第三節 腰椎的運動學
脊柱的活動非常複雜，它是在主動肌與拮抗肌的協同作用下產生的，盡管就一個活動節段而言活動幅度並不很大，但其總和卻使脊柱獲得了較大的活動範圍。脊柱的運動有6個自由度，即沿以下3個方向的平移與旋轉。
①冠狀軸（X軸）：屈曲、伸展和左、右側向平移。②縱軸（Y軸）：軸向壓縮，軸向牽拉和順、逆時針旋轉。③矢狀軸（Z軸）：左、右側屈及前、後平移。
這種基於三維坐標係的描述不僅非常便於在實驗中對試件進行測量，而且容易轉換為多相CT掃描所顯示的三維解剖學改變。
一、腰椎的生理活動及其範圍
對於腰椎的生理活動範圍研究資料尚少，且不夠詳盡、係統，又由於測量方法的準確程度以及個體之間差異等因素的影響，多個報告的正常值亦相差很大。根據White和Panjabi（1978）的研究，脊柱的屈伸活動範圍在上胸段為4°，中胸段為6°，下胸段為12°，而腰椎屈伸活動範圍由上而下呈進行性增大，至腰骶段可達20°。側屈活動範圍以下胸段最大，達8°～9°，而腰骶段僅有3°，上胸段和其他腰段則均為6°。軸向旋轉範圍以上胸段最大，為9°，向下逐漸減小，至下腰段由於脊柱活動的複雜性，臨床上難以測定單個活動節段的活動範圍，一般認為僅為2°，但在腰骶段又增至5°。
所列White等研究的估計值，是綜合了他人的研究成果而得出的。
可看出，腰椎活動節段的屈伸活動範圍由上至下逐漸增大，而側彎範圍除腰骶關節外大致相等，軸向旋轉範圍又以腰骶關節為最大，但總的來看明顯小於屈伸和側彎，這主要是由關節突的關節麵方向所決定的。頸椎關節突關節的關節麵方向與橫截麵成45°角，而與冠狀麵平行；在胸椎則與橫截麵成60°角，與冠狀麵成20°角；腰椎關節突關節與頸、胸椎有所不同，其關節麵並非平麵，且與橫截麵成90°角,與冠狀麵成45°角。如此的排列方式使腰椎幾乎不能軸向旋轉，而隻能屈伸和側彎。
脊柱前屈最初的50°～60°主要出現在下腰椎，而骨盆的前傾則允許脊柱的進一步前屈。由於關節突關節的關節麵向前傾斜，棘突幾乎完全垂直，再加上肋骨的限製等原因，使整個胸段脊柱幾乎不能前屈。脊柱的前屈始於腹肌和腰肌部分的作用，然後軀幹上部的重量使前屈進一步加大，但隨力矩加大骶棘肌的活動也逐步增強使前屈受到控製。當脊柱前屈時髖後部肌肉可有效地控製骨盆的前傾，但在達到充分屈曲後骶棘肌即變得不起作用。處於這一位置時原本鬆弛的脊柱後部韌帶因受拉伸而繃緊，從而使向前的力矩獲得被動性平衡。當軀幹由完全前屈轉為直立位時則恰好順序相反：骨盆出現後傾，然後脊柱後伸。有些研究發現在軀幹伸展時，肌肉所作的向心收縮功要大於屈曲時肌肉所作的離心收縮功，其機製目前尚不清楚。
背肌的生理活動發生於腰椎開始後伸時，隨後即逐漸減弱而由腹肌來控製和調節，當脊柱後伸時至最大限度又產生收縮。
雖然胸椎關節突關節的關節麵允許其完成側屈活動，但側屈活動不同程度地受到肋骨架的限製，腰椎側屈活動時其活動幅度受到關節突關節楔形間隙的影響。當脊柱側屈時，骶棘肌中的棘突間肌和橫突間肌以及腹肌都參與作用並由對側肌肉加以調節。
前已述及，腰椎的軸向旋轉活動幅度很小，主要發生在腰骶關節。在軸向旋轉過程中，脊柱兩側的背肌和腹肌均可產生活動，同側和對側肌肉發生協同作用。
