第二节 脊柱躯干部运动生理与病理
一、脊柱的整体观
脊柱是由一个个脊柱骨叠加相连而成，由于椎骨连接的解剖各异，因此在不同的部位椎骨之间可以形成移动，脊柱的主要功能是支撑机体和保护脊髓。脊柱支撑机体体现在“刚柔并济”，“刚”指当人体在直立对称的情况下，脊柱的所附着的韧带和肌肉将脊柱排列成支柱支撑，“柔”指随着姿势的变化，脊柱在神经系统指挥下通过肌肉张力的变化，出现适用性的调整。
脊柱从前后位观察呈一条直线，在侧位上，从头至尾存在4个生理弯曲：颈曲（颈椎前突），胸曲（胸椎后突），腰曲（腰椎前突），骶曲。整体而言，脊柱的活动从骶骨至颅骨相当于一个具有三个自由度的关节，可做前后屈伸、左右侧屈、轴向旋转运动。脊柱的每个节段的运动幅度都很小，但如果把多个脊椎关节的运动范围全部计算在内（除去骶尾关节，将25个关节作为一个整体），那么整个脊柱的累积运动幅度是很大的，可以胜任日常的各种行为。脊柱总体运动范围的准确测量，需借助脊柱的X线平片才能测量其屈伸及侧屈的运动角度，借助CT扫描才能测量其旋转运动角度。当然这些运动幅度的测量，还可通过一些简单的临床测量方法来完成。
1.胸腰椎屈曲运动的测量
测量角度为脊柱最大屈曲状态下，垂直线与股骨大转子前上方和同侧肩峰外侧缘的连线所构成的夹角，此角度还包含了髋关节的屈曲运动。利用皮尺测量在屈伸状态下C7和S1棘突之间的距离。
2.胸腰椎伸展运动的测量
测量角度为脊柱最大伸展状态下，垂直线与大转子前上方和同侧肩峰外侧缘的连线所构成的夹角。此角度包含了髋关节一定程度的后伸运动。
3.胸腰椎侧屈运动的测量
测量角度为垂直线（V）与臀沟上缘和C7棘突连线之间的夹角。
4.胸腰椎轴向旋转运动的测量
俯视角度检查患者，患者坐于低背椅子上，膝关节和骨盆均被固定，以通过头部的冠状面为参考平面，测量胸腰段脊柱的旋转角度，该角度为双肩峰连线与冠状面所形成的夹角。
5.脊柱整体旋转运动幅度的测量
测量旋转角度为头部的矢状位平面和躯干正中矢状面之间的夹角。
二、灵活的颈椎
颈椎是脊柱的最上方节段，与胸椎相延续。它为头部提供支撑，并构成颈部的骨架。颈椎是整个脊柱中最灵活的节段，但是由于它承受重量较轻的头部，骨结构薄弱，所以也是最易受伤的部位。
颈椎由两个在解剖和功能上不相同的节段区域组成，枕下段由寰椎和枢椎组成，两者复合体又通过一个具有三轴、三自由度的关节复合体与枕骨相连；下段由第三到第七颈椎组成。下段颈椎的关节运动方式只有两种，屈伸运动和侧屈-旋转联合运动，没有纯粹意义上的侧屈或旋转运动。颈椎整体联合运动最终能够保证头部完成日常生活和工作中的各向活动。
颈椎的活动范围：下段颈椎总的屈伸范围是100°~110°，全颈椎总的屈伸范围是130°，枕下段的屈伸范围是20°~30°；总的侧屈是45°；每一侧的旋转范围在80°~90°变化，其中包括12°的寰枕关节旋转和12°的寰枢关节旋转。
三、稳固的胸椎
位于颈椎和腰椎之间，组成躯干的上部，支撑胸廓，胸廓是一个容积可变的空间，由12对肋骨连接胸骨和胸椎包裹而成。
