重温几何学，从脊柱矢状面曲度临界点探寻脊柱病理

自Hippocrates以来，脊柱在矢状面的弯曲可以通过解剖学分界来描述，即颈椎前凸（CL）、胸椎后凸、腰椎前凸（LL）和骶骨后凸。近些年来，趋向于使用基于临界点概念的功能性分界来描述脊柱矢状面的弯曲，脊柱矢状面曲线方向的改变处即为临界点。

与解剖学概念仅考虑到角度变化不同，临界点概念还考虑到了脊柱弯曲在角度、长度和顶点位置上也有所不同的特点。我们建议称为脊柱后凸（SK）和脊柱前凸（SL）。

Berthonnaud等提出，对于每条曲线（前凸或者后凸），都设定一条从水平线到顶点的分界。在这种分界下引入了一个概念，即几何学近端角相互作用（腰椎前凸的下弧角等于骶骨倾斜角、腰椎前凸的上弧角等于胸椎后凸的下弧角）。

一、概述

人类的直立行走造就了独特的脊柱曲度^[1]。古希腊的希波克拉底（公元前460—370年）是第一个描述正常脊柱曲度及其解剖学分界和方向的人。

希波克拉底通过在战场上观察尸体，意识到脊柱是通过椎间盘、韧带和肌肉联结在一起的^[2]。因此，从希波克拉底到盖伦，经典的脊柱曲度分为骶椎后凸、腰椎前凸、胸椎后凸和颈椎前凸（图6-1）。

图 6-1 达芬奇设计的自然状态下的脊柱弯曲

尽管已建立了这一理想的解剖学分界理论，但是最近一些作者还是倾向于使用由矢状面椎间方向决定的功能性分界理论（图6-2）。脊柱矢状面分界理论对于理解脊柱疾病的病理，以及手术策略的制订和实施至关重要，有助于治疗时获得最佳的疗效。

图 6-2 来自Delmas的绘图

在左侧的“静态”前凸，骶骨较高（垂直），骶骨终板更水平；在右侧的“动态”前凸，骶骨较低，骶骨终板更倾斜

正如希波克拉底在他的名作《On Joints》中所述：“应先了解脊柱的结构，这也是治疗许多疾病的必要条件^[3]。”

二、经典脊柱分界：后凸和前凸

术语“lordosis”来自希腊语lordos（λόρδος），意思是“向前弯”，而“kyphosis”源自希腊语kyphos（κυφός），意思是“驼峰”。似乎“lordos”用于正常生理曲度，而“kyphos”用于病理曲度。

希波克拉底在他的两部著作《On Articulations》及《Mochlikon》中对脊柱曲度进行了经典的解剖学描述，即从颈椎到骶椎连续出现的前凸和后凸。他描述了三类脊椎，包括位于锁骨上方并从C2到“大脊椎”（C7或T1）的颈椎、胸椎和腰椎。腰椎的正常序列被称为“ithiscolios”，意味着脊柱在冠状面是笔直的，但在矢状面是弯曲的^[2]。

这种曲度的连续性对于智人的双足步态至关重要。事实上，背侧后凸是出生时唯一出现的矢状面弯曲（图6-3）^[4]。颈椎前凸的发展是由头部和水平视线的抬起引起的，促使重力负荷从颅骨到骨盆的传递。

图 6-3 新生儿具有C形脊柱

最早出现的前凸是爬行时的颈椎前凸（为了保持水平注视）。站立和行走的出现，实现了腰椎的前凸

此外，与其他哺乳动物相比，人类颈椎与颅底垂直，枕骨大孔的位置更向前（或更少向后），因而具有独特性^[5]。另一方面，随着站立和行走的出现，实现了腰椎的前凸（图6-4）。

