人体脊椎的动态变化

脊柱骨架为身体提供坚实的支撑，由33-34块椎骨组成。椎骨由两部分组成——椎体（位于前方）和椎弓（位于后方）。椎体构成椎骨的主体。椎弓由四节组成。其中两节为椎弓根，构成支撑壁。另外两节为薄板，构成一种“屋顶”。椎弓上延伸出三个骨突。左右两侧的横突分别从每个“椎弓根-板”关节分支出来。此外，在中线上，当人向前弯曲时，可以看到一个向后突出的棘突。根据位置和功能，不同节段的椎骨具有特定的结构特征，椎骨的运动方向和程度由关节突的方向决定。

颈椎。关节突扁平呈椭圆形，在空间中与额状面呈10-15°角，与矢状面呈45°角，与水平面呈45°角。因此，上关节相对于下关节产生的任何位移都会同时与三个平面成一定角度。椎体的上下表面呈凹陷，许多作者认为这是增加活动范围的一个因素。

胸椎。关节突与额面呈20°角，与矢状面呈60°角，与水平面和额面均呈20°角。

关节的这种空间排列使得上关节相对于下关节能够同时向腹侧或背侧位移，以及向内侧或外侧位移。关节面在矢状面上具有显著的斜率。

腰椎。其关节面的空间排列与胸椎和颈椎不同。腰椎呈拱形，与额状面、水平面和矢状面均呈45°角。这种空间排列有利于上关节相对于下关节向背外侧和腹内侧位移，并伴有头侧或尾侧位移。

Lesgaft (1951) 的著名著作也证明了椎间关节在脊柱运动中的重要作用，该著作重点关注了 C5-C7 节段关节球面重心的重合。这解释了这些节段中主要的运动量。此外，关节面同时向额状面、水平面和垂直面倾斜，促使关节在这三个平面上同时进行线性运动，排除了单平面运动的可能性。此外，关节面的形状促使一个关节沿另一个关节的平面滑动，限制了同时进行角运动的可能性。这些观点与 White (1978) 的研究一致，White 的研究结果表明，在切除带弓的关节突后，椎体运动节段的角运动量在矢状面上增加了 20-80%，在额状面上增加了 7-50%，在水平面上增加了 22-60%。 Jirout (1973) 的射线数据证实了这些结果。

脊柱包含各种类型的骨连接：连续的（韧带联合、软骨联合、骨性连接）和不连续的（脊柱与颅骨之间的关节）。椎骨体通过椎间盘相互连接，椎间盘约占脊柱总长度的“A”。它们主要起液压减震器的作用。

众所周知，脊柱任何部位的活动量很大程度上取决于椎间盘的高度与脊柱骨质部分的比例。

根据Kapandji (1987) 的研究，该比例决定了脊柱特定节段的活动性：比例越高，活动性越大。颈椎的活动性最大，比例为2:5，即40%。腰椎的活动性较小（比例为1:3，即33%）。胸椎的活动性更小（比例为1:5，即20%）。

每个椎间盘的构造都是这样的：它有一个胶状核心和一个纤维环。

凝胶核心由不可压缩的凝胶状物质组成，包裹在弹性“容器”中。其化学成分主要为蛋白质和多糖。凝胶核心具有强亲水性，即对水具有吸引力。

根据 Puschel (1930) 的研究，出生时髓核中的液体含量为 88%。随着年龄的增长，髓核会失去结合水分的能力。到 70 岁时，其含水量会降至 66%。脱水的原因和后果非常重要。椎间盘含水量的减少可以通过蛋白质和多糖浓度的降低来解释，也可以通过纤维软骨组织逐渐取代髓核中的凝胶状物质来解释。Adams 等人 (1976) 的研究结果表明，随着年龄的增长，髓核和纤维环中蛋白聚糖的分子大小会发生变化。液体含量会减少。到 20 岁时，椎间盘的血管供应会消失。到 30 岁时，椎间盘完全由通过椎骨终板的淋巴扩散来滋养。这解释了随着年龄增长脊柱灵活性的丧失，以及老年人恢复受伤椎间盘弹性的能力受损。