胸椎的屈伸和侧向屈曲：在后伸过程中，两个椎体中的上位椎体相对于下位椎体斜向后移，椎间隙后方变窄，前方变宽，后伸的幅度受限于关节突和棘突，前纵韧带绷紧，后纵韧带、黄韧带和棘间韧带松弛。两个椎体的屈曲过程中，后方椎间隙增大，髓核向后移位，关节突向上滑动，上椎体的下关节突有越过下椎体的上关节突的趋势。屈曲幅度范围受限于棘间韧带、黄韧带、关节囊韧带和后纵韧带的拉伸，同时前纵韧带是松弛的。侧屈的过程中，对侧关节面滑动向上，同侧关节面滑动向下，侧屈角度受限于同侧关节突关节，对侧受限于黄韧带和横突间韧带。由于十二根肋骨和胸骨的约束，实际人体胸椎的活动度要小于胸椎本身的活动度。
胸椎的轴向旋转：当一个胸椎椎体相对于另一个椎体发生旋转时，关节突关节之间产生相对的滑动，跟随椎间盘的扭曲旋转运动，单独的旋转幅度很大，可以是腰椎的三倍，但是由于胸骨和肋骨的约束，实际旋转幅度较小。椎体的旋转将引起肋骨的扭曲，与旋转运动方向同侧的肋骨凹度增大，肋软骨凹度减小；对侧的肋骨凹度减小，肋软骨凹度增大。整个胸廓有一定力学抵抗性能，年轻人胸廓活动幅度较大，随着呼吸而运动；随着年纪的增大，肋软骨钙化、失去弹性，胸廓的活动度从而大大降低。
在胸椎的每一个节段，一对肋骨通过两个肋椎关节与椎体相连，并具有一定的旋转运动，因此当肋骨抬高时能同时增加下位胸廓的横径和上位胸廓的前后径。十二根肋骨的协同叠加效应，使胸腔容积改变，完成呼吸功能。
四、稳定的腰椎
腰椎位于骨盆之上，与骶骨组成关节。腰椎是除颈椎外活动度最大的节段，承受来自躯干重量的压力，既需要灵活又需要承重，因此腰椎是大部分常见脊柱疾病最好发的部位。
（一）腰椎全局观
前后位，棘突间的连线显示，腰椎成一根直线排列而且左右对称，侧位显示腰椎的前凸曲度。在侧位上通过X线可以对以下解剖结构进行测量。
1.骶骨角
水平线和S1椎体上缘线之间的夹角，平均30°。
2.腰骶角
L5轴线和骶骨轴线之间的夹角，平均140°。
3.骨盆倾斜角度
水平线与连接骶骨岬和耻骨联合上缘线之间的夹角，平均60°；腰椎前凸的弧：L1到L5后缘连线的弧线，该线与弦（L1椎体上终板后缘到L5椎体下终板后缘的连线）的垂线，L3垂线最长。
（二）腰椎的前屈后伸和侧弯
前屈时上位椎体往前（腹侧）倾斜和轻度滑移，使椎间隙前方高度降低，后方高度增加。因而椎间盘变形成楔形，底部向后，髓核往后移动，纤维环后部纤维被拉伸。同时上位椎体的下关节突往上移动，试图同下位椎体的上关节突分离。结果是关节突关节的关节囊和韧带被极度拉伸，椎体后部结构的其他韧带如黄韧带、椎间韧带、棘上韧带和后纵韧带也被拉伸。这些韧带的张力最后制约了腰椎的前屈。
后伸时上位椎体向后倾斜并向后移动。同时，椎间隙后缘变平，前缘变厚，形成一个底部向前的楔形。髓核往前移动，纤维环前部纤维和前纵韧带被拉伸。另一方面，后纵韧带松弛，上下关节突更加紧锁，棘突互相接触。因此后方骨性结构的阻挡和前纵韧带的拉伸制约了后伸活动。
