脊柱是脊椎动物的特征，人体脊柱具有承负重力，支持躯体运动和保护脊髓神经结构的功能。脊柱由脊椎骨通过间盘、关节及韧带相连接构成。人体脊柱由33块脊椎骨连接构成人体的中轴，分为颈段、胸段、腰段、骶段和尾段5部分。除颈1、2脊椎和骶尾椎外，颈、胸、腰椎均具有相似的标准脊椎结构（各节段脊柱的功能解剖特点详见相应章节）。
图5-1 脊柱功能单位运动简图
1．脊柱功能单位（functional spine unit，FSU） 由两个相邻的脊椎、相应的间盘及附属的前纵、后纵、棘间、棘上、横突间及黄韧带，构成了脊柱功能单位。脊柱功能单位是完成脊柱功能的最基本的单元。FSU承受各个方向上的内外应力，包括压力、张力、扭力和剪力。应力作用于脊柱功能单位产生各种类型的应变和6个不同自由度方向上的运动（图5-1），脊柱的轴向旋转运动多伴有脊柱的侧屈运动，这种耦合运动在腰椎更为明显。通过对脊柱功能单位的研究可以基本了解脊柱的功能特征。根据Holdwords和Whitesides二柱理论可将脊柱功能单位分为承受压力为主的前柱（椎体、间盘及前后纵韧带）及承受张力为主的后柱（椎弓及相应韧带）。根据Dennis三柱理论脊柱可分为前、中、后三柱，前柱由椎体和间盘的前1／2及前纵韧带构成，中柱由椎体和间盘的后1／2及后纵韧带构成，后柱由椎弓、关节突和相应的黄韧带及棘间韧带等构成（图5-2）。
图5-2 Dennis三柱理论的脊柱的前、中、后三柱
SSL．棘上韧带；ALL：前纵韧带；PLL．后纵韧带
（1）运动单位的前部：由脊柱的前、中柱组成（二柱理论的前柱）。椎体主要承受压缩载荷，椎体内的骨小梁的分布使其能够承受压力负载。椎间盘将两个相邻椎体相互连接并在椎体间维持一个可适当变化的弹性间隙，从而保证运动单位的活动性及缓冲因外力而产生的震荡（图5-3）。椎间盘由上下终板、外部的纤维环及内部的髓核构成。终板约1mm厚，由透明软骨组成，位于富含血管的松质骨与无血管的髓核之间。上下终板为边缘厚中间薄的透明软骨板，通过渗透作用为髓核和椎体间提供水分和营养交换。纤维环是多层致密的互相平行的胶原纤维构成，与椎体约呈45°将两个相邻椎体连接。Marchand研究结果显示随着年龄与部位的不同，纤维环由15～25层纤维构成，在椎体的后外侧为纤维环的薄弱区。纤维环前部的外层主要为粗大的Ⅰ型胶原，由外层至内层Ⅱ型胶原逐渐增多。
图5-3 椎间盘连接两个相邻椎体，缓解外力产生的震荡
A．预载状态；B．负载状态
图5-4 脊柱运动过程中髓核中心的位置发生位移
髓核是一种由富亲水性的葡萄糖氨酸聚糖的半凝胶组成，含70%～90%的水分，15%～20%的胶原和5%的蛋白多糖。髓核与纤维环的化学成分有相似之处，但其胶原部分主要为Ⅱ型胶原。纤维环和终板将髓核密封于其中并防止髓核突出，由于髓核的亲水性使其具有一定的张力，与纤维环和终板一起构成一个预载结构（pre-loading），相当于充气轮胎中的内胎和外胎，以缓冲震荡。髓核位于椎间盘的中央，但颈椎和腰椎间盘的髓核略微偏后，在脊柱运动过程中髓核中心的位置可发生位移（图5-4）。髓核的含水量随着年龄的增加而减少。出生时髓核含水量为90%，而纤维环的含水量为80%，在30岁时髓核含水量为75%，而纤维环的含水量为70%。