髓核承受作用于椎体的垂直力，并将其在水平面上呈放射状分布。为了更好地理解这一机制，我们可以将髓核想象成一个可移动的铰链关节。

纤维环由大约20层同心纤维构成，这些纤维相互交织，每层纤维之间都形成一定角度。这种结构能够控制运动。例如，在剪切应力作用下，沿一个方向运行的斜纤维会收紧，而沿相反方向运行的斜纤维则会放松。

髓核的功能（Alter，2001）

行动	弯曲	扩大	侧屈
上部椎骨被抬起	正面	后退	朝向弯曲侧
因此，磁盘被拉直了。	正面	后退	朝向弯曲侧
因此，磁盘增加	后退	正面	弯道对面
因此，核心是	向前	后退	弯道对面

随着年龄的增长，纤维环会失去弹性和柔韧性。年轻时，纤维环的纤维弹性组织主要具有弹性。随着年龄的增长或受伤后，纤维成分的比例会增加，椎间盘也会失去弹性。弹性丧失后，椎间盘更容易受到损伤。

在250公斤的负荷下，每个椎间盘的高度平均会缩短1毫米，整个脊柱因此会缩短约24毫米。在150公斤的负荷下，T6和T7之间的椎间盘会缩短0.45毫米，而在200公斤的负荷下，T11和T12之间的椎间盘会缩短1.15毫米。

椎间盘因压力引起的这些变化很快就会消失。身高170至180厘米的人，躺下半小时后身长会增加0.44厘米。同一个人在早晨和晚上的身长差异平均为2厘米。根据Leatt、Reilly和Troup（1986）的研究，在醒来后的1.5小时内，身高会下降38.4%，醒来后的2.5小时内，身高会下降60.8%。在上半夜，身高会恢复68%。

Strickland 和 Shearin (1972) 对儿童上午和下午的身高差异进行了分析，发现平均差异为 1.54 厘米，范围为 0.8-2.8 厘米。

睡眠期间，脊柱负荷最小，椎间盘会肿胀，吸收组织中的液体。Adams、Dolan 和 Hatton（1987）指出了腰椎负荷每日变化的三个显著后果：1. “肿胀”导致醒来后腰椎屈曲时脊柱僵硬感增强；2. 清晨，椎间盘韧带的损伤风险更高；3. 脊柱活动范围在中午时分增大。身长的差异不仅是由于椎间盘厚度的减少，还与足弓高度的变化有关，或许在某种程度上也与下肢关节软骨厚度的变化有关。

在青春期之前，椎间盘的形状可能会在外力作用下发生改变。到青春期，椎间盘的厚度和形状最终确定，脊柱的结构和相关的姿势类型也随之改变。然而，正因为姿势主要取决于椎间盘的特性，所以它并非完全稳定，并且可能会在内外力作用（尤其是体育锻炼，尤其是在年轻时）的影响下发生一定程度的变化。

韧带结构和其他结缔组织在决定脊柱的动态特性方面发挥着重要作用，其作用是限制或改变关节的运动。

前纵韧带和后纵韧带分别沿椎体和椎间盘的前后表面走行。

椎弓之间有非常强韧的韧带，由弹性纤维组成，呈黄色，因此被称为“椎弓间韧带”或“黄色韧带”。当脊柱活动时，尤其是弯曲时，这些韧带会拉伸并变得紧张。

椎骨棘突之间是棘间韧带，横突之间是横间韧带。棘突上方是棘上韧带，沿着脊柱的整个长度延伸，该韧带在靠近颅骨处沿矢状方向增加，被称为项韧带。在人类中，该韧带呈宽板状，在颈区左右肌肉群之间形成一种隔板。椎骨的关节突通过关节相互连接，在脊柱上部，关节呈扁平状，而在下部，尤其是腰部，关节呈圆柱状。

枕骨与寰椎的连接有其自身的特点。这里，如同椎骨关节突之间一样，存在由两个解剖学上独立的关节组成的联合关节。寰枕关节的关节面形状为椭圆形或卵圆形。

寰椎与寰枢前弓之间有3个关节组合成具有一个垂直旋转轴的联合寰枢关节，其中单关节为寰枢前弓齿状体与寰椎前弓之间的圆柱形关节，双关节为寰椎下关节面与寰枢前弓之间的扁平关节。