侧弯时上位椎体朝一侧倾斜，椎间隙成楔形，在另一侧变厚，髓核向对侧移位。对侧横突间韧带被拉伸，同侧韧带被松弛。从后面观察显示关节突彼此相对滑移：上位椎体的关节突在凸侧上升，在凹侧下降。同时，这也导致同侧黄韧带和关节囊韧带被松弛，而对侧同样结构被拉伸。
（三）腰椎的旋转
上面观显示腰椎的上关节突关节面朝后和朝内。关节面不平，横断面上呈凹面，垂直方向是直的。从几何学角度，它们对应的是中心在棘突附近的圆柱体的一部分。对于上位腰椎，这个圆柱的中心位于连接关节突后缘连线的后方，然而对于下位腰椎，圆柱的直径更长，因此中心位置更靠后。当上椎体在下椎体上转动时，发生在椎体盘面中心的转动引起上椎体相对下椎体的滑动。因而椎间盘不仅向轴向旋转（这会带来更大范围的活动），并且还有滑动和剪切运动。结果是腰椎的轴向转动范围无论是在节段上还是在总体上都是很有限的。
（四）腰骶联合和脊椎滑移
在脊柱中腰骶联合部是一个薄弱环节。侧位显示由于S1上终板的倾斜，L5椎体有向下向前滑移的趋势。重量被分解成两个基本的力，一个垂直作用于S1，另一个与S1上表面平行，将椎体拉向前。这种滑动趋势被L5椎体后部强有力的弓形结构所阻挡。从上面观察，L5的下关节突同S1的上关节突紧密结合。滑动力将L5的关节突紧紧地压在骶骨的上关节上，在两边都产生反作用力。这些力都需通过椎体峡部来传递。当峡部被破坏后，就会出现椎体滑脱。当弓形结构不再与骶骨的上关节突保持紧密连接后，L5椎体就会向前下方滑动，产生滑脱。唯一能将L5椎体保持在骶骨上并限制滑移的结构是腰骶椎间盘和椎旁肌肉。
双斜位片可以显示典型的“狗戴项圈”征，即“口部”对应横突，“眼睛”对应椎弓根，“耳朵”对应上关节突，“前爪”对应下关节突，“尾巴”对应椎板和对侧的上关节突，“后爪”对应对侧的下关节突，“身体”对应同侧的椎板。重要的是脖子对应椎体峡部。当椎体峡部被破坏，即狗的脖子被横断，可确诊为椎体滑脱。当腰椎侧位X线片上发现L5向前滑脱时就要增加拍摄双斜位X线片。
（五）髂腰韧带和腰骶结合部的活动
从冠状位观察腰骶结合部，显示从腰椎到髂骨的髂腰韧带，由以下部分组成：上束，从L4横突尖往下、往外和往后延伸，止于髂嵴。下束，从L5横突尖下缘往下、往外延伸，止于髂嵴，但在上束支点的前内侧。下束有时还能细分出髂骨束、骶骨束。这两条髂腰韧带在腰骶结合部活动时呈拉紧或松弛状，有助于限制以下的活动：侧弯时，对侧髂腰韧带被拉紧，允许L4相对于骶骨做约8°的活动，同侧的韧带则被松弛；从中立位置前屈后伸时：上束髂腰韧带的方向是斜向下、外和后。因此前屈时，它被拉紧。相反，后伸时被松弛。另一方面，髂腰韧带的下束在前屈时被松弛，后伸时被拉紧。总的说来，腰骶关节的活动被髂腰韧带所限制。
（六）第3腰椎和第12胸椎的作用
L3的作用已经被认识，它具有一个坚强后部弓形结构，同时又是下面两组肌肉的中继站，胸最长肌的腰部纤维从髋骨到L3横突；起于胸椎的胸棘突间肌纤维向下止于L3椎体以下的棘突。因此L3被附着在骶骨和髂骨的肌肉向后拉，为胸椎肌肉的活动提供支点。在休息位时L3由此成为一个关键椎体和中继站，尤其当其成为腰椎前凸曲度的顶点，并且椎体上下终板接近水平面时。L3是一个真正意义上活动的腰椎，因为L4、L5和骶骨、髂骨牢固相连，L3就成为连接脊柱和骨盆的静态桥梁。
