椎骨间的连接有三种形式：属于不动关节的韧带联合，如黄韧带、棘间韧带、关节突间韧带、棘上韧带、项韧带、前纵韧带和后纵韧带等；关节，如寰枕关节、环齿关节，相邻各椎骨的上下关节突形成的关节突关节；椎间盘，它是介于不动关节与关节之间的过渡形式。

结构及功能详见本章第四节。

椎间关节是关节突之间的连接，是由相邻椎骨的上下关节突连接而成。椎间关节属于滑膜关节，能够完成有限的滑动，关节面覆有关节软骨，其大小、形态和方位随脊柱的不同水平而异。关节囊附于关节软骨周缘，薄而松弛，附着于相对上、下关节突关节面周缘，向下逐渐变短并紧张。关节囊韧带可增加对关节囊的保护，该韧带可因关节的退变和变形而更加松弛。自第2颈椎至第1骶椎，每两个相邻椎骨间左右各有一个椎间关节。颈椎的关节囊较松弛，胸椎则较紧张，腰椎者则颇肥厚。脊柱各部椎间关节面的朝向不同，因而决定各部脊柱具有不同的运动功能。关节突关节的关节面方向决定了不同区域脊椎的运动特点。在颈部，除第一、第二颈椎间的关节面呈水平位外，其余颈椎之间的关节面都与水平面呈45°角，与额状面平行，两侧椎间关节联合活动，可做前屈、后伸、侧屈和旋转运动。胸椎关节面与水平面呈60°角，与额状面呈20°角，可做侧屈、旋转和少许屈伸运动。腰椎关节面则与水平面呈直角，与额状面呈45°角，可做前屈、后伸和侧屈运动，几乎不能旋转（图2-10-1）。但应注意，个体之间甚至同一个人，关节面的朝向均可有差异。椎间关节的运动和椎间盘的活动互相配合、互相制约，共同保证了脊柱的稳定和灵活。

脊柱节段的活动性能取决于椎间关节面在水平面和额状面的朝向。在上颈椎（颈1和颈2）的椎间关节面基本与水平面平行，因此主要以旋转活动为主。下颈椎（颈3至颈7）的椎间关节面呈卵圆形，上关节突关节面朝向后上，下关节突关节面朝向前下，与水平面呈45°角且与额状面平行，从而保证了颈部的六自由度运动。在胸椎，关节突关节面几乎呈冠状位，比较稳定，加之胸廓的稳定作用，因此限制了胸椎的屈伸活动，不容易发生脱位。但是，由于活动度较小，受外力作用容易发生关节突骨折，一旦发生关节脱位出现交锁，复位非常困难，常需手术处理。在腰椎，关节突关节面几乎呈矢状位，上关节突关节面朝向后内，下关节突关节面朝向前外，该位置允许自如伸屈活动，同时允许一定程度的侧屈，其他活动则明显受限制（腰椎每一运动节段的旋转只有左右）。腰椎的关节突关节非常稳定，受外力作用后极少发生脱位，而容易导致关节突或峡部骨折。

关节突关节除了引导脊柱节段的运动以外，还具有承受负荷的作用，其承受负荷的程度与椎体的位置有关。脊柱过度后伸时关节突的负荷最大，占总负荷的30%（图2-10-2）。脊柱前屈并旋转运动时亦可引起椎间关节的高负荷。在承受压缩负荷时，腰椎关节突关节承担约15%~18%的总负荷。

寰枕关节由寰椎上关节凹与枕髁构成，为椭圆形关节，可做俯仰运动。此外，寰椎与枕骨之间还有寰枕前、后膜，分别连于枕骨大孔前、后缘与寰椎的前后缘之间。寰椎与枢椎之间有寰枢关节，头部的旋转运动几乎全靠此运动。寰枢关节包括：寰枢外侧关节，由左右寰椎下关节面与枢椎上关节面构成。齿突前后关节，分别位于齿突前面与寰椎前弓的齿凹，和齿突后面与寰椎黄韧带之间，形成两个滑膜囊。寰枢关节周围的韧带及覆膜有：寰横韧带，连接于寰椎两个侧块之间，从韧带中部向上、向下分别发出纤维束覆于枕骨大孔前缘和枢椎椎体后面，称为纵束，它们与寰横韧带共同构成寰椎十字韧带。齿突尖韧带，连于齿突尖与枕骨大孔前缘间。翼状韧带自齿突两侧至枕髁内面，有限制齿突过度旋转的作用。覆膜起自枕骨斜坡，通过齿突及其韧带的后面下行，移行于椎体后面的后纵韧带。

