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人类特有的腰椎前凸及脊柱连续弯曲、髋和膝关节伸直、足弓及肌肉动力系统改变，形成特有的脊柱骨盆形态和位置关系[1]。从稳定的四足支撑进化到支持面更小的人类两足机制，必须维持平衡才能节省能量符合功率学[2]。人体重心和重心线(GL)是地面和躯干、骨盆、下肢链相互作用的结果，正常人在测力平台上安静站立时，GL投影在包括两足底在内的两足间的支持面上，GL投射到脊柱全长侧位X线片上，一般经股骨头中心稍偏后、骶骨稍前[3,4]。脊柱骨盆矢状面平衡对脊柱疾患有重要影响，为了便于测量，目前一般测量站立位脊柱全长X线片来评估矢状面平衡[5]。
矢状面力线受身体姿势的影响，需采取统一的摄片方法：身体站直放松，上臂前屈30°，膝、髋关节完全伸直，拍摄自颅底至近侧股骨的后前位、左右侧位片[6]。低剂量X线立体成像系统可包括脊柱、骨盆和下肢，并减少辐射和视差变形[5]。
股骨头中心或髋轴(HA)与骶骨上终板中心的连线(HA–S1)反应了骨盆厚度和方向，其与S1上终板垂直线的夹角为骨盆入射角(PI)，PI与姿势无关，仅受骶髂关节微动的影响，骨生长结束后恒定不变[2]。骶骨倾角(SS)为S1上终板与水平参照线的夹角，骨盆倾角(PT)为HA–S1与经HA垂直参照线的夹角，均受姿势影响，PI、SS、PT有恒定的几何关系：PI＝SS＋PT[6]。骨盆围绕HA向后旋转时PT增大、SS变小、骶骨体垂直，但直立时SS不会为负值；相反，骨盆向前旋转时PT减小。PI小的骨盆前后径小，为垂直骨盆，后旋能力差，类似猿的骨盆；PI大的骨盆前后径大，SS大，为水平骨盆，后旋能力大[7]。
脊柱和骨盆相互影响以维持矢状面平衡。在发育过程中PI逐渐增大，儿童行走前SS随着PI增大，同时出现腰椎前凸(LL)，从而能两足站立[3]。脊柱在矢状面逐渐形成颈、胸、腰、骶四个连续相反的生理弯曲，LL受SS影响，胸椎后凸(TK)则取决于LL和C7位置[8]。
脊柱骨盆矢状面参数变化范围较大，有人种差异，而性别差异较小。欧美正常成人PI一般平均52(35～85)°；SS平均40(20～65)°；PT平均12(1～25)°；TK一般25～65°，LL 40～84° [2,3,4,5,6,7,8,9]；国人PI值较欧美人小[10]。LL受SS影响，PI与LL相关，可用PI来预测与其相适应的LL[11]。Mac–Thiong等[3]分析646例正常儿童和青少年回归曲线得出LL＝0.591 9PI＋29.461，而根据多元回归得出的正常成人LL≈PI＋9(±9)更为简单实用[11]。LL不是均匀的弧度，尾侧曲率大，约2/3的弧度分布在下腰椎(L4–S1)，下腰椎前凸与SS相当；而上腰椎前凸与下胸椎后凸相当、但方向相反，一般20°左右；因此可大致推测LL≈SS＋20°。
目前常用经C7椎体中心的铅垂线(C7PL)衡量整体平衡，即矢状面垂直轴(SVA)，正常人C7PL与S1椎体后上角的水平距离一般不超过2.5 cm[4]。C7和S1上终板中心连线与骶骨上终板的夹角为脊柱骶骨角(SSA)，与水平参照线的夹角为脊柱倾斜角(ST)，SSA＝ST＋SS[1,2]。颏眉角为髋膝伸直、颈部中立位站立时颏眉连线与垂直参照线夹角，正常接近0°，用于评估水平视野。儿童和成人的脊柱骨盆参数不同，并与年龄、运动范围有关[3]。