第12胸椎是胸部和腰部弯曲弧度的拐点。它作为一个枢纽椎体，其椎体比位于椎旁肌肉前方的后部弓形结构大，这些椎旁肌通过而不是止于T12。有学者认为T12是椎体轴线的真正旋轴。因此在受到垂直应力时，容易导致T12及其邻近椎体的压缩性骨折。
（七）胸腰椎的旋转范围
研究旋转运动，应将胸腰椎作为一个整体考虑，对于腰椎而言，双侧旋转范围是10°，每侧是5°，胸椎的旋转更大，双侧旋转范围是75°，每侧是37°左右。
（八）髓核突出的不同类型
当脊柱轴向受压时，髓核可以向不同方向移动，如果纤维环足够坚强，增加的压力只能将髓核组织压向上下椎体，称为椎体内突出。研究表明纤维环在25岁后开始退化，导致纤维环撕裂。在轴向压力下，髓核通过撕裂的纤维环突出。髓核物质向前突出最少见，而向后方尤其是后外侧突出最常见。所以，当椎间盘轴向受力，纤维环撕裂，部分髓核向前漏出，但更多的是向后突出，到达椎间盘后缘，在后纵韧带下。位于后纵韧带下的髓核碎片，仍同髓核的主体相连，当牵拉脊柱时，突出的部分髓核组织可能回缩；当突破后纵韧带进入椎管后，就形成脱垂或者游离的髓核；有部分的髓核并没有突破后纵韧带，由于受纤维环的阻挡，不能回到原来的位置，最后可以到达后纵韧带的深处，向上或向下移动，形成后纵韧带下脱垂。当突出的髓核刺激或压迫后纵韧带的深处神经末梢，会产生腰痛；刺激或压迫神经根，引起神经根性疼痛。
腰椎间盘突出分3个阶段，椎间盘突出常发生在躯体前屈时抬举重物后。
第1阶段，躯干前屈，椎间盘前缘减小，后缘增宽。髓核组织通过已经存在的纤维环裂隙向后移动。
第2阶段，当重物被抬起时，轴向增加的压缩挤压整个椎间盘，使髓核组织移向后方，直到后纵韧带的深面。
第3阶段，当躯干直立时，突出的椎间盘根部受到上下椎体面的压迫，突出的椎间盘组织滞留在后纵韧带深面。这引起腰部剧烈地疼痛，是腰痛或坐骨神经痛的初始阶段。
最初的急性腰痛能自动复原或经治疗后康复，但如果类似的创伤机制重复发生将导致突出的组织逐渐增大并深入到椎管内，会压迫椎管内的神经根。突出通常发生在椎间盘后外侧，因为这里的后纵韧带最薄。神经根受到压迫，则产生相应神经根的支配区域症状。
患者的临床症状与椎间盘突出部位和神经根受到异常的化学、物理刺激的程度有关。如果突出发生在L4~L5，L5神经根受累，疼痛发生在大腿和膝关节后外侧小腿外侧、足背背外侧和足背侧直到大脚趾。如突出发生在L5~S1，S1神经根受累，疼痛发生在大腿后方、膝关节和小腿的后侧、脚后跟和足外侧直到小脚趾。上述的特征有时会有变化，因为L4~L5突出可以邻近中线，同时压迫L5和S1，甚至有时只压迫S1。
五、骨盆
骨盆由三块骨性结构组成，包括2块髂骨和1块骶骨，并有3个关节，即2个骶髂关节和耻骨联合，关节活动范围很小。骨盆形如漏斗，宽阔的底部向上，形成骨盆入口，连接腹腔和盆腔，骨盆的形态在男女有差别，女性的骨盆底宽并且较短，因此骨盆不仅是休息时躯干直立的力学因素，同时对女性分娩意义重大。