髓核及纤维环的含水量随着年龄的增加而减少是导致间盘退变，间盘负载能力下降及退行性不稳定的主要基础。Ahlgren等研究发现间盘损伤后2～4周，间盘抗压能力及生物力学稳定性明显丧失。伤后4～6周，随着组织愈合，间盘的生物力学特性及抗压能力将得到明显改善。该研究结果提示在伤后早期康复治疗中应采用降低间盘内部压力的体位及运动方式以有利于间盘损伤的愈合并防止髓核进一步突出和加重疼痛。在亚急性期应采用增加稳定性的训练。
（2）运动单位的后部：即脊柱的后柱，主要由椎弓、关节突、横突、棘突及相连的韧带构成。后部通过小关节突的方向影响运动单元的活动方向，而相关的韧带则限制运动单元过度活动。以前认为小关节突主要是承载张力控制运动节段的活动，只具有有限的承载功能，但最近的研究表明它们的承载功能较为复杂。小关节突和椎间盘之间的载荷分配随脊柱位置而异，一般能承受0～30%的载荷。横突和棘突作为脊柱固有肌肉的附着点，为脊柱提供外在的稳定性。椎间孔由相邻的椎弓根及关节突关节环绕构成，神经根复合体（包括神经根、后根神经节）位于椎间孔的上部约占椎间孔横截面积的35%。椎间孔的截面积及神经根管的容量足够大，一般不至造成神经压迫。Marchand研究观察到当椎间孔内神经因巨大间盘突出等因素受压时其伴随静脉受压导致静脉淤滞和局部缺血，因此任何有利于静脉回流的措施都可能减轻压迫具有治疗效果，这也是应用卧床休息与牵引等康复措施治疗椎间盘突出的理论基础。Inufusa发现椎间孔横截面积在屈曲位增加12．7mm2（即增加11．8%），在过伸位时减少18．7mm2（即减少15．3%）。同时在神经根预载加压试验中，屈曲位神经根预载压力从23．1%减少到11．5%，过伸位压力从16．7%增加到37．5%，显示康复训练中不同体位可影响对神经根的压迫程度。Punjabi研究也发现椎间孔的大小在屈曲位增大而在过伸位减小。因此，间盘突出及椎管狭窄的患者，都应在适当的体位进行训练。
（3）三关节复合体：脊柱的运动功能及稳定性的维持主要通过三关节复合体完成。三关节复合体（three-joint complex）由前方的椎间关节复合结构及后方的关节突复合结构构成，当前方的椎间关节复合结构因年龄、劳损等因素发生退变或损伤时，后方的关节突复合结构可发生相应的改变。椎间盘退变是由髓核脱水所引起，外力作用特别是在负重下反复的旋转扭力加速了间盘退化。间盘退变过程依据稳定性大致分为3个阶段：椎间相对稳定期（早期间盘内紊乱，椎间盘突出等），椎间不稳定期（节段性不稳，退变性滑脱等）和椎间重新稳定期（椎管狭窄等）。各阶段之间无明确界限，临床上最初症状可直接表现为脊柱不稳定（图5-5）。
图5-5 椎间盘损伤或退化过程
（引自Kirkaldy-Wills WH，Wedge IH，Yong-Hing K，et al．Spine 1978，3：320）
脊柱的运动或可屈性主要受到连接三关节复合体的骨韧带系统的限制，从而保持运动中的稳定性。脊柱的韧带中3组是和脊柱的稳定性有关（图5-6）。
图5-6 脊柱的韧带