寰椎上下各有寰枕关节和寰枢关节，它们相互补充，形成连接，使头部能够围绕三个相互垂直的旋转轴进行活动。这两个关节可以合并成一个联合关节。当头部绕垂直轴旋转时，寰椎会与枕骨一起运动，起到颅骨和脊柱其他部分之间的一种中间半月板的作用。一个相当复杂的韧带结构参与强化这些关节，其中包括十字韧带和翼状韧带。十字韧带由横韧带和两条腿（上腿和下腿）组成。横韧带从齿状突上齿后方穿过，并被拉伸至寰椎左右侧块之间，从而加强齿状突在其原位的位置。上腿和下腿从横韧带延伸而出。其中，上翼韧带附着于枕骨，下翼韧带附着于第二颈椎体。左右翼韧带从齿侧表面向上向外延伸，附着于枕骨。寰椎和枕骨之间有两层膜——前膜和后膜，封闭了两块骨头之间的开口。

骶骨通过软骨联合与尾骨相连，尾骨主要可沿前后方向活动。女性尾骨顶点在此方向上的活动范围约为2厘米。韧带装置也参与强化软骨联合。

由于成年人的脊柱形成两个前凸（颈椎和腰椎）和两个后凸（胸椎和骶尾椎）曲线，因此从身体重心发出的垂直线仅在两个位置与其相交，最常见的是在C8和L5椎骨的水平。然而，这些比例可能会因个人姿势特征而异。

上半身的重量不仅会对椎骨施加压力，还会以形成脊柱弯曲的力量的形式作用于其中一些椎骨。在胸椎区域，身体的重力线会经过椎体前方，从而产生一种力的作用，旨在增加脊柱的后凸弯曲。而胸椎的韧带结构，特别是后纵韧带、骨间韧带，以及躯干伸肌的张力，可以防止脊柱后凸。

在腰椎中，这种关系是相反的，身体的重力线通常以这样的方式穿过，即重力倾向于减少腰椎前凸。随着年龄的增长，韧带装置的抵抗力和伸肌的张力都会下降，因此，在重力的影响下，脊柱通常会改变其结构，形成一个向前的总体弯曲。

已经确定，上半身重心的前移是受到多种因素的影响而发生的：头部和肩胛带的质量、上肢、胸部、胸腔和腹部器官。

成人的额状面（身体重心所在的面）向前偏离寰枕关节的程度相对较小。幼儿的头部质量非常重要，因为头部质量占全身质量的比例更大，所以头部重心额状面通常向前偏移较大。上肢质量在一定程度上会影响脊柱弯曲的形成，这取决于肩胛带向前或向后的位移，因为专家们已经注意到弯腰姿势与肩胛带和上肢向前位移的程度之间存在一定的关联。然而，在挺直身躯时，肩胛带通常会向后位移。人体胸部的质量会影响躯干重心向前位移，其前后径越大。胸部平坦时，其重心位置相对较靠近脊柱。胸部器官，尤其是心脏，不仅会因其质量导致躯干重心向前移动，还会直接拉动胸椎的颅骨部分，从而增加其后凸弯曲。腹部器官的重量会因人的年龄和体质而异。

脊柱的形态特征决定了其抗压强度和抗拉强度。专业文献表明，脊柱可承受约350公斤的压缩压力。颈部抗压强度约为50公斤，胸部约为75公斤，腰部约为125公斤。已知颈部抗拉强度约为113公斤，胸部约为210公斤，腰部约为410公斤。第五腰椎与骶骨之间的关节在262公斤的拉力下会发生撕裂。

各个椎骨对颈椎压缩的强度大致如下：C3 - 150公斤，C4 - 150公斤，C5 - 190公斤，C6 - 170公斤，C7 - 170公斤。

胸椎区域的典型指标如下：T1 - 200 公斤，T5 - 200 公斤，T3 - 190 公斤，T4 - 210 公斤，T5 - 210 公斤，T6 - 220 公斤，T7 - 250 公斤，T8 - 250 公斤，T9 - 320 公斤，T10 - 360 公斤，T11 - 400 公斤，T12 - 375 公斤。腰椎区域可承受的负荷大致如下：L1 - 400 公斤，L2 - 425 公斤，L3 - 350 公斤，L4 - 400 公斤，L5 - 425 公斤。