图 6-4 大猩猩与人的脊柱形态

人类的脊柱具有长且可活动的特征，这使得人类在行走时，骨盆旋转的同时脊柱上段和颅骨可以保持稳定，以保持固定的水平视角。如上所述，矢状面脊柱曲线通过将变形定向到预定的方向来增加对垂直载荷的抵抗力，这可以通过肌肉收缩的快速干预来快速控制^[4]。

与骶骨位于前方的四足动物相比，直立的人类的骶骨向后，股骨头及骨盆向后（图6-5）。这种体位与腰椎前凸相结合，使骨盆上方的体重得以保持平衡，从而形成双足步态^[6]。

图 6-5 四足动物与人类骨盆方位对比

在四足动物中，骨盆向前倾斜，骶骨平台垂直，以提供水平力和加速度。在人类中，骨盆向后倾斜以支撑垂直体重

SRS-Schwab分类将腰椎前凸定义为S1的上终板和L1的上终板之间的角度^[7]。胸椎后凸角被定义为T12的下终板和T1的上终板之间的角度（图6-6）。由于T1在X线侧位片上常被肱骨头和肋骨遮挡，测量T1～T5脊柱后凸的可靠性较低，因此许多作者推荐测T4～T12角度^[8]。

胸椎和腰椎的分界是解剖学上的，将脊柱分为12个胸椎和5个腰椎。解剖学分界的主要问题是，固定的界限（T12或L1）而没有考虑到后凸和前凸各自的长度和大小。因此，将功能性分界应用于脊柱分界非常重要（图6-6）。

图 6-6 全脊柱侧位X线

片中前凸长度的影响在左侧，有一个短节段腰椎前凸，前凸主要集中在少数几节脊椎。注意前凸曲线的上端在L3。在右边，有一个较长节段的腰椎前凸

三、脊柱的功能性分界

腰椎前凸的确切定义目前尚未统一。盖伦（Galen，公元130—210年）描述了脊柱的解剖结构，并指出大自然形成了脊柱的结构，“存在即合理。”他坚持认为椎体的形状提供了脊柱运动的协调性^[2]。19世纪后期，Delmas于1953年首次探讨了骨盆和脊柱参数之间的关系（图6-2）。他描述了正常脊柱的一系列变化，从“静态”弯曲的背部到“动态”平坦的背部，分别有高和低的骶骨倾斜角。

基于Delmas和后来Stagnara^[9]等的研究，Dimnet和Berthonnaud^[10]在2005年描述了“临界点”这一概念。实际上，脊柱代表了一个动态的链条，在这个链条上，曲线在一个特定的点上改变方向，即临界点（图6-7）。在这个链条中，每个解剖节段的方向和形状都与相邻节段有关，并影响相邻节段以最小的能量消耗保持向上的姿势^[10]。一个节段的方向或形状的改变将引起另一节段的改变，其中“临界点”是该改变的支点。

在脊柱的功能性分界中，腰椎前凸和胸椎后凸的界限是基于脊柱的各个矢状面形状。换句话说，腰椎前凸的上端椎不应该固定在L1，而应与脊柱侧弯的冠状Cobb角类似，从骶骨上终板到上端椎（图6-6）^[11]。腰椎前凸跨越脊椎，从骶骨上终板到胸椎后凸开始的临界点。同样，胸椎后凸跨越脊椎，从腰椎前凸的临界点到颈椎前凸的临界点。

传统的基于胸腰椎交界处来划分胸椎后凸和腰椎前凸的方法过于简单。新方法的优点是通过在临界点处椎体之间空间关系的变化来分界。本方法能更准确地定义胸椎后凸和腰椎前凸的各矢状面曲度和椎体数目。

脊柱曲度的分析还包括其他概念。Berthonnaud^[10]等认为一段圆弧（如腰椎前凸）可被其顶点分成两段，过这一顶点作一条水平线（图6-7）。每个圆弧的半径和长度是独立的，由两个重要的点来决定：曲线的顶点和临界点（图6-7）。