第1组：前纵韧带和后纵韧带。前纵韧带与椎体骨面连接紧密而与椎间盘的环状纤维连接较松，在脊柱伸展时，前纵韧带限制脊柱过度前凸。后纵韧带从枕骨到骶骨与椎体后方上下边缘紧密相连，其在腰部椎体后方较窄而在间盘区略宽，形成锯齿状结构。
第2组：黄韧带、棘上韧带和棘间韧带。黄韧带在脊柱前屈时紧张。棘上韧带不是真正意义上的韧带，它是由中线上各个肌肉的肌腱纤维构成，最低至第5腰椎棘突。棘上韧带限制椎间关节的前屈并防止棘突分离。棘间韧带连接相邻的棘突防止其分离，该韧带在腰部最厚，限制屈曲运动。McGill研究表明棘间韧带类似侧副韧带，在屈曲运动中限制椎体旋转，而在小关节滑动中维持其接触。
第3组：髂腰韧带是腰段脊柱中最强的韧带，起自L5横突止于髂棘。保持L5稳定防止其旋转和滑脱。
2．脊柱运动肌群 脊柱功能单位为脊柱的运动提供了支架，而脊柱运动则由负责躯干部运动的肌肉来完成。脊柱的肌肉发动和控制脊柱的运动，增强脊柱的稳定性及承受作用于躯干的外力。肌肉的运动方式有两种：一种是收缩时肌肉短缩做“功”，称为等张收缩，可使脊柱屈伸或协助提起重物；另一种收缩时肌肉长度不变，只产生张力不做“功”，称为等长收缩，作用是对抗重力以维持姿势或协助持物。与脊柱运动相关的肌肉可分为两大组。
（1）深部肌群（脊柱固有肌）：主要由起于脊柱或髂棘止于脊柱及肋骨等部位的肌肉组成，可分为长肌和短肌。短肌群多位于椎骨表面，起于脊椎跨越一两个运动单位后止于脊椎，如横突间肌、回旋肌、多裂肌等，对维持脊柱节段性稳定性有重要作用。长肌群位于短肌的浅层，多起于髂棘和脊柱跨越多节段止于脊柱及肋骨等部位的肌肉组成，如竖脊肌、髂肋肌，脊柱的屈伸运动主要由长肌来完成。
（2）浅部肌群：主要由起于脊柱及肋骨止于上下肢带的肌肉及腹壁的肌肉组成，如背阔肌、斜方肌、腰大肌、腰方肌、腹内外斜肌等。该组肌肉参与脊柱及肢体运动。在膈肌收缩的情况下，腹肌、椎旁肌的收缩可以使腹压增高，在脊柱的前方形成对抗重力矩的支撑力矩，从而可减少腰椎的负荷达30%，增加脊柱的稳定性。
3．脊柱生理曲度 脊柱从前后看成一直线，从侧面看有四个弯曲为脊柱的生理曲度。生理曲度是由于生理的需要在发育中形成的（图5-7）。在胚胎晚期和新生儿，整个脊柱只有一个后凸曲度。婴儿开始坐位时，头逐渐抬起，颈椎就形成一个前凸曲度。婴儿开始行走时，髋关节伸直，髂腰肌将腰段脊柱向前牵拉，形成腰椎前凸曲度。根据发育过程观察，可见颈段、腰段脊柱前凸是在人体直立活动中继发的，这种继发曲度使躯干在站立时更容易保持前后及左右平衡，并通过调整重力线和脊柱之间的距离减少平衡重力距相关肌肉的负担。成年人脊柱的生理弧度是由各节段椎体间角度的累加形成（图5-8）。
由于生理曲度的存在，正常情况下重力线位于L4椎体中心的前方，重力造成使胸腰段脊柱前屈的力矩。背部的肌肉主要为多裂肌及回旋肌则持续收缩以抗此力矩。
图5-7 脊柱生理弯曲形成过程
图5-8 矢状面脊柱各节段的正常角度
（引自Bernhardt，Bridwell．Spine，1989，14：717-721）
4．脊柱基本功能