相邻两节椎骨之间可能发生以下类型的运动。椎间盘压缩和拉伸导致沿垂直轴的运动。这些运动非常有限，因为压缩只能在椎间盘的弹性范围内进行，而拉伸则受到纵韧带的抑制。对于整个脊柱而言，压缩和拉伸的极限很小。

相邻两椎骨之间的运动，部分形式为绕垂直轴旋转，这种运动主要受到椎间盘纤维环同心纤维张力的抑制。

在屈曲和伸展运动中，椎骨之间也可能围绕额轴旋转。在这些运动中，椎间盘的形状会发生变化。屈曲时，椎间盘前部受压，后部受拉；伸展时，则出现相反的现象。在这种情况下，胶状髓核会改变位置。屈曲时，它向后移动；伸展时，它向前移动，即朝向纤维环的拉伸部分。

另一种独特的运动是绕矢状轴旋转，导致躯干侧倾。在这种情况下，椎间盘的一个侧面被压缩，而另一个侧面被拉伸，胶状核向拉伸方向移动，即向凸面方向移动。

两个相邻椎骨之间的关节发生的运动取决于关节面的形状，而关节面在脊柱的不同部位的位置不同。

颈部区域活动性最强。该区域的关节突关节面平坦，向后倾斜约45-65°。这种关节活动提供三个自由度：在额状面上可进行屈伸运动，在矢状面上可进行侧向运动，在水平面上可进行旋转运动。

C2 和 C3 椎骨之间的空间活动范围比其他椎骨之间的空间略小。这是因为这两个椎骨之间的椎间盘非常薄，并且颈椎间盘下缘的前部形成了一个限制活动的突起。颈椎的屈伸活动范围约为 90°。颈椎前轮廓形成的前凸在屈曲时会变为凹陷。由此形成的凹陷的半径为 16.5 厘米。如果从该凹陷的前端和后端画出半径，则会得到一个向后张开的 44° 角。在最大伸展时，会形成一个向前向上张开的 124° 角。这两个圆弧的弦相交于 99° 角。在 C3、C4 和 C5 椎骨之间观察到最大的运动范围，在 C6 和 C7 之间观察到的较小范围，在 C7 和 T1 椎骨之间观察到的较小范围。

前六节颈椎椎体之间的侧向运动幅度也较大。C 椎……在此方向上的活动性明显较小。

颈椎体之间的马鞍形关节面不利于扭转运动。一般而言，根据不同作者的研究，颈椎的活动幅度平均为以下值：屈曲 90°，伸展 90°；侧倾 30°，向一侧旋转 45°。

寰枕关节以及寰椎与上丘脑干之间的关节具有三个运动自由度。在第一个自由度下，头部可以前后倾斜。在第二个自由度下，寰椎可以围绕齿状突旋转，头骨也随之旋转。在头骨与寰椎之间的关节处，头部仅可前倾20°，后倾30°。寰枕前膜和后膜的张力抑制了头部向后倾斜，头部向后倾斜时，额轴位于外耳道后方，颞骨乳头突正前方。只有与颈椎同时运动，头骨才能前倾超过20°，后倾超过30°。前倾可以持续到下巴接触胸骨。只有通过主动收缩屈曲颈椎并使头部向身体倾斜的肌肉才能实现这种倾斜度。当头部因重力作用而向前倾时，下巴通常不会碰到胸骨，因为头部是靠颈后肌和项韧带拉伸的张力固定的。头部前倾时，作用在第一级杠杆上的重量不足以克服颈后肌的被动性和项韧带的弹性。当胸骨舌骨肌和颏舌骨肌收缩时，它们的力量加上头部的重量，会使颈后肌和项韧带拉伸得更大，从而使头部向前倾，直到下巴碰到胸骨。

