脊柱的解剖结构及运动功能

认识脊柱的解剖特点，是了解脊柱生物力学及受伤机制的基础。脊柱有颈椎前凸、胸椎后凸、腰椎前凸、骶椎后凸四个生理弯曲，且由于间盘及附着其上的韧带和肌肉，使其富有弹性和张力，能够在缓冲应力中达到动态平衡而不至于伤筋动骨。

一．脊柱结构

1颈椎的解剖特点及力学功能 上颈椎位于颅颈结合部，解剖结构精密而复杂，使头颅有较大的屈伸和旋转。第一颈椎(C1 )又称寰椎，前方称前弓，后弓更平且中线有后结节，两侧为侧块，侧块上下均有关节面，上关节面向内凹，与枕骨髁形成寰枕关节，下关节面与枢椎的上关节面成关节;第二颈椎(C2 )有椎体，且椎体前方有齿状突起，为齿突，其与寰椎前弓后方形成寰齿关节。起于两侧寰椎侧块前内侧止于齿突干后方的韧带称之为横韧带，是预防寰枢椎脱位最重要的韧带;还有由齿突干斜向上止于枕骨髁内侧面的翼状韧带，可限制寰枢关节的过度旋转及侧方半脱位;齿突尖部止于枕骨基底覆膜的上纵束，枢椎后方的下纵束，可增强横韧带，协助预防齿突前移;寰枢副韧带，起自寰椎侧块内面止于枢椎椎体后面的外方，也有限制寰枢关节过度旋转的作用。寰椎横韧带、纵束、寰枢副韧带称为寰椎十字韧带。

2胸腰椎的解剖特点及力学功能 胸腰椎椎体之间也是由间盘、关节突关节和诸多韧带连接的。胸椎的椎体断面呈“心形”(胸中有心)， 腰椎的椎体断面呈“肾形”(腰里有肾)。胸椎椎体侧面后下方两侧各有半球形肋凹，与肋骨形成肋横突关节。胸椎关节突的关节面呈冠状位，棘突较长，伸向后下方，呈叠瓦状排列。椎体由上至下，体积逐渐增加。前方的椎

体、侧方的椎弓以及后方的椎板环绕成椎管，内容脊髓或马尾，在T7 水平椎管直径最小。

3椎间盘在脊柱的应力传导和退行性病变中所起的作用至关重要。椎间盘位于椎体之间，就好比两个金属构件之间的橡胶垫片，它富有弹性，内含由水、胶原蛋白(I 型主要分布在纤维环、II型主要在髓核)、粘多糖组成的富有弹性的髓核，在应力传递中，可以吸收能量、使应力分布更加均匀，从而起到缓冲作用。外周部分称纤维环，这些纤维起始斜行角度60° ~ 70°，且每一层的方向都不一样，使应力分布更加均匀。若纤维环先天或后天结构缺损，在应力传导过程中容易发生髓核突出 。

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二．脊柱运动功能

脊柱可进行屈、伸、侧屈、旋转和环转运动及其它复杂组合动作。

1 屈曲：屈是指脊柱绕冠状轴(额状轴)(左右方向)在矢状面内向前的运动。

当脊柱向前屈曲时。胸部后凸加大，颈部和腰部的前凸减小。同时。棘突可稍微分开，比较容易在腰背部的正中体表扪及。各椎体之间以关节突为轴，使椎体和椎间盘受压。链接后部结构的棘上韧带、棘间韧带、黄韧带等受拉。背腰深浅肌肉受拉。

使脊柱(躯干和颈部)前屈的肌主要有：胸锁乳突肌、斜角肌、颈长肌、头长肌、腹直肌、腹内斜肌、腹外斜肌、腰方肌、腰大肌等。

2 背伸：脊柱由解剖学位置向后弯曲或由前屈状态返回解剖学位置并继续向后弯曲的运动，均称为伸。

脊柱向后伸展时。颈部和腰部的前凸增大而胸部后凸减小。脊柱整个后部结构的应力水平显著提高。尤其在椎弓根部、椎弓峡部和关节突关节等处更为明显，在近椎弓根处的椎体密质骨表现出比较明显的应力集中，椎间盘纤维环的后外侧的应力水平比前屈时升高。