（1）脊柱的运动功能：脊柱的运动是由神经和肌肉的协调动作所产生。主动肌（主要动力）发动并开始运动，而拮抗肌则对运动进行控制和修正。脊柱的运动范围随脊柱部位的不同而不同，它取决于每一部位椎间关节小关节突的朝向。构成脊柱运动单位的两个脊椎间的运动范围很小，颈、胸、腰各节段的脊柱运动范围不同（详见脊柱损伤的康复章节），脊柱运动往往是几个节段的联合运动。脊柱某一节段运动受限时，相邻节段的运动就会增加。脊柱内固定术后固定节段相临节段的三关节复合体可因代偿运动增加可加速退变，因此应当尽量减少内固定所固定的脊柱节段。同时佩带支具以限制胸椎和腰椎的运动，其结果是把运动转移到腰骶部位。支具和背心还能影响肌肉活动，一个较紧的支具或背心会影响相应肌肉的活动。因此，对佩带支具或背心的患者，在条件允许时应在适当体位下进行背肌、腹肌或颈肌的等长收缩训练。
（2）脊柱的承重功能：脊柱功能单位的完整是脊柱完成承重功能的基本条件。椎体主要承受压缩载荷，正常情况下腰椎椎体承受80%的重力负载，后部结构（小关节突等）承受约20%的负荷。但当间盘退化、椎间隙狭窄时前部负载减少，后部负载明显增加则会造成关节突的增生。
由于直立情况下人体重力线位于脊柱前方，因此脊柱固有肌等肌肉的收缩力矩是维持人体直立姿势的必要条件。同时，身体不同姿势情况下各节段脊柱的负载因姿势不同而改变（详见脊柱损伤的康复章节）。人体在提举或携带物品时是脊柱承受外界载荷最常见的情况。在这些活动中影响脊柱载荷的因素有与脊柱运动中心有关的物体位置及脊柱屈曲和旋转的程度。贴近身体持物可以减少作用在腰椎上的弯曲力矩，因为此时物体重心与脊柱运动中心之间的距离减到最小。在身体前屈位拿起重物时，因力臂增加不仅物体重量所产生力矩增加，而且上部身体的重量也将增加在椎间盘上产生弯曲力矩，其相应的背肌平衡力矩增加，结果就是在脊柱上载荷成倍增加（图5-9）。因此在脊柱康复训练中，应注意身体姿势对脊柱负载的影响。
（3）脊柱的保护功能：脊柱形成的骨性椎管保
图5-9 提起重物时身体上部（重约450N）的位置影响腰椎上的载荷
A．总向前弯曲力矩＝69N·m；B．总向前弯曲力矩＝192．5N·m，弯腰时因前屈力臂加长，使总的前屈力矩为192．5N·m，而腰肌的平衡力臂仅为0．05m，腰肌的平衡力达3 850N，则腰椎间盘上的压力可达4 382N（约440kg）
护着脊髓、脊神经根和马尾神经。脊柱功能单位的完整是完成脊柱保护功能的基本条件。当脊柱功能结构受到损伤时，可造成脊柱不稳定，严重的脊柱不稳定可造成脊髓或神经根的压迫或损伤即脊柱的神经性不稳定。然而在脊柱功能单位基本完整情况下，脊神经也可因受外力牵拉使其在脊髓发出部位、穿出硬膜囊部位及椎间孔等部位撕脱或断裂，造成脊髓及神经损伤。根据实验研究，腰段脊神经在圆锥、根袖及椎间孔等部位因牵拉受损所需的外力大小不同（图5-10），因此手术中椎管内的牵拉必须小心。同时在脊柱功能单位基本完整情况下，随着年龄的增长椎间盘会因退化性改变而致椎间盘高度的减少，造成前、后纵韧带等相关韧带的松弛，使椎间发生不稳定而导致脊髓、神经受到压迫。增强椎旁肌肉肌力的训练可有助于改善脊柱不稳定，加强脊柱的保护功能。
图5-10 腰段脊神经在不同部位受损所需的不同外力
腰段脊神经在圆锥处撕脱需0．5kg的外力，在神经根袖处撕脱需6kg的外力，在椎间孔处断裂需3kg的外力
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