第四节 脊柱运动学
脊柱作为人体的中轴，必须满足两个似乎相互矛盾的机械性质，即一定的刚度和一定的柔软度。这一机械特性的获得，并不依赖于某一特殊的材料而在于其整体的结构方式，即刚体支撑与柔性连接。从整体上观察，脊柱非常像轮船的桅杆，下端固着于骨盆，向上延伸到头部，而中间的肩部则起着主杆的作用，附着于每个节段上的韧带和肌肉起着缆索的功能，把脊柱牢牢地锚接在其基础，即骨盆上。这样，骨性结构的刚性和多单元结构由肌肉和韧带依次连接所提供的柔性得到了高度的统一，赋予脊柱既能承受静力和动力载荷又能进行频繁大幅度运动的能力，以利人们从事生产劳动和进行体育锻炼。脊柱从整体上可以看作一个具有三维自由度的功能性关节，影响脊柱运动的骨性结构是肋骨框架和骨盆，肋骨框架可限制脊柱的运动，而骨盆倾斜则进一步增加躯干运动幅度。
一、屈伸运动
脊柱整体前屈的范围为145°，后伸幅度为140°。各区域的幅度分布为：腰椎极度前屈60°，极度后伸35°；胸椎极度前屈45°，极度后伸25°；颈椎极度前屈45°，极度后伸75°（图3-13）。
图3-13 脊柱屈伸运动范围
二、侧屈运动
脊柱整体侧屈范围为75°，各段的幅度分布如下：腰椎极度侧屈20°；胸椎极度侧屈20°；颈椎极度侧屈35°（图3-14）。
图3-14 脊柱侧屈运动范围
三、旋转运动
脊柱整体旋转运动范围为115°~120°，各段幅度分布如下：腰椎5°；胸椎35°；颈椎75°~80°。此外，寰枕关节间还可产生几度的旋转运动，若骨盆固定，整个脊柱的绕轴旋转运动可使头颅获得旋转120°的运动幅度（图3-15）。
图3-15 脊柱旋转运动范围
活动节段的旋转可使棘突凸向对侧，并使旋转侧的横突向后凸起，而对侧的横突向颈前方凸起。以上棘突和横突的变化既可作为临床体检的依据，也可作为手法整复时着力位置的选择。
四、侧屈—旋转连动机制
当脊柱侧屈时，总是伴随着椎骨的旋转运动，这一现象可在X线前后位检查时观察。这一侧屈—旋转的连动机制可以用椎间盘压力变化和韧带紧张性牵拉加以解释。图3-16即这一连动机制的机械模型，该模型分别以楔形软木块和软橡胶代表椎骨和椎间盘，并在代表椎骨的软木块的后正中线画上标志线。当该模型向一侧侧弯时，可观察到许多软木块的标志线偏离正中线，也即向对侧旋转。
侧屈运动使该侧椎间盘内压急剧上升，具有很高压应力的盘内物质趋向对侧低压区运动，造成了旋转；另一方面，对侧纤维环和韧带受到牵拉，高度的张力也驱使韧带向中线移动，以减缓张力增高，也产生了旋转运动（图3-16）。
图3-16 脊柱侧屈—旋转连动机制
事实上，脊柱的旋转运动并非向机械模型那样简单，椎骨的旋转还受到后关节面排列方向的制约。颈段脊柱侧屈时，棘突向对侧旋转；腰段脊柱侧屈时，棘突向同侧旋转；而上胸段脊柱的侧屈—旋转连动方式接近颈椎的特点，下胸段脊柱的侧屈—旋转连动方式类似腰椎的特点。
五、脊柱运动学的现代研究
由于脊柱运动节段并非是简单的球窝关节，而是由多个可运动单元组成的复合组件，脊柱的真实运动方式与上述笛卡尔三维空间绕轴旋转运动相差甚大。因而，脊柱传统运动平面用于临床检测脊柱运动功能时尚不致造成重大的误差，但要用于理解脊柱异常姿势、脊柱手法操作对脊柱疾病的作用和影响时，往往会出现明显的错误理解。脊柱运动学的现代研究认为，简单的绕轴旋转形式是不存在的，脊柱运动是多轴向旋转和平移的复杂耦合运动。
1978年，White和Panjabi通过对以往文献回顾，全面地总结了当时关于脊柱运动学的研究进展，发现在以往的脊柱生物力学研究中没有考虑到各种作用力的影响，只是关注脊柱的旋转运动，而忽视了对脊柱平移运动的研究。
有资料表明脊柱旋转的范围变异较大并对脊柱的耦合运动方式进行了讨论，强调颈椎运动时伴有明显的耦合运动。瞬时旋转轴的应用被认为具有潜在的理论和临床意义，对肌肉的刺激研究以及力学因素对活体生理运动的影响也不清楚。在这一领域内的生物力学研究方向主要有两个方面：①确定脊柱正常运动的各种参数以及脊柱各种耦合运动的方式；②确定脊柱，特别是有关脊柱不稳和需要手术或其他治疗手段参与时的异常运动的构成。