使脊柱后伸的肌主要有：斜方肌、上后锯肌、下后锯肌、头夹肌、颈夹肌、骶棘肌、横突棘肌、背短肌等。

3 侧屈：脊柱绕矢状轴(前后方向)在冠状面(额状面)内的运动称为侧屈，其中脊柱弯向左侧的运动称为左侧屈。脊柱弯向右侧的运动称为右侧屈。

脊柱的侧屈运动有两种类型：一种是脊柱侧屈时，各部的运动幅度比较一致，椎骨棘突在背部形成一平滑的曲线：一种是运动部位主要集中在颈部和上腰部。胸部脊柱几乎不改变形状或只有较小的改变。脊柱侧屈时，曲侧压力增大，对侧剪刀增大。

使脊柱侧屈的肌有：肩胛提肌、腰方肌、肋间肌、横突间肌等。

4 旋转：脊柱旋转是指绕垂直轴在水平面内的运动，也称回旋，又可分为左旋和右旋。骨盆固定不动、头部和肩部向左旋转。或头部和肩部固定不动、骨盆向左旋转。都称为左旋。

与脊柱旋转有关的肌有：胸锁乳突肌、斜方肌上部、斜角肌、腹内斜肌、腹外斜肌、夹肌、髂肋肌、脊柱固有的回旋肌、髂腰肌等。

5 环转：脊柱的下部固定不动，上端做圆周运动动。称之为环转。环转运动也可在悬垂状态下，上部脊柱较为固定时由脊柱下部完成。它是上述几种运动连续进行的结果。

三．脊柱在不同姿势下的受力

身体处于某种姿势时，脊柱的形态特性和受力情况。我们可以把每种体位看作是身体复杂运动中的各个单独的位相或完成了动作，以能从中理解在脊柱运动过程中的力学变化。

1 站立位：正常人在直立位时。从侧身看脊柱身体上部的重心位于脊柱的前方，躯干的重力线一般是通过第4腰椎中心的腹侧，即脊柱各节段承受着恒定的前屈力矩。因此使脊柱所受到的压力并不只是人体本身的重量，还包括为了平衡重力的背部肌肉的收缩力。人体垂直站立时，由椎体和椎间盘承受了几乎全部的压力，脊柱各段所受的压力从上而下逐渐增加，但在脊柱稍向后伸展时，一部分压力侧由关节突关节承受且由于骶棘肌和髂腰肌的收缩以及髂股韧带的紧张，使骨盆向前的倾斜程度增大，脊柱腰段的弯曲也随之增大。

两腿的长度或两脚所站的高度不同。可使骨盆不完全处于水平位而稍微向一侧倾斜。并同时使脊柱发生向对侧的代偿性弯曲。脊柱的弯曲可增加脊柱的弹性，长时间站立时两只脚不站在同一高度，如将一只脚放在脚凳上。可在一定程度内减小腰椎间盘上的压力。在人体处于站立姿势时，也并非绝对地平衡。由于肌紧张原因各个肌群的作用和反作用的结果使身体有轻微的前后摆动。摆动幅度的大小随着人体疲劳程度的增加而增大。

2 坐位：人处于坐位时，脊柱除要受到垂直方向的重力作用和它的偏心力矩。还要受到由下肢传来的与偏心力矩方面相反的集中力矩。此外，由于坐位时骨盆向后的倾斜度增加，脊柱腰曲减小或消失。使重力线向腹侧移动，力矩增大，因此腰部椎间盘的负荷要比直立时为大。在坐位时如果躯干向前弯曲，则力矩会进一步增大。如果采取向后斜靠的坐位时。则躯干重力可分为两部分。一部分是沿着躯干轴的作用分量，它使脊柱受到压缩应变，一部分是与躯干轴垂直的作用分量，该力可由靠背(如椅背)上的反作用力平衡，由于各部分的重力方面与脊柱不共线，所以还有一部分偏心力矩作用在脊柱上。此外也有从下肢传来的集中力矩。如果靠背的倾斜角比较大。则重力在脊柱轴向的分量以及它所产生的力矩均减小，但下肢传来的力矩方向却与重力的偏心力矩相一致，使脊柱的应力增大。