又称椎体半关节或Luschka关节，于1858年由Van Luschka首先描述。椎体上面两侧部的骺环增高，形成钩突，与上位椎体下面两侧部的凹面构成钩椎关节。只见于第2颈椎至第7颈椎侧后方之间，其他部位无此关节。两关节面均有软骨覆盖，前、后和侧方均有关节囊包绕，囊的后外侧部纤维层增厚，形成钩椎韧带。关节的内侧界为椎间盘纤维环的外侧缘。由于钩椎关节是后天负重及运动以后逐渐发展起来，幼儿期及以前并不明显，加之关节囊内层多无滑膜，因此并非真正的滑膜关节。钩突构成颈椎间孔的前内侧界，有防止椎间盘向侧方突出的作用，骨质增生时可压迫脊神经根和椎动脉、钩椎关节的存在使椎间盘不可能向侧方突出，从而具有临床的重要性。

脊柱的运动是其功能的重要体现。在空间运动时，有6个自由度的变化，包括旋转、前屈、后伸、侧屈及3个平移运动。脊柱每个运动节段的运动范围在不同的椎骨有不同程度的变化。其中在前屈／后伸的过程中，其上胸椎约为4°，在下胸椎位置却可达12°的变化。其原因是由于胸椎的关节突关节在矢状面上呈60°的夹角，因此在前屈／后伸时，便会产生关节突关节的接触。但腰椎关节突关节在矢状面上却是90°平行的排列，因此前屈可产生较大的运动范围，且随着腰椎位置越往下，所产生的运动范围越大，在腰椎位置最大可产生到20°的运动范围。在侧向弯曲的负荷下，由于脊柱的关节突关节皆有其限制作用，因此下胸椎位置可达8°~9°，而在上胸椎及腰椎位置约在6°，故脊柱在侧弯时的整体差异不大。反而是在扭转负荷下，腰椎平行排列的关节突关节造成在旋转时产生极大的拮抗负荷，因此在腰段的运动范围仅有2°。寰、枢椎关节突关节面在旋转时没有产生接触，无法抵抗旋转，因此产生非常大的运动范围，故头部的转动非常灵活。突然的车祸常致颈部先朝前然后再向后摔，使颈部韧带扭伤或颈部关节的不完全脱位，这种创伤称挥鞭样损伤。

脊柱的每个运动节段皆有不同程度的运动形态，但不论如何变化，皆会绕着某个瞬时旋转中心的区域进行转动动作。脊柱在发生退变后，其瞬时旋转中心的路径会发生变化。除此之外，脊柱的运动范围明显与年龄有关，从青年到老年，其运动范围约减少30%，且当进行扭转运动时，联结运动包括侧弯及前屈有明显增加的趋势。而丧失的胸腰椎运动范围将由颈椎及髋关节进行代偿，以完成日常生活中的各项活动。

前屈运动主要由腹肌及腰大肌来完成，并借竖脊肌来控制前屈的动作变化；而当脊柱前屈在5°~6°范围时，皆是由脊柱独立完成，但在进一步前屈时，则通过肌群带动骨盆，进行髋关节的弯曲动作。脊柱进行侧弯时，运动的控制主要发生在胸椎及腰椎，在胸椎的运动范围上，关节突关节的角度允许胸椎进行侧弯，但受限于肋骨的形态，其运动范围较小，也就是刚性值较高。

脊柱对于外力的承受主要来自于肌肉的收缩及脊柱本身的刚性，但主要的稳定来源还是脊柱附近的肌群。若是没有肌群来协助脊柱承受外力，而单纯仅有胸椎及腰椎，则只能承受20~40N，否则过大的外力会造成脊柱的折屈。即使人体的肌群及脊柱可抵抗外力，却会因不同的姿势或不同负荷状态下而导致脊柱受力的改变。

在人体直立站立时，其重心线经过第4腰椎的前缘。竖脊肌收缩及脊柱韧带群协助稳定脊柱，腹直肌也会有少许的收缩支撑脊柱。脊柱周围腰大肌的收缩会改变骨盆的角度，进而影响姿势的变化，最后造成脊柱受力的改变。当脊柱直立时，骨盆与骶椎的夹角约30°，当人体放松站立时，该夹角低于30°，人体腰椎前凸曲线变得比较平坦，此时经由改变重心线使人体的能量消耗尽量达到最小，以减少肌群的收缩。相反，当人体腰椎增加前凸及胸椎增加后凸时，该夹角超过30°，从而影响脊柱的受力变化。