寰椎与骨性关节可向左和向右旋转30°。寰椎与骨性关节的旋转受翼状韧带张力的限制，翼状韧带起自枕骨髁的外侧表面，附着于齿状突的外侧表面。

由于颈椎下表面在前后方向上呈凹形，因此椎骨之间可以在矢状面上活动。颈部韧带结构最弱，这也增加了其活动性。与胸椎和腰椎相比，颈部承受的压缩负荷明显较小。颈部是大量肌肉的附着点，这些肌肉决定了头部、脊柱和肩胛带的运动。在颈部，肌肉牵引的动态作用相对静态负荷更大。颈部几乎不承受变形负荷，因为周围的肌肉似乎可以保护其免受过度的静态作用。颈部的一个特征是，在身体垂直位置时，关节突的平面呈45°角。当头部和颈部向前倾斜时，该角度会增加到90°。在这个姿势下，颈椎的关节面在水平方向上相互重叠，并由于肌肉的作用而固定。当颈部弯曲时，肌肉的活动尤为明显。然而，由于视觉器官必须控制手部的运动，人们在工作时经常处于弯曲颈部的姿势。许多类型的工作，包括阅读书籍，通常都是在头部和颈部弯曲的情况下进行的。因此，肌肉，尤其是颈后部的肌肉，必须努力保持头部平衡。

在胸椎区域，关节突也具有平坦的关节面，但它们几乎垂直排列，并且主要位于额平面。由于关节突的这种排列方式，关节可以进行屈曲和旋转运动，但伸展受限。侧向弯曲运动的幅度很小。

在胸椎区域，脊柱的活动性最小，这是由于椎间盘的厚度较小。

上胸椎区域（第一至第七椎骨）的活动度较小。向尾部方向活动度逐渐增大。胸椎可向右侧弯曲约100°，向左侧弯曲略小。旋转运动受关节突位置限制。活动范围相当大：绕额轴旋转90°，伸展45°，旋转80°。

在腰椎区域，关节突的关节面几乎位于矢状面，其上内侧关节面凹陷，下外侧关节面凸起。这种关节突的排列方式排除了它们相互旋转的可能性，运动仅在矢状面和额状面上进行。在这种情况下，伸展运动的幅度大于屈曲运动的幅度。

在腰椎区域，不同椎骨之间的活动度并不相同。在所有方向上，L3 和 L4 椎骨之间以及 L4 和 L5 椎骨之间的活动度最大。L2 和 L3 椎骨之间的活动度最小。

腰椎的活动度由以下参数表征：屈曲 - 23°，伸展 - 90°，侧倾 - 35°，旋转 - 50°。L3 和 L4 之间的椎间隙具有最大的活动度，这与 L3 椎骨位于中心位置有关。事实上，该椎骨对应于男性腹部区域的中心（女性的 L3 位于更靠尾部的位置）。在某些情况下，人类的骶骨几乎处于水平位置，腰骶角减小至 100-105°。限制腰椎活动的因素列于表 3.4。

在额状面上，脊柱屈曲主要发生在颈部和上胸部；伸展主要发生在颈部和腰部，在胸部，这些活动不明显。在矢状面上，颈部的活动度最大；在胸部，活动度不明显；在腰部，脊柱的活动度再次增强。颈部可以进行大范围的旋转；在尾部，旋转幅度减小，在腰部，旋转度非常不明显。

在研究脊柱整体活动度时，将不同节段的运动幅度数值相加没有任何算术意义，因为在整个脊柱自由部分运动时（无论是在解剖标本上还是在活体上），由于脊柱的弯曲，会发生补偿运动。尤其是一个节段的背屈会导致另一个节段的腹伸。因此，建议用脊柱整体活动度的数据来补充不同节段活动度的研究。许多作者在研究单个脊柱时获得了以下数据：屈曲 - 225°，伸展 - 203°，侧倾 - 165°，旋转 - 125°。

在胸椎区域，只有当关节突恰好位于额状面上时，脊柱才有可能侧屈。然而，它们略微向前倾斜。因此，只有那些关节面大致位于额状面上的椎间关节才会参与侧倾。

脊柱绕垂直轴的旋转运动在颈部区域最大程度地实现。头部和颈部可相对于躯干在两个方向上旋转约60-70°（即总共约140°）。胸椎无法旋转。腰椎几乎无法旋转。在第17和18个生物运动对区域，胸椎和腰椎之间可以实现最大程度的旋转。

因此，整个脊柱的总旋转活动度等于 212°（头部和颈部为 132°，第 17 和第 18 个生物运动对为 80°）。

值得关注的是确定身体绕其垂直轴旋转的可能角度。单腿站立时，半屈髋关节可以旋转140°；双腿支撑时，旋转幅度减小至30°。总而言之，这使得我们身体的旋转能力在双腿站立时提升至约250°，在单腿站立时提升至365°。从头到脚的旋转运动会导致体长缩短1-2厘米。然而，有些人的缩短幅度会更大。