3卧位

1）仰卧位：仰卧时的脊柱像一个平放着的弹性曲梁，要受到头部和下肢传来的弯矩和剪力，两端的弯矩使脊柱的前面受拉而后面受压，腰肌的作用也可产生对腰椎的负荷。如果升高头部、下肢弯曲。则由头部传到颈椎、由下肢传到髋部的轴力增加。而使脊柱所受的弯矩减小。同时由髋关节和膝关节的弯曲使腰肌放松减弱了对腰椎的牵拉，从而使腰部脊柱的受力得到部分改善。在床板较硬的情况下，在腰椎以下的部分的床板不会产生支持应力，只有该部分的躯干重量形成弯矩。此弯矩能减低两端弯矩的作用。如果创过于松软，在身体下陷后，将有床的反力作用在腰部脊柱。与端部传来的弯矩叠加起来而造成腰部脊柱比较大的应力。因此，软床虽然使身体表面的载荷分散，但增加了腰段脊柱的应力，故患有腰部疾患时应以硬床板最佳。

2）侧卧位：侧卧位时由于重力作用使脊柱的下胸段和上腰段向下弯曲，使该部脊柱上面受压而下面受拉，而颈段脊柱由于头部的重力作用使头端向下产生弯矩。头端的弯矩使颈部脊柱的上面受拉而下面受压。因此，使用高度适宜的枕头可减轻或消除颈部脊柱受到的弯矩，使侧卧时脊柱大致在同一水平线上。

4其它体位

当人弯腰抬重物时，脊柱实际上是一个机械效率(负荷重力与所需施加的外力之比)很小的杠杆。在这种情况下，可以把脊柱看作是固定在骨盆上的一根带有枢轴的悬梁。骶骨相当于枢轴。此时第5腰椎及其与骶骨相连结的椎间盘(L／S)位于悬梁的根部。所以最容易受到损伤。当弯腰并维持在平衡状态时。骶骨上所受的压力与背部肌肉的作用力是基本相等的。此时背腰部肌肉处于受拉伸状态。当背部呈水平状态时。躯干、上肢和头部的重力(约为整个身体重量的65％)的方向与脊柱呈直角，并且其力臂很长，而背部肌肉的作用力的方向与水平线所成的夹角约为12°，即肌肉的作用线非常靠近枢轴，所以它的力臂很短。

如果不考虑其它因素的影响，—个体重为60kg的人，弯腰使背部呈水平状态时，其骶骨所受的压力大约为180kg，如果要捡起一个重20kg的物体，则骶骨所受的压力约为250kg，如此大的力作用于肌肉和椎间盘上是有很大危险的。因此，在弯腰捡东西时，即使所捡的东西不重，也会在腰椎的椎间盘尤其是最下面的一个椎间盘上产生非常大的力。所以应尽量避免采取这种姿势。

四．脊柱运动特点

脊柱主要承受轴向应力，中立位时其前后柱应力分布规律约为“二八开”，即前柱约承担80%，中后柱约承担20%。其受力是随着运动而改变的，屈曲时前柱应力增加，背伸时中后柱应力增加 。附着于脊柱上的肌肉不均匀收缩，产生相对运动，颈椎和腰椎的关节突关节结构便于发生屈伸动作，而胸椎由于胸廓的“铠甲效应”，屈伸动作受到限制。旋转动作主要发生在颈椎和上胸椎。而侧屈动作可发生于整个脊柱 。椎体外周是坚硬的皮质，内含较多的垂直排列的骨小梁，且被横向排列的骨小梁连接起来，组成复杂的三维结构，可承受轴向应力及其他方向的应力 ，骨小梁可在应力中重建得强度更大，也可在高龄或病理状态下发生骨小梁的吸收、数目的减少、小梁间隙的增大、力学性能变差等改变，产生骨质疏松，是老年人最常见的骨折病因之一。

Skotte JＨ，Essendrop M，Ｈansen AF，et al． A dynamic 3D biomechanical evaluation of the load on the low back during different patient handling tasks． J Biomech，2002，35(10):1357 －1366．

由于脊柱结构及功能上的原因。如①脊柱整体结构上的生理性弯曲。椎体彼此相邻的上下两面实际上并非真正的水平面也非互相平行的。②脊椎椎体间的椎间盘及其后方两侧的关节突关节构成的关节三联体，使脊柱象—个底面向后的等腰三棱柱，而成人脊柱的旋转轴却又位于椎体中心：③人体直立的结果，使身体的重心位于脊柱的前面，同时脊柱背面的肌肉也比较发达等，因此在脊柱侧屈时，椎体必然会伴随着—定程度的旋转运动。由于脊柱是躯干的轴心，脊柱的任何运动都伴随着身体重心的移动，所以脊柱的运动还有赖于下肢各关节及骨盆的协同作用。