軀幹的功能活動不僅是脊柱不同節段的聯合活動，而且有賴於骨盆的協同作用。
二、腰椎活動的耦合性
所謂耦合（coupling）係指沿一個方向完成平移或旋轉活動的同時伴隨有沿另一個方向的平移或旋轉。
脊柱的活動不僅僅是單方向的，而是多方向的耦合。屈伸活動（X軸旋轉）與側彎活動（Z軸旋轉）的耦合在脊柱的頸、胸、腰段均存在。此外在腰椎還發現有另外兩種類型的耦合即Y軸旋轉與平移的耦合，以及Y軸旋轉與Z軸旋轉的耦合，這一耦合在病理情況下也常可見到，如脊柱側凸病人不僅表現為明顯的脊柱側凸畸形（Z軸旋轉），同時大多伴有軸向旋轉畸形（Y軸旋轉）。
三、表麵關節活動
對相鄰兩節段脊椎表麵之間的活動一般采用瞬時旋轉中心（instant center of rotation）來表示，一般認為，屈伸活動（X軸旋轉）時瞬時旋轉中心位於椎間盤內。第二軍醫大學的研究也證實瞬時旋轉中心位於椎間盤的後1/3，但也有人報告屈伸活動時瞬時旋轉中心大多位於椎間盤之外。側彎活動（Z軸旋轉）時瞬時旋轉中心一般位於椎間盤的右側，即向左側彎時則位於椎間盤的左側。軸向旋轉（Y軸旋轉）時瞬時旋轉中心一般位於椎間盤的後部。
在病理情況下，瞬時旋轉中心的軌跡常發生異常改變，這提示瞬時旋轉中心的測量可能有助於腰椎疾患的臨床診斷。例如當椎間盤退行性變後，其軌跡範圍增大，這就使關節突關節及有關韌帶所受剪切力增加。Penning（1980）在屈伸側位X線照片上發現腰椎滑脫病人的瞬時旋轉中心出現明顯改變，還有人采用雲紋法及電子計算機計數技術來測定，使準確程度大大提高，並指出瞬時旋轉中心的改變是退變性腰椎不穩的早期特征之一，同時還發現當腰椎後部結構被破壞後瞬時旋轉中心向前方移動。
四、腰椎的穩定性與腰椎不穩
脊柱的活動節段是能夠反映脊柱生物力學性質的最小單位，同時也是維持脊柱穩定的基本單位。對於穩定性的定義有許多不同的解釋。一般認為，脊柱的穩定性即脊柱結構維持其自身生理平衡位置的能力，而穩定性的喪生則是導致椎節移位超出其生理限度的病理過程。Pope提出，穩定性反映了載荷與其作用下所發生的位移之間的關係。在同等大小的載荷下，位移越小，穩定性就越強，因此脊柱不穩或穩定性喪失意味著在正常載荷下即出現了異常變形、活動或應變。但這一定義尚有缺陷，首先，脊柱的正常活動範圍因年齡、職業、訓練水平不同而有所差別；其次，脊柱各組成部分的力學性質亦因人而異；再者，脊柱的穩定性尚受到肌肉、胸腹腔壓力和胸廓支持等因素的影響。尤應指出的是，腰椎不穩並非腰椎過度活動的同義詞，不能離開腰椎與脊髓、神經根及血管的密切聯係來孤立地討論腰椎的穩定性問題。腰椎不穩時常有腰痛、腿痛等一係列臨床症狀出現，但有時相鄰椎節間雖有異常位移或過度活動，卻無任何不適感覺。於是Kirkaldy-Willis、Farfan和White等人主張用“臨床不穩”一詞來取代“機械不穩”的概念；在生理載荷下脊柱能夠保持椎體之間的正常位置關係，使脊髓或神經根不受刺激或損傷，也不致因結構改變而出現功能障礙性疼痛或畸形，當脊柱喪失了這一功能時就叫做“臨床不穩”。“臨床不穩”的提法與以往所采用定義的內涵有所不同：“機械不穩”時不一定都會出現異常相對位移，並同時有臨床症狀出現。到目前為止，“臨床不穩”這一提法已為許多人接受。