1.头、胸和骨盆运动的自由度
如果把脊柱看作是一条链状刚体，那么就可以用工程力学的原理来分析研究脊柱。移动这一链状刚体并测量出刚体从某一点移至另一点间的距离，则可以得出这些刚体移动的绝对转角和绝对平移距离；如果测量出这些链状刚体间各联结处的平移距离或旋转角，则可以计算出诸刚体间的相对旋转角和相对平移距离。因而，在研究头、胸和骨盆各自球形体运动并伴有脊柱的耦合运动时，应当考虑到脊柱各耦合节段的相对旋转和平移变化，而头、胸廓和骨盆的球形体运动则为绝对的旋转和平移。故传统运动平面的运动则属于“绝对旋转”运动。
根据1974年提出的人体姿势笛卡尔坐标系，头颅运动的原点选择在颈椎前凸和胸椎后凸的交界处，即T2；腰椎运动的原点选择在腰椎前凸和骶椎后凸的交界，即S2；而骨盆运动的原点则选择在两足距骨连线间的中点。
相对于所选定的原点，头和胸廓有6个自由度。在静态直立体位上，由于有下肢骨（主要是胫骨和股骨）的作用，骨盆不能沿着Y轴平移以及绕着Z轴旋转（侧弯）。因此，骨盆静态时只有4个自由度。但当行走或跑动等动力性体位时，骨盆有6个自由度。如果将平移或旋转的方向确定了正负，那么头和胸在6个自由度上有12种简单的运动，骨盆则在4个自由度上有8种简单的运动，运用上标和下标可以描述上述所有的运动。与构成头颅的各坚硬骨骼所不同的是，肋骨在胸椎上的附着处以及骨盆的骶髂关节都是滑膜关节，这就使得胸廓和骨盆内部存在着更为复杂的运动。尽管双足支持着的下肢限制着骨盆的侧弯运动，但许多脊柱推拿医师都认为下肢的长短不一，可造成骨盆的倾斜。此时在前后位X线片上，可以观察到明显的骨盆侧弯。由于这种异常可以导致头、胸和骨盆的位移，因此，由于下肢长短不一，有可能造成骨盆的偏歪和倾斜，所以在体位变换时应当考虑到这种因素的影响。实际上骨盆在4个自由度上有8个方向（有正负之分）的简单运动。如果，由于左腿或右腿短缩所造成的骨盆向左或向右倾斜，那么加上原先的8种运动，骨盆应有10种可能的运动方式。
2.体位姿势的变换
根据平移方向和右手螺旋法则，规定了旋转和平移方向的正负性质。当从任何一条轴线的正末端观察时，逆时针方向旋转为正，顺时针方向旋转为负。用数学上的θ来表示各轴上的旋转角，应用力学上的S代表距离。这样就可以用一个简单的方法来描述所有的姿势（或运动）以及运动的方式。用X，Y，Z来表示物体运动的轴线以及用h，t，p来表示头、胸和骨盆球状体平移或旋转。例如，-
可用来表示骨盆的向右平移运动。在前后位和侧位上分别观察人体的直立姿势，则头、胸、骨盆总共可有26种简化的体位姿势。
3.瞬时旋转中心的概念
Seligman等在1984年将瞬时旋转中心（instantanal center of rotation，ICR）的概念运用于脊柱。这种方法以前用于人体关节的运动学分析中。然而，一个脊柱运动节段的旋转轴并非固定不变，而是不断发生变化的旋转轴运动轨迹，称之为“瞬时轴迹”。研究发现即便在椎间盘变性的最早期也会出现瞬时轴迹大小和位置的显著性改变。根据Panjabi观点：当在腰椎做屈伸运动时，腰椎的轴转动最小，因此在研究中因其不足以影响实验结果，因而不予考虑。
从20世纪40年代起人们就开始了以正常脊柱的绝对运动、脊柱的运动方式变化及脊柱节段性不稳为主题的研究、探讨和争论。运动病理学和脊柱推拿专业非常重视这些研究课题，这是因为许多脊柱推拿师都认为复合性脊柱关节半脱位（vertebral subluxation complex，vsc）是属于脊柱的动力学内容，而有些人却认为复合性脊椎关节半脱位不属于脊柱的动力学内容。如果能够确定脊椎的运动和耦合的方式，那么将脊柱的动力性损伤作为检测脊椎关节半脱位的客观评价标准似乎是有道理的，这也是脊柱推拿专业所关注的焦点和治疗重点。
4.脊柱运动的多维耦合性