不同姿势下脊柱矢状面形态不同。站立时骨盆前倾，骶骨水平，S1上终板倾斜，SS大约35～45°，髋臼水平、前倾减小，PI不变；但也有少数人站立时骨盆后倾，或前倾很大，SS>50°。由站立到坐位时骨盆后旋，骶骨垂直，SS减小到20～25°，根据坐姿可减小到5～10°甚至负值，同时髋臼垂直、前倾增大，而PI不变。仰卧位下肢伸直时骨盆倾斜和SS较站立时增大，如CT扫描时常看到SS>45°，同时LL增大[12]。
腰骶部僵硬性后凸、长节段固定融合到S1或骨盆会限制骨盆旋转，站立和坐位时脊柱骨盆矢状面形态类似、失去调节功能。骨盆固定后倾使髋臼在矢状面和冠状面更垂直，站立和坐位时前倾减少，站立时髋关节过伸可产生后侧撞击，坐位时可引起前侧撞击[13]。
行走等运动时脊柱骨盆关系更为复杂，骨盆有前倾、后倾和交替旋转运动，目前可采用三维运动捕捉系统评测复杂脊柱运动[14]。脊柱与骨盆和下肢的运动相关联，研究显示下胸椎、腰椎和骨盆表现为一致的运动模式，行走加快时运动范围随之增加；躯干伸屈过程中腰椎与髋关节协调运动，腰椎与骨盆旋转的比率称腰椎骨盆节律，协调运动可减少L5S1的应力[14,15]。
人体站立平衡时重心和GL需维持在双足很窄的支持面范围内，随着年龄增大和退变，椎间盘高度降低使LL减小、C7PL前移，关节突炎症、腰背部肌肉萎缩、椎体骨质疏松塌陷TK增大、脊柱病变和畸形等会进一步加重矢状面前倾，引起一系列代偿机制，以维持GL落在两足间的支持面上达到再平衡[13]。
脊柱的代偿机制常是邻近节段过伸，如压缩和爆裂骨折时相邻节段过伸。下腰椎退变时前凸减少，近侧节段常过伸代偿，使后侧结构应力增加，引起后滑移、关节突关节炎、棘突间高压、甚至峡部裂。腰椎后滑移代偿一般在2～3 mm，可导致椎间孔和椎管狭窄、小关节松弛。椎旁肌收缩也可增大LL，但消耗能量、会引起小关节过度应力和腰痛。代偿能力与柔韧性和节段数有关，退变和僵硬的脊柱代偿能力受限，常首先发生骨盆代偿[16]。
骨盆的代偿机制常是围绕HA后倾旋转，PT增大，使躯干和C7PL后移，GL维持在两足之间，可保持代偿的平衡[16]。由于站立时SS不能为负值、PI＝SS＋PT，PI大者骨盆后旋能力大，而且髋臼前倾小、髋关节后伸储备大，所以代偿能力大。髋周屈肌挛缩或骨关节炎等可限制髋关节过伸和骨盆后旋代偿。
矢状面失衡继续加重会引起下肢代偿，髋关节过伸到最大后，膝关节屈曲是保持站立和平视的最后代偿机制。膝关节屈曲使股骨干倾斜，需要股四头肌等较多的做功，是耗能的非经济状态。随着失衡加重，疼痛不适加重，膝关节屈曲行走困难，扶拐成为保持平衡的唯一方法，这是严重失衡时的常见代偿机制[8]。
矢状面失衡可分为3个节段：平衡、代偿的平衡、失衡(C7PL和HA到S1椎体后上角水平距离的比值>0.5)。测量整体平衡需分析是否存在代偿机制，包括脊柱弧度和后滑移、骨盆旋转、膝关节屈曲。脊柱和骶骨、骨盆固定融合限制其代偿能力，增大失衡的风险。矢状面失衡时GL前移，脊柱后侧肌肉作用力增大以防止躯干前倾，导致下腰椎应力和关节突等应力增大[13]。