这样的变因主要源于人体姿势的改变而影响重心的变化，而人体为了达到静态的平衡，势必通过肌群的收缩变化来抵抗外力。因此，姿势的调整与脊柱受力分布有相依的关系。在腰椎前凸曲线较平的状态下，给一个较大的垂直压力负荷，所产生的椎间盘纤维应变较小，且不会产生较大的椎间盘压力及韧带张力。但若是给予腰椎一个较大的屈曲角度，却会造成椎间盘髓核压力增加、纤维环应变增加及关节突关节接触力及韧带张力增加。因此，过度的屈曲会导致脊柱各结构的变化。但即使如此，腰椎曲线仍是不能太直，否则也会导致腰背平直的腰背痛症状。在不同的年龄组，腰椎的曲线变化有明显的不同。

脊柱的缺陷也会造成脊柱曲线的改变，进而改变脊柱受力的分布。如腰椎椎弓崩裂并脊柱滑脱，使椎体产生向前的位移，而导致人体重心往前位移。但为了代偿重心的改变，在脊柱滑脱处上方的躯干往后移动，却无形中增加了腰椎前凸曲线，导致此部椎间盘承受更多的应力。

椎间盘髓核内压力随着人体动作或外在环境的影响而发生改变。一个轻松无负荷的坐姿，其髓核内压力低于站立的姿势；人体在直立站立时，脊柱受力约800N，但改变到直立坐姿时，则脊柱受力增加到996N。在人体屈曲时，也会造成重心前移，导致作用力臂的增加，致使髓核内压力改变。在弯腰及提重物时皆造成髓核内压力增加，最高达到直立位数倍以上，而在卧位时，髓核内压则明显下降。髓核内压除了反映出脊柱受力的变化外，也会造成脊柱在前屈动作下，使椎间盘纤维环在前方呈凸出状态，而后方呈张力状态，因此造成内部的髓核往后方挤压。所以一旦椎间盘纤维环破裂或髓核内压力太大，都会导致椎间盘后侧方突出。若在此状态下，再加入扭转动作，则会使椎间盘后侧方突出更加明显。

腹内压对脊柱的稳定有直接的帮助，因为呼吸在腹部产生压差，形成一股作用压力，使腹部形成一个圆柱状的刚性空气柱，以协助支撑上半身，即腹内压会对人体产生一个腰椎前凸力矩，并且进一步减少椎间盘的垂直受力。

放松站立时，椎体后部肌肉的活动性很低，特别是颈、腰段。据报道，这时腹肌有轻度的活动，但不与背肌活动同时进行，腰大肌也有某些活动。支持躯体重量的脊柱在中立位具有内在的不稳性，躯体重心在水平面的移动，要求对侧有一有效的肌肉活动以维持平衡。因此，躯体重心在前、后、侧方的移位分别需要有背肌、腹肌和腰大肌的活动来保持平衡。

前屈包括脊柱和骨盆两部分运动，开始60°运动由腰椎运动节段完成，此后25°屈曲由髋关节提供。躯干由屈曲位伸展时，其顺序适与上述相反，先是骨盆后倾，然后伸直脊柱。腹肌和腰肌可使脊柱的屈曲开始启动，然后躯干上部的重量使屈曲进一步增加，随着屈曲力矩的增加，竖脊肌的活动逐渐增强，以控制这种屈曲活动，而骶部肌肉可有效地控制骨盆前倾。脊柱完全屈曲时，竖脊肌不再发挥作用，被伸长而绷紧的脊柱后部韧带使向前的弯矩获得被动性平衡。

在后伸的开始和结束时，背肌显示有较强活动，而在中间阶段，背肌的活动很弱，而腹肌的活动随着后伸运动逐渐增加，以控制和调节后伸动作。但做极度或强制性后伸动作时，需要伸肌的活动。

脊柱侧屈时竖脊肌及腹肌都产生动力，并由对侧肌肉加以调节。在腰椎完成轴向旋转活动时两侧的背肌和腹肌均产生活动，同侧和对侧肌肉产生协同作用。

脊柱生物力学研究多以脊柱功能单位进行观察和分析，脊柱功能单位包括邻近两个椎体及其间的椎间盘、韧带，是维持稳定性的基本单位。脊柱的整体运动由各功能单位的运动复合而成，脊柱运动时伴随椎管的形态及容积发生改变。脊柱前屈时，椎管伸长，容积增加；脊柱后伸时，椎管缩短，容积减小。

