作用所限；（2）胸廓也使前屈受限。
在腰段和胸段的前屈活动中，腹肌和腰肌是起动肌，上身的重量可使屈曲进一步发展。腰背部的骶棘肌只是在力距加大时才增加其活动。髋后的腘绳肌在躯干前屈时参与骨盆前倾的控制。当处于完全屈曲位时，骶棘肌反而失去效能，向前屈力距依靠后面的韧带来维持平衡而变得紧张。椎柱从完全屈曲位回复到直立位时，肌肉的作用恰恰相反，骨盆则向后倾斜，因为这动作是抗重力的，所以肌肉活动比在屈曲时所进行的活动要大。当从直立位到后伸位时，主要是背肌在起作用，当极度后伸时，背肌作用将减少，而腹肌参与控制活动而显得活跃，直到强力后伸时，伸肌又参与发生作用。
腰段伸展活动的频度，随年龄增加而减少，如图30和表3
颈段脊柱的屈曲和伸展活动，在下颈段可达100°~110°，全颈段可达130°（见图31），而在上颈段（枕下段）只有20°~30°。
颈段脊柱的伸屈活动还包括椎体的位移。
（二） 脊柱的侧弯运动（见图32）
脊柱的侧弯运动主要活动椎体是颈椎与腰椎，尤其是腰椎，临床提出讨论最多的也是腰椎与颈椎的侧弯运动。
胸椎的关节突的形态，其定向作用是有利于侧弯运动的，但毕竟要受到胸廓的限制。
腰椎的椎间关节在活动时没有象胸段那样有助于侧弯活动。
脊柱两旁的骶棘肌，无论是从横突到脊柱，还是从脊椎到横突， 都在脊柱侧弯时参与活动，腰肌也参与侧弯活动，侧弯开始时为同侧肌肉的收缩，同时受到对侧肌肉收缩的制约。
腰段脊柱作侧弯活动时的幅度，上段大于下段（见图23）。幅度还随年龄的增加而减少（见表4）。
颈段脊柱的侧弯活动可达45°。从第1颈椎横突连线和乳突连线在侧弯时所呈夹角可达8°（见图34）。
从正位可视察到双侧构椎关节于侧弯时的夹角相同（见图35）。
脊柱的伸展活动、屈曲活动在个体间也还存在着差异。怎样判断过度伸展、过度屈曲，常常应根据是否有临床症状或结合X线检查所见作具体分析，上述角度只能作参考。
脊柱的过度伸展和过度屈曲均可造成脊柱的损伤。现以颈2~颈7的损伤为例说明如下（见图36）。
（1） 屈曲过度损伤
① 伴有后侧损伤
1） 屈曲过度脱位（双侧交锁；单侧交锁）
2） 脊柱后凸成角（因后侧韧带断裂，但无交锁）
② 伴有前侧压伤：椎体的压缩性骨折（可见的或显微压缩骨折）
③ 既有后侧损伤，又有前侧压伤：屈曲过度骨折脱位。
（2） 伸展过度损伤
① 伴有前侧损伤
1） 椎体前缘撕脱损伤，骨唇形成或椎体的骨软骨边缘的损伤；
2） 脊柱前凸成角；
3） 未见有X线显示的损伤，但已有椎管狭窄或明显的后移。
② 伴后侧压缩伤
1） 脊柱后部的压缩骨折伤，如棘突，小关节或椎弓根的压缩骨折伤；
2） 本侧骨折；
3） 在颈口的Hangmann骨折。
③ 有前部的损伤和后部的压缩
1) 伸展过度的脱位骨折，在颈椎下段；
2) Hangman氏骨折，并向前移位，椎体有撕脱骨折。
尽管上面已阐述了屈曲过度、伸展过度的损伤，但在颈椎的损伤中，还有综合致伤因素，尤其在损伤时头颅的弧形动作，可以增加损伤的复杂性（见图38）。
（三） 脊柱的旋转运动
脊柱的旋转运动常在侧弯运动的同时出现，故脊柱的侧弯和旋转是“联合动作”。旋转运动的特点：（1）椎体一般是旋向脊椎侧弯生物凹侧，胸段旋转出现有这样特点；（2）椎体还可以旋向脊椎的凸侧，腰段旋转时有这样的特点。