因此，腰椎前凸的上弧位于腰椎前凸顶点和上临界点之间，腰椎前凸下弧位于其顶点和骶骨终板之间。同样，胸椎后凸被分为两段弧：上弧和下弧。胸椎后凸的上弧位于其顶点和颈椎前凸的临界点之间。胸椎后凸的下弧位于其顶点与临界点（腰椎前凸和胸椎后凸之间的临界点）之间。

图 6-7 腰椎前凸的下弧角（SL）与骶骨倾斜角（SS），以及腰椎前凸上弧角与胸椎后凸角之间的几何关系

后凸和前凸之间临界点的位置、前后凸顶点的位置及腰椎前凸下弧角的弯曲度是决定矢状面形态的重要因素

这几个不同的角还具有数学特性。腰椎前凸的下弧（所对应的角）在几何上等于骶骨倾斜角，因为它们是对应的（平行关系）。同样的道理，腰椎前凸的上弧（所对应的角）和胸椎后凸的下弧（所对应的角）也是相等的。这可以解释为，腰椎前凸增加后，胸椎后凸也随之增加，以维持“脊柱的协调性”。

更重要的是，在一项针对无症状人群的研究中，Roussouly发现腰椎前凸的上弧（所对应的角度）是恒定的，其值约为21.5°。由于腰椎前凸的下弧（所对应的角）与骶骨倾斜角相等，因此可以通过公式：腰椎前凸=骶骨倾斜角+腰椎前凸上弧（所对应的角），来预测腰椎前凸的大小。

用相应的值替换每个弧（所对应的角），得到公式LL=SS（下半段）+21°（上半段）。这一特征验证了骶骨倾斜角与腰椎前凸之间存在着很强的相关性（R=0.86），进而表明腰椎前凸直接依赖于骶骨倾斜角。

四、骨盆参数与脊柱参数的关系

Dubousset^[13]强调了一个重要概念，即骨盆参数在脊柱平衡中起着重要作用，并建议将骶骨命名为“盆椎”。不少学者已经针对骨盆和脊柱参数的相关性展开了研究。根据公式腰椎前凸=骨盆入射角±9°，Schwab^[14]等发现，腰椎前凸角度的恢复情况与手术效果及术后生活质量相关。

尽管这条“经验法则”对脊柱外科新手很有帮助，但它有几个局限性。首先，骨盆入射角是一个固定的参数，在成年阶段不会变化。另一方面，腰椎前凸在人的一生中是一个可变的位置参数。把这两个参数与数学公式联系起来似乎在逻辑上是没有根据的。其次，尽管此公式适合中等范围的骨盆入射角，但在其他情况如骨盆入射角在>70°或者<35°极端情况下，应用此公式进行矫正将导致低PI组的矫正过度、高PI组的矫正不足。因此，这种“错误矫正”将导致各种外科手术并发症和不良结果。

很少有研究比较脊柱的解剖学分界（总是L1～S1）和功能性分界这两种方式。2005年，Vialle^[15]等发表了一项有关脊柱和骨盆参数的重要研究。他们发现“腰椎前凸的解剖学分界”与骶骨倾斜角（R=0.76）相关，与骨盆入射角（R=0.6）和骨盆倾斜角（R=0.24）的相关性较小。

另一方面，“腰椎前凸的功能性分界”（也被称为“最大腰椎前凸角”）与骶骨倾斜角（R=0.86）的相关性更好，Roussouly等^[12]发现了相似的结果，并且在较小程度上与PI（R=0.6）和PT（R=0.26）相似。他们建议使用“最大腰椎前凸角”作为腰椎前凸的值，并建议所有矢状位参数的计算方法均应基于相关性（表6-1）。

表 6-1 计算脊柱与骨盆参数的公式

SS.骶骨倾斜角；PI.骨盆入射角；PT.骨盆倾斜角；MLL.最大腰椎前凸角；MTK.最大胸椎后凸角 引自Vialle等^[12]