人体脊柱是一个三维结构，因而也需要相应的三维坐标系统来作为生物力学测试的标尺。笛卡尔坐标系由Panjabi在1981年提出沿用至今：坐标系的X轴指向左侧，Y轴向上，Z轴朝前。脊椎椎体在3个坐标轴中均具有旋转运动（转动）和平行移动（平动），故共有六个自由度（图2-10-3）。脊柱的运动范围（range of motion，ROM）常划分为中性区（neutral zone，NZ）和弹性区（elastic zone，EZ）。中性区表示零载荷与中立位之间的运动范围，弹性区表示从零载荷至最大载荷的脊柱运动范围。

脊柱（主要是颈腰椎）的运动还存在共轭现象。共轭现象是指同时发生在同一轴上的平移和旋转运动，或指在一个轴上的旋转或平移运动，同时伴有另一轴的旋转或平移运动的现象。寰椎在纵轴的轴性旋转总伴随有纵轴方向上的平移；下颈椎侧屈时棘突必然凸向对侧；上胸椎的共轭现象与下颈椎近似，中、下胸椎与上胸椎的共轭现象则相反；腰椎的共轭运动是侧屈与屈伸活动间的共轭。通常将与外部载荷方向相同的脊柱运动称为主运动，把其他方向的运动称为共轭运动或耦合运动。如当脊柱承受轴向旋转力矩时，脊柱的轴向旋转运动称为主运动，而伴随的前屈／后伸运动和侧屈运动称为共轭／耦合旋转运动（图2-10-4）。

由于解剖结构的差异，颈椎段、胸椎段、腰椎段及骶尾段的运动特性是不同的。运动的幅度随着脊柱节段不同而各异，主要取决于椎间关节面的朝向。

亦称为枕-寰-枢复合体，包括枕寰关节和寰枢关节。枕寰关节和寰枢关节的屈伸运动和侧弯运动幅度基本相同，且侧屈运动少于屈伸运动。由于枕骨髁与寰椎上关节突密切对合，故限制了枕寰关节的轴向旋转运动。寰枢关节主要产生轴向旋转运动。寰枢关节的轴向主动旋转活动度为27°~49°（平均39°），被动旋转活动度为29°~46°（平均41°），占整个颈椎旋转活动度的50%。通常在颈椎旋转过程中，最初的45°发生在寰枢关节，然后是下位颈椎参与旋转（表2-10-1）。

由颈3~颈7椎体组成。作为一个整体来看，下颈椎的轴向旋转活动度约为90°，每侧各45°。侧屈较大，各侧约49°，共约98°。屈伸活动度约64°，屈曲约40°，后伸约24°。在每一个平面上，活动度平均分配于整个活动节段。

颈椎良好的柔韧性可以允许颈部有很大的活动范围，可抬头看天花板，低头时下颌抵及胸壁。颈椎整体活动范围：屈伸约145°，轴向旋转约为180°，侧弯约为90°。有学者采用电子角度测量仪对颈椎联合运动进行测量，结果为：轴向旋转活动度为144°±20°，屈伸活动度为122°±18°，侧屈活动度为88°±16°。随着年龄的增长，退变的逐步加重，颈椎活动度逐渐减少。

由于胸椎参与胸廓的构成，其运动幅度比颈椎和腰椎要明显减小。由于椎间关节面的解剖特性，上、下位胸椎的运动状态分别与颈椎和腰椎的相似。具体而言，上位胸椎（胸1~5）的平均屈伸运动范围为4°，中位胸椎（胸6~10）为6°，下位胸椎（胸10~12）为12°。上、中位胸椎的侧弯运动范围相似，均为6°，下位胸椎则提高到8°~9°。胸椎小关节面由上至下逐渐转为矢状面，因而上位胸椎的轴向旋转运动大于下位胸椎。上位胸椎的轴向旋转约为8°~9°，而下位胸椎只有2°。

胸椎的耦合运动方式与颈椎相似，其特征是侧方弯曲和轴向旋转运动的相互耦合，如侧屈活动是胸椎棘突同时转向凸侧。上位胸椎的耦合运动较为明显，中位胸椎次之，下位胸椎则不明显。

脊柱由正常直立位置开始前屈的最初50°~60°，主要发生在脊柱的下腰段，脊柱的进一步前屈则需要依赖于骨盆的前倾。腰椎的屈伸活动较大，而轴向旋转较小。腰椎的屈伸运动范围自上而下是逐渐增加的，其中腰5~骶1节段最大。而腰5~骶1侧弯运动和轴向旋转运动是最小的，其他腰椎节段的侧弯及轴向旋转运动则较为相近。腰椎的耦合运动以侧弯活动和轴向旋转相互耦合较为明显。值得注意的是，侧弯伴轴向旋转运动时，棘突转向同侧，这与颈椎及上位胸椎的棘突移向是相反的。