近年来，人们逐渐认识到脊柱的运动不是一种单一的运动，脊柱上的任何运动都会同时伴有其他的耦合运动。1967年有人用定量的方法对脊柱的旋转运动进行了研究，注意到人体在行走过程中，以第6至第8胸椎为中心，上下段脊柱做相反方向的旋转运动。并发现脊柱在侧弯时伴有轴转动，从而证明了脊柱的旋转运动是侧弯运动的组成部分。Pennal等推测了脊柱各种平面运动的耦合运动。在对有异常运动的24例患者进行运动点（Point of motion）参数检测时，发现65%的病变节段存在异常运动。因此，他们认为运用这种点运动参数法可以预测脊柱的异常运动。
1977年，Panjabi指出了脊柱运动的复杂性和测量的困难性。他认为脊柱的每一种主要运动方式都伴有5种耦合运动，离体脊柱实验存在严重的缺陷与不足，因为没有考虑到活体状态下脊柱所承受的较大预载荷。以后对脊柱三维耦合运动开始了深入研究，一项体外实验发现年龄并不影响脊柱运动节段的力学性能，女性运动节段活动度高于男性，椎间盘突出的节段并不影响脊柱的运动。与正常椎间盘或部分退变的椎间盘相比，变性椎间盘承受了较大压力且屈伸活动下降；椎间盘突出严重程度与临床症状之间无显著相关性。
1984年有人对腰椎正常运动进行了三维X线分析。由于脊柱运动具有耦合运动性质，即每个主要运动方式同时都伴有其他五种运动方式，因此有必要将三维运动分析法用于准确描述脊柱的运动。此前从未有文献对正常腰椎的三维运动进行过研究。研究所发现的脊柱耦合运动提示在腰椎屈曲过程中，伴随的腰椎侧弯和轴转动不超过4°。后伸时超过3°的耦合运动就应属于运动异常。双平面X线检查技术（立体放射成像）可用于脊柱运动的精确测量，通过这种方法对离体及活体上脊柱运动进行了观察，发现腰椎有耦合运动，活体上运动节段在所有方向上的运动都具有滞后性。瞬时旋转中心可受到多种因素的影响而发生变化。
Dirnent首先采用计算机技术对正常人和患者脊柱运动参数进行统计学分析，标志着计算机软件在脊柱运动学复杂的测量与数据分析中应用的开始。从临床发展来看，我们应该认识到，研究应以确定腰椎手术的适应证为目的。而在以往的研究工作中，对脊柱旋转运动正常参数的研究很少。正如前面所提到的，平移运动的研究几乎被完全忽略了。
而后，这种三维分析方法被用于腰痛的研究。研究发现腰痛患者的腰椎活动受限主要表现在下腰椎，耦合运动的增加表明有不对称的肌肉收缩活动。有腰痛和神经紧张征象的患者表现有脊柱的主要运动和耦合运动减少。研究表明双平面脊柱X线平片可以显示不同类型患者的运动方式，但无法为临床鉴别诊断提供有用的信息。
六、有关脊柱运动的当前认识
关于脊柱运动的研究还存在许多尚未解决的问题，但根据脊柱运动病理学中的腰椎活动度增大与活动度减小可以得出以下结论。
1.腰椎各水平节段正常活动范围（包括旋转和平移等）变异较大。
2.由于脊柱运动幅度变异，二维屈伸位X线片对脊柱不稳分析的临床应用价值尚不能予以肯定。
3.尽管有研究表明腰椎侧弯可以提示椎间盘突出的节段，但这都依赖医生的实践经验和判断，对侧弯运动的实验研究仍很少，侧弯分析的可靠性仍未得到充分证实。
4.任何功能分析都应考虑到腰椎的主要运动所伴随的三维耦合运动方式，应用立体X线片就可以准确地分析这些耦合运动。
5.体位对耦合运动有重要的影响，肌肉也可能有重要的影响，但影响程度尚不清楚。
6.在所有的腰椎分析中，必须考虑初始体位及腰椎的前凸状态。
7.腰椎屈伸位X线片检查仅在确定腰椎不稳作为外科手术指征的检查方法。对此，White和Panjabi制定了相关的诊断标准并确定了相应的检查表。
8.瞬间旋转轴或瞬间旋转轴的瞬时轴迹没有显示出临床价值。的确，由于脊柱运动是三维的，因而没有瞬时旋转轴。所以取而代之的是脊柱运动的垂直轴（螺旋轴）。
考虑到椎间运动的复杂性，年龄、体位、椎间盘变性、运动方式（主动运动）等都影响着脊柱的运动特征。临床上采用的腰椎动力性摄片的价值值得怀疑。经过50多年的研究我们已经建立了一些较为成熟的检查方法，如计算机数据分析、立体X线摄片技术和三维成像技术等。这些结果表明腰椎不稳仍需进一步探索。要建立一种临床上实用、可靠和重复性好的腰椎运动检测方法仍是一项任重道远的工作。