侧弯和旋转的联合动作，在X线片上可明显看到棘突的连线偏向侧弯侧。棘突与椎体外缘的对称性也不再存在，这种自动旋转的形成是由椎间盘的压力和韧带的牵制所形成（见图39）颈椎侧弯时同样伴有旋转动作（见图40）。
旋转的形成主要原因是由于关节突的定向作用所致。脊柱旋转时，两侧的颈肌、背肌与腹肌均参与活动，相互协调。
腰椎上关节突的关节面是向后向内的，关节面不是平面的，而是呈凹型的，并与横断面相垂直。两关节面所围成的圆，其圆心位于棘突的基底（见图41）。
并还可以观测到，上一腰椎的圆心常常比下一腰椎的圆心要更靠近于关节突，也就是说，其半径在上腰段要小于下腰段。
另外，上一脊椎的下关节突总是被下一脊椎的小关节突所包围和“限制”，这一特点也决定了在旋转时又常常是上一脊椎带动了下一脊椎，即上一脊椎的下关节，椎板旋转到某一角度时才带动下一脊椎。
临床对脊柱侧弯时的自动旋转是不易检查和测定的。但要考虑到这一特点，尤其是当要较大范围的脊柱融合手术时，要充分注意。
Greggerson和Lucas曾研究报道，腰椎的旋转最小，仅5°，胸椎则较多，可达到35°，颈椎的旋转最大，可达到40°以上，总加起来，脊柱的总旋转度可达90°（见图42）。
躯干的功能性运动不仅是脊椎部分的联合运动，而且还要把骨盆的协调充分考虑在内，这种协调或牵制是有临床意义的。当某一处解剖功能受到限制时，必将增加另一处的功能活动，例如临床常用的支架限制胸段或腰段的活动时，必将导致增加腰骶部的活动。
二、 脊柱的运动与脊髓的适应
脊柱的伸屈运动是十分频繁的，椎管的形态和容量将随脊柱的伸屈运动而改变，在椎管内的被膜囊所包绕的脊髓，将随之而有所适应。
以脊柱处在正直位时椎管的容积作为基数，从正直到屈曲时，椎管的容积是增加的，椎管的长度也是增加的。这时，旋转瞬时轴位于椎管前缘，椎管的后缘被增加到最长的位置。反之，脊柱从正直到伸展位时，其椎管的容积是下降的，椎管的长度也是下降的，这时，旋转瞬时轴位于椎管的后缘被缩减到最短位置（见图43）。
在正常生理活动范围之内，脊髓在椎管内随椎管的长短改变而有所适应，这种适应是由以下两种机制完成，即脊柱的弹性结构和脊髓的弹性能力。
当椎管狭窄形成时，或椎管内有占位物造成对硬脊膜囊的挤压时，或因椎管内的炎性疾病造成硬脊膜囊与椎管的粘连时，均会导致原有的良好的适应性的丧失，并因而出现以疼痛为主的临床症状。
第四节 脊柱的动力学
脊椎承受的负荷首先是自身的体重，其次才是不同情况下的肌肉活动和外加负荷。
腰椎是脊柱的主要负重区域，提出的临床的问题也较多，因此对这部位的研究工作也较为集中。研究工作分两个方面，其一，从静态分析研究腰椎的负荷及负荷情况下的平衡；其二，从动态分析研究腰椎在活动情况下的负荷及活动情况下的负荷的平衡。
一、 站立
脊柱因有椎间盘、纵向韧带和黄韧带等连接结构，使其具有一定的弹性。矢状面上的生理性曲线也给脊柱带来弹性，所以，脊柱具有承受较大负荷的能力。另外，躯干肌肉在活动时能稳定脊柱，在任何位置情况下都能起到稳定脊柱的功能。站立位时维持其姿势的肌肉只需最小的工作量，但从肌电图观察，其活动情况仍是十分活跃的。
关于重力中心与脊柱的关系（见图44），在躯干的上部的重力中心处于脊柱的前面，到腰部，其重力中心线位于第4腰椎中心的腹侧，即在脊柱运动线的腹侧，使运动节段处于前屈力距。维持这一力距依靠韧带的力量和背肌的力量。