脊柱的扭转运动在四个层面进行，这是不同类型脊柱侧弯的特征。每个层面的扭转都取决于特定肌肉群的功能。较低的旋转水平对应于胸廓下孔（第12根假肋水平）。该水平的旋转运动是由一侧的内斜肌和对侧的外斜肌协同作用的结果。由于一侧的内肋间肌和另一侧的外肋间肌收缩，该运动可以继续向上进行。第二层旋转运动位于肩胛带。如果肩胛带固定，胸廓和脊柱的旋转是由前锯肌和胸肌收缩引起的。背部的一些肌肉——后锯肌（上、下）、髂肋肌和半棘肌——也提供旋转功能。胸锁乳突肌双侧收缩时，使头部保持垂直姿势，后仰，并使颈椎屈曲。单侧收缩时，使头部向一侧倾斜，并转向对侧。头夹肌伸展颈椎，使头部转向同侧。颈夹肌伸展颈椎，使颈部转向收缩侧。

侧弯通常与旋转相结合，因为椎间关节的位置有利于侧弯。该运动围绕的轴并非正好位于矢状方向，而是向前和向下倾斜，因此侧弯伴随着躯干向后旋转，旋转过程中脊柱会形成凸面。侧弯与旋转的结合是一个非常重要的特质，可以解释脊柱侧弯的一些特性。在第 17 和 18 个生物运动对区域，脊柱侧弯与向凸侧或凹侧的旋转相结合。在这种情况下，通常会执行以下三个动作：侧弯、前弯和向凸侧旋转。这三个动作通常与脊柱侧弯一起实现。

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ]

为脊柱提供运动的功能性肌肉群

颈椎：围绕额轴的运动

弯曲

1. 胸锁乳突肌
2. 前斜角肌
3. 后斜角肌
4. 颈长肌
5. 头长肌
6. 头直肌前肌
7. 颈部皮下肌肉
8. 肩胛舌骨肌
9. 胸骨舌骨肌
10. 胸骨甲状肌
11. 甲状舌骨肌
12. 二腹肌
13. 茎突舌骨肌
14. 舌骨肌
15. 颏舌骨肌

围绕矢状轴的运动

1. 颈长肌
2. 前斜角肌
3. 中斜角肌
4. 后斜角肌
5. 斜方肌
6. 胸锁乳突肌
7. 竖脊肌
8. 穿戴式假阳具颈肌
9. 头长肌

围绕垂直轴的运动——扭转

1. 前斜角肌
2. 中斜角肌
3. 后斜角肌
4. 胸锁乳突肌
5. 上斜方肌
6. 穿戴式假阳具颈肌
7. 肩胛提肌

颈椎的圆周运动（环转）：

颈部所有产生脊柱屈曲、倾斜和伸展的肌肉群交替参与。

腰椎：围绕额轴的运动

弯曲

1. 髂腰肌
2. 腰方肌
3. 腹直肌
4. 腹部外斜肌

伸展（胸椎和腰椎）

1. 竖脊肌
2. 脊横肌
3. 棘间肌
4. 横突间肌
5. 提升肋骨的肌肉
6. 斜方肌
7. 背阔肌
8. 菱形大肌
9. 菱形小肌
10. 上后锯肌
11. 下后锯肌

围绕矢状轴（胸椎和腰椎）的侧向屈曲运动

1. 横突间肌
2. 提升肋骨的肌肉
3. 腹部外斜肌
4. 腹部内斜肌
5. 腹横肌
6. 腹直肌
7. 腰方肌
8. 斜方肌
9. 背阔肌
10. 菱形大肌
11. 上后锯肌
12. 下后锯肌
13. 竖脊肌
14. 脊横肌

围绕垂直轴的运动——扭转

1. 髂腰肌
2. 提升肋骨的肌肉
3. 腰方肌
4. 腹部外斜肌
5. 腹部内斜肌
6. 肋间外肌
7. 内肋间肌
8. 斜方肌
9. 菱形大肌
10. 背阔肌
11. 上后锯肌
12. 下后锯肌
13. 竖脊肌
14. 脊横肌

混合轴的圆周旋转运动（环转）：躯干所有肌肉交替收缩，产生脊柱的伸展、耻骨屈曲和屈曲。