脊柱老化和退变引起的矢状力线变化一般都能协调代偿。SVA增大与腰痛和健康相关生命质量(HRQOL)有相关性[11]。下腰痛和腰椎间盘退变患者常有SS和LL减少、PT增大，提示骨盆围绕HA向后旋转代偿[17]。Endo等[18]报道腰椎间盘突出症患者SVA增大、LL减小和骨盆后旋，术后半年恢复到接近正常；LL减少和屈曲姿势不仅继发于椎间盘结构改变，也与减少神经刺激的保护姿势有关，这在椎管狭窄症更明显[19]。多项研究表明腰椎退变性滑脱患者PI较对照组大，超重和SS大也是L4前滑脱的危险因素，而关节突关节呈矢状位不能限制前滑脱[20,21,22]。腰椎滑脱使重心前移引起骨盆代偿后旋、滑脱近侧节段性前凸增大，导致LL和SS减小、PT增大，严重者引起C7PL前移失平衡[21]。
骶骨和骨盆形态影响腰骶部应力和滑脱的发病机制，研究表明PI与滑脱程度正相关。脊柱畸形研究组(SDSG)根据滑脱程度、PI、矢状面平衡将腰骶部滑脱分为6型[21,22]。轻度滑脱(1～2度)矢状平衡相对正常，1型PI和SS小，后伸时L4和S1钳夹撞击L5峡部，相对少见；2型PI正常；3型PI和SS大，腰骶部剪切力和L5峡部张应力大，进展危险大。重度滑脱(3～4度)PI常超过60°，4型SS大、PT小，LL代偿增大甚至骨盆代偿后旋，使GL和C7PL后移维持平衡；5型和6型SS小、PT大，骨盆后旋、骶骨垂直，5型维持代偿的整体平衡，6型超过骨盆代偿极限整体失衡。针对复位的争议，研究显示4型不需强求复位、体位复位后融合即可维持平衡；5型和6型应复位并重建腰骶部力线，5型复位困难时，体位复位后固定融合也可维持整体平衡；6型则必须复位和重建力线失衡[9,21,22,23]。
脊柱侧弯常伴有矢状面畸形，有报道腰椎侧凸>15°即有矢状力线改变。脊柱退变性侧凸常有LL减小和椎体旋转，且代偿能力差，导致C7PL前移和站立行走时的前倾趋势，是疼痛和功能障碍的重要因素，其影响往往超过侧凸[24]。新的成人脊柱侧凸SRS分类中主弯类型已包含新发或特发的腰弯、原发矢状面畸形，并纳入局部后凸、腰椎退变、整体平衡修正[25]。青少年特发性侧凸的TK受侧凸和旋转的影响，有报道PI异常可能是危险因素但与侧凸类型无关[26]。
脊柱后凸畸形如先天性畸形、Sheuermann′s病、强直性脊柱炎、医源性平背，结核、肿瘤、创伤等导致的后凸畸形直接影响矢状面力线，代偿能力取决于年龄、畸形部位和程度等多种因素。先天畸形代偿充分，但随年龄增大可失代偿。骶骨骨折可导致PI增大和后凸畸形，复位时要考虑增大的PI。强直性脊柱炎后凸畸形PI增大，脊柱骨盆融合后丧失了代偿能力。骨质疏松和成骨不全引起的多椎体骨折使TK增大和LL减少，甚至矢状面失衡。脑瘫患者常有进行性矢状面和冠状面失衡。软骨发育不全儿童力线异常，PT可为正或负值，骶骨体水平[27]。
矢状面平衡对脊柱手术非常重要，失衡和代偿的平衡都会影响疗效。椎间盘突出或椎管狭窄症引起的节段性前凸减少或保护姿势尚未造成失衡，单纯减压术后矢状力线可恢复到接近正常，椎间盘置换术保留椎间活动也能维持平衡[28]。
脊柱融合术导致相应节段代偿能力丧失，必须重建合适的力线，否则可导致相邻节段退变、顽固性腰痛，而骨盆后旋代偿也可引起疼痛[29]。短节段融合时重建节段性前凸可降低邻近节段和骨盆的代偿、减少相邻节段退变[30]。有报道腰椎轻度滑脱的手术疗效与PT、SS、SVA改善相关，PI不变[31]。复位可减少非平衡腰骶部滑脱的骨盆后旋、重建矢状面平衡，但重度滑脱需考虑并发症、年龄等因素，有时保持代偿的平衡比冒险达到理想平衡更稳妥[23]。腰椎长节段融合必须重建合适的LL，否则会引起骨盆后旋、TK减少、PT增大等代偿，导致腰痛和失败综合征。LL与PI相关，Lefage等[32]根据正常人群得出理想LL＝(PI×0.548 1＋12.7)×1.087＋21.61，而LL＝PI＋9°更简单实用[11]。术中俯卧位姿势影响LL和SS，可采取伸髋、抬高胸骨位置改善。脊柱侧凸矫形时矢状面平衡同样重要[25]。