脊柱的任何活动都产生重力的移动，因此也产生力距的变动。为了保持平衡，肌肉活动是主要抗衡力量，其中有骶棘肌、髂腰肌和腹肌为主要的调节肌。研究脊柱的运动要避免把脊柱孤立起来看待，而要把骨盆的位置对脊柱的稳定性的重要作用联系起来研究。
骶椎向前向下倾斜，倾斜的角度是有临床意义的，当站立位时，其倾斜的角度成90°，为了适应这种倾斜，要骶椎间盘的楔形改变起着明显的代偿作用。如果骨盆向后倾斜，腰椎的前凸将消失，角度就减少，同时还将影响胸椎，胸椎将出现轻度的后伸，以调整重力中心，整个脊柱的弧度也将变浅。骨盆向前倾斜时，骶角增大，为适应骨盆的前倾，腰椎向前凸和胸椎向后凸，这种姿势改变同时有肌肉参加活动。
二、 坐位
当人处于坐位时，腰椎间盘的负荷要比直立位时为大，原因是，当坐位时，骨盆处于向后倾斜的位置，这时，腰椎的前凸弧形消失，原在腹侧的重力线则更向前移动，增加了力距，若躯干向前屈，力距将更进一步增加。
若采用正直的坐位，骨盆前倾，腰椎前凸增加，力矩减少，腰椎的负荷也将减少。
三、 队位
卧位时，脊柱负荷最小，椎间盘的负荷也最小，因为此时已不受体重的影响。只因肌肉、韧带仍牵连着脊柱，使脊柱仍有负荷。例如，髋关节伸直时，腰肌将牵拉着椎体，可产生对腰椎的负荷；当髋关节屈曲和膝关节也处在屈曲位时，腰椎因腰肌放松而成平直，这时腰椎的负荷当然就小。因此，放松腰肌是减少腰椎负荷的重要方法。
提重物是一种外来负荷，提物的重量和提物的方式，如物体的位置与脊椎活动中心的关系，脊椎屈曲和旋转的角度，物体的特征，其形状、大小、重量和密度等，均会影响脊柱的负荷。
提重物时，椎体所承受的压缩负荷是有一定限量的，若椎体承受超过所能负荷的量值时，压缩力将导致病理改变，如发生骨折等，曾有人报道，椎体负荷达5000~8000牛顿时，将会发生骨折。另外，年龄因素和椎间盘退行性改变等因素，都会影响压缩力的作用。骨结构对压缩力的抗力作用比椎间盘对压缩力的抗力作用小，所以，骨结构破坏常常在先，椎间盘破坏在后。骨结构遭受到压缩力以后所形成的骨折有两种形式，一种为肉眼清楚可见的骨折，另一种是显微骨折，显微骨折的发生说明脊椎的应力和应变是疲劳骨折的原因。
脊椎被极度弯曲和旋转时造成的过度张力，也可造成纤维环后侧的放射状撕裂，并因此发生椎间盘的破坏。
因此，在提重物这一特定劳动条件下，在贴近身体提重物时，腰椎的屈曲力距比远离身体提重物时要小，越是贴近身体的物体重力，越与脊椎活动的中心之间的距离近，所以力臂也越短，弯腰力距的量值越小，腰椎的负荷也越低。
物体的大小、重力、密度等因素都会影响脊柱的负荷。同等重量、密度的情况下，若物体的体积大小不同，也会因力臂长，腰椎弯曲时力距大的特点，而使负荷增加。另外，从体位来看，如果脊椎前屈提重物时，因椎间盘上既有体重的力量，又有弯曲力距。所以负荷将因之而增加。假如采用屈曲膝关节的情况下提重物，则可以减轻脊椎的负荷，因为，屈曲膝关节时可使物体靠近身体，接近脊椎的活动中心，力距缩短，所以省力。
在弯腰情况下提重物，韧带、肌肉将因其不同姿势而作出不同的反应，例如，有人观察到从地上提重物时，有靠腰肌为主要力量的腰提法，和有腰直立而靠腿的伸直的腿提法，两者相比，因腰提法时腰段躯干要屈曲超过60°，这