以同样的方式，Berthonnaud等发现颈椎前凸角与腰椎前凸和骨盆参数（骨盆倾斜角，骶骨倾斜角和骨盆入射角）之间的相关性很高，而与胸椎后凸角的相关性却很低。作者论证了骨盆参数与腰椎前凸角（P=0.54）、腰椎前凸角与胸椎后凸角（P=0.46）、胸椎后凸角与颈椎前凸角（P=0.58）之间的相互作用关系。

在形状和方向参数之间观察到的这些更强的相关性发生在脊椎高度活动的区域（如腰椎和颈椎区域），而活动性较小的胸椎似乎不像活动性好的脊柱区域那样容易反应和补偿^[10]。

五、注释

术语腰椎前凸角可能令人困惑，且对于大多数作者来说，很难接受（功能性）腰椎前凸可能超过或短于（解剖学）腰椎区域。我们认为有必要提出这样一种新的分类方法：脊柱前凸，即脊柱伸展的节段（两个连续的下终板之间的夹角增大）；脊柱后凸，即脊柱屈曲的节段（两个连续的下终板之间的夹角减小）（图6-7）。

根据此命名法，正常脊柱应具有3个曲度，即上段脊柱前凸的颈椎区域[和（或）胸椎区域]、脊柱后凸的胸椎区域（可能延伸到颈椎和腰椎区域）及下段脊柱前凸的腰椎区域（可能延伸到胸腰椎）。在本章的其余部分，将使用脊柱前凸（上段脊柱前凸和下段脊柱前凸）和脊柱后凸这两个术语。

六、确定曲度分界的必要性

最近，许多作者推荐腰椎前凸矫正的手术策略，采用骨盆入射角和腰椎前凸角之间关系相关性或公式来制订手术策略。他们想找一种简单的方法，来研究腰椎前凸角和骨盆入射角之间的关系。另一方面，根据临界点和两段弧的理论，作者认为脊柱前凸应该在腰椎前凸上最大限度地进行战略规划。本建议的最佳示例如图6-8所示。

图 6-8

A. 左图为4型的正常序列。中图和右图为L4～L5和L5～S1椎间盘塌陷和远端前凸丢失后的同一脊柱。通过增加L3～L4、L2～L3和L1～L2的前凸获得矫正。脊柱前凸的整体角度与以前的情况相同。为了保持同样的脊柱整体平衡（C7PL），胸椎后凸必须通过颈椎前凸和胸椎后凸下弧之间的对应关系来增加

B. 正如图A的中图及右图所示，后凸近端矫正过度可导致新的交界性后凸节段产生，即近端交界性后凸PJK。当近端固定椎在T12或者T11时，近端交界性后凸则可能是T11或T10。若在相同情况下，融合固定在T3～T4的近端，则近端脊柱向后突出（C7PL位于骶骨后方）。这种情况可能通过后凸复位机制来诱发近端交界性后凸PJK

在初始情况下，会存在正常3型前凸，顶点在L3～L4椎间盘上，最大伸展（如前凸）出现在L4～S1。随着退变的发生发展，L4～S1的伸展程度在减少。如果通过增加前凸上弧来恢复腰椎前凸，则可以得到与理论值相同的腰椎前凸角。

尽管如此，通过腰椎前凸上弧和胸椎后凸下弧的几何关系，在T8～T11水平出现胸椎后凸下弧的同步增加，解释了内固定位于T10时T8～T10的近端交界性后凸的原因。如果该PJK的内固定扩展到T3，并且不考虑这种后凸补偿，则将胸椎后凸的下弧展平了，这可能会诱发颈胸段的PJK。因此，既要考虑腰椎前凸的角度，同时还要考虑椎间延伸的远端分布。

这个“理论”最近在一项大型成人脊柱畸形队列研究中得到了证实。作者发现，如果腰椎前凸的顶点与患者的骨盆入射角相匹配，交界性后凸的风险降低了4.6。

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来源：《脊柱矢状位平衡》