骨盆环在脊柱和下肢间传递力量。由第5腰椎支撑的重力，均匀地沿着骶骨翼和坐骨结节传向髋臼。对应重力的地面反作用力则由股骨颈和股骨头传递至髋臼。部分反作用力被传递至耻骨的水平分支，在耻骨联合处与来源于相反一侧的力量相平衡。这些作用于骨盆入口处的力线形成一个完整的环。在骨性骨盆中有一个复杂的骨小梁系统来传递这些力。由于骶骨的上部比下部宽，因此它可被理解成一个垂直嵌入于髂骨的楔形块。骶骨由韧带支持，悬浮于周围骨块中，其承受的重量越大，结合得越牢固，犹如一个自锁系统。从横断面看，骶骨紧贴于髂骨间。每侧髂骨形似一个杠杆臂，杠杆支点位于骶髂关节，阻力和作用力分别作用于骶髂关节的最前端和最后端。向后的阻力位于强大的骶髂关节韧带处，向前的作用力则作用于耻骨联合处，且左右相等。当耻骨联合处发生移位，两块耻骨的分离将引起位于骶髂关节处髂骨的移位分离，并使骶骨游离而向前移动。当下肢负重时，已脱位的骨盆在耻骨联合处即受到剪切力作用。因此，发生于骨盆环任何部位的断裂，都将对其整体造成影响，并降低其抗阻力性能。
髂骨关节面位于髂骨内侧的后上方，恰好在髂耻线的后面，形成骨盆入口的一部分。其呈新月形，向后上侧凹陷，关节面上附有软骨。总体上，关节面形态不规则。骶骨结节正是骶髂韧带附着点。
体位对骨盆关节也会产生影响。对称直立时，骨盆各关节承担躯体重量。可以从侧位来分析这些力的作用方式，椎体、骶骨、髋关节和下肢所形成的下肢系统附带2个关节：髋关节和骶髂关节。躯体重量作用于骶骨，以迫使骶骨岬下降。随后骶骨产生转动，而该运动又很快地被骶髂前韧带所限制。骶棘韧带和骶结节韧带防止了骶骨尖端从坐骨结节处分离。同时，由股骨、髋关节所传递的地面反作用力与作用于骶骨的人体重量形成了转动力偶，导致髋骨向后倾斜。骨盆的这种后倾，增加了骶髂关节的转动移位。虽然此类分析的侧重点在运动，但由于韧带相当有力，能立即阻止所有的运动，因此，我们在分析时应更关注力的因素。
人体直立状态下，身体重心位于S3和耻骨的连线上，靠近髋关节水平，即骨盆处于平衡状态的位置上。步行途中每一步单足着地时地面作用力由该侧下肢传递，并使该侧髋关节抬高，对侧髋关节则因下肢重量而降低，耻骨联合由此受到剪切力作用，使得一侧耻骨位置上升，另一侧耻骨位置下降。耻骨联合可以阻止任何运动，但当它有脱位时，步行时耻骨上缘将不重合。我们同样可以想象步行中骶髂关节的状况：它们周围坚实的韧带可以阻止其运动，但是若一侧韧带有移位发生，则每走一步将是费力的。因此，站立和行走都依赖骨盆环的力学坚固性。
人体仰卧时，骶髂关节的作用随髋关节屈曲或伸直位置的变化而变化。当髋关节伸直时，由于屈肌的牵拉（如腰大肌），骨盆向前倾斜，同时骶尖也向前推，由此缩短了骶骨尖端到坐骨结节之间的距离，并使骶髂关节逆旋转。当髋关节屈曲时，由于腘绳肌的牵拉，使骨盆相对骶骨向后倾斜，也就是发生转动运动，由此减小了骨盆入口直径，增加了骨盆出口直径。当髋关节从伸直位变化至屈曲位时，骶骨岬的平均移位有5.6mm。因此发生于大腿处的上述变化可以改变骨盆腔的大小，以利分娩时胎儿头部的顺利通过。