截骨矫形手术：严重的矢状面畸形和失衡常需截骨矫形，需根据病理变化、失衡机制和程度选择术式，如弧形柔软后凸行多节段Ponte截骨，角状或僵硬后凸行经椎弓根截骨(PSO)或脊柱切除术(VCR)，僵硬的严重失衡可联合应用多种截骨术[24,33,34]。截骨可使LL增加、SVA和PT降低，PI不变，恢复矢状面平衡；但术后也常有PT大、SS小，甚至下肢代偿等残留失衡。术前预测截骨后矢状力线改变，制定合理的方案很重要[35]。由于PI恒定，手术可重建LL和TK，Lafage等[32]用多元回归预测术后PT＝1.14＋0.71×PI–0.52×最大LL–0.91×最大TK，SVA＝–52.87＋5.90×PI–5.13×最大LL–4.45×PT –2.09×最大TK＋0.566×年龄，但仅适用于全部胸腰椎固定、无代偿者。术中应尽量重建与自身PI匹配的LL，术后站立时代偿机制变化并恢复平衡。
以前多种截骨术前设计如剪纸模拟等忽略了代偿机制变化，例如用颏眉角直接计算重建平视需要矫正的角度，未评估代偿机制的变化。实际上脊柱、骨盆、下肢链互相影响，例如PI大者骨盆后旋代偿大，由于矫形后骨盆代偿减少，因此同样C7PL位置，PI大者需要更大的截骨角度[36]。截骨设计不仅将C7旋转在骶骨上，还应包括代偿增大的PT、股骨倾斜、TK减少等。Debarge等[36]用SSA计算截骨角度，先使骨盆旋转PT达20°，再使C7PL在S1上。Le Huec等[37]提出全平衡整体计算法(FBI)设计除局部角状后凸外的矫形，测量以L4为顶点C7旋转到SVA＝0的C7平移角(C7TA)、股骨纵轴与GL间的股骨倾斜角(FOA)、PT超出理想值的骨盆代偿角(PTCA，PT<25°或>25°时分别约为5°或10°)，FBI矫正角＝C7TA ＋FOA ＋PTCA，该方法包括骨盆和下肢代偿，但粗略估计PT代偿、忽略TK代偿。另外，截骨水平也影响矢状面平衡，例如腰椎PSO决定了新的前凸顶点，PSO越宽、位置越低，PT降低越多，提示骨盆以上的质量分布变化影响骨盆的旋转[38]。
综上，脊柱骨盆矢状面平衡对脊柱和髋关节疾患的发病和手术治疗有重要影响，即使常见的脊柱融合手术也应注意维持矢状力线，而严重失衡的矫形术需制定合理的评估方法和手术方案，才能重建平衡稳定并得到理想的效果。
另外，脊柱骨盆矢状面运动及代偿机制对运动疗法也有借鉴意义。研究表明腘绳肌紧张与腰痛有相关性，可能与其影响髋关节和骨盆运动有关，改善腘绳肌紧张可减少腰椎负载和腰痛[14]。研究发现腰痛患者的腰椎骨盆节律与健康对照组不同，并有不同类型，而且竖棘肌屈曲舒张反应消失[15]。腰椎骨盆节律异常会使脊柱负载增加、应力分布异常，例如划船运动时腰椎与骨盆运动方向相反，容易引起运动损伤[14,15]。有研究将下腰痛划分为姿势综合征、功能不良综合征和椎间盘移位综合征，并认为脊柱大多时间处于屈曲位，姿势性紧张容易导致软组织损伤和腰痛，推荐体操以脊柱伸展运动为主；还有推荐体操包括对腹肌、腰背肌强化训练和对软组织牵张等运动，但腰椎过度伸展会导致椎管变窄，腰椎管狭窄患者应慎用。研究运动疗法中的脊柱骨盆运动及协调机制，有助于制定合理的治疗方案，起到更好的预防和治疗作用。
