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1、颈椎生物力学运动学研究脊柱在无载荷状态下的运动状况；而生物力学则是研究脊柱与载荷之间相互作用的机械反应。生物力学因素在脊柱疾患的发病机制巾具有十分重要的意义，颈椎上接颅底，下与相对的胸椎相连，椎间盘相对较厚，推板不相重叠，是脊柱活动范围最大的部分，其结构上的特殊性决定了生物力学功能上的特殊性。颈椎的基本生物力学功能是：载荷的传递；三维空间的生理活动；保护颈脊髓。颈椎椎体、关节突关节、椎间盘及其韧带是内在的稳定因素，颈周围的各组肌肉是外在的稳定因素，但也都是完成颈椎生物力学的因素。近年来，随着对颈椎疾病和损伤发生机制研究的不断深入，医学影像诊断技术、颈椎内固定材料及技术的不断进步，各种外科治疗手
2、段发展迅速。在临床实际工作中准确判断颈椎的稳定性、选择合适的治疗手段及内固定材料，已经成为临床医师诊治颈椎伤病成功与否的关键因素之一。这就要求脊柱外科医师郡必须了充分理解和掌握颈椎的生物力学原理，包括正常生理条件下和载荷状态下的运动学、载荷状态下的生物力学，病变、损伤以及减压、融合和内固定手术对颈椎生物力学稳定性的影响。第一节 基本概念掌握与颈椎损伤有关的生物力学基本概念，有助于聊解颈椎损伤的机制，对患者做出准确评估和治疗，有效地预防这类损伤的发生；提醒临床医生发现可疑的损伤；有利于从影像学检查结果，更好地进行鉴别诊断。与颈椎损伤有关的生物力学概念有：1载荷的大小 载荷的大小是造成颈椎即刻稳定
3、性丧失和疲劳性失败的重要因素。即刻稳定性丧失是由一次载荷周期造成的；疲劳性失败是由多次载荷周期引起结构破裂不断积聚而产生。在合理的日i间内引起的疲劳损伤的最低载荷就称为疲劳极限。疲劳曲线可记录疲劳过程，载荷积累可导致疲劳性失败。超过疲劳极限的载荷越多，引起失败的载荷周期越小。 2载荷率 载荷率的改变是影响损伤类型和其严重程度的主要因素，黏弹性又决定了载荷率的大小。所谓黏弹性是指物体对载荷率或变形敏感的时间依赖性，主要表现为蠕变和松弛。蠕变系指在一段时间内在载荷持续作用下所导致的持续变形，也就是变形的程度因时间而变化。松弛则为材料受载荷后变形到达一定程度时应力或载荷随时间而减低。骨、韧带、肌腱和
4、骨骼肌具有黏弹性。黏弹性行为的应力一应变曲线依赖于载荷率。载荷率越大，应力应变曲线越陡。反映载荷率增加的应力应变lIll线在骨、韧带k肌腱和骨骼肌是各不相同的。在颈椎，剁l向的压缩载荷率增加单节段椎体骨折的可能性，而作用于颈椎分散载荷导致多节段椎骨与韧带损伤。交通事故中对头前方吸能材料的撞击增加了脊柱受载荷的时间，有效地减低了载荷率，使瞬间撞击力减小，但并不减小转移到颈部的总能量。在一些情况下，头、颈部的偏转可使载荷分散至肩部或胸部。但吸能材料有控制颅骨受撞击的特性，防止颅骨偏离载荷力线。如头或脊柱功能单位的姿势被固定，虽然使其结构破坏的能量增高，但与非区定标本相比，其损伤程度也增加。3，位移
5、 在载荷不变情况下，移位越多，引起的颈椎损伤越重。限制躯干运动对预防损伤有重要意义，在汽车座位上头垫和安今带的使用明显减少了严重颈椎损伤的发生率。运动平面与其轴线垂线的交点就是物体的瞬间旋转轴线，不同的瞬间旋转轴线引起不同的损伤类型。McLain等研究发现，以l椎体前方为旋转轴，后方软组织破坏早于纤维环的破坏，而不造成骨折。相反，C10lYel1等用椎体中部中央为旋转轴，在属曲运动时标本的稳定性破坏，椎间盘损害，但没有椎体楔形骨折。4载荷的方向 载荷方向在损伤机制中起重要作用，在单平面分析或多平面分析中发现，大部分颈椎损伤是由同一平面上的暴力引起，但在同一平面上的载荷与运动不能充分解释颈椎损伤
6、发生的多样性。脊柱运动方式分为两种：旋转运动（角度运动）和平移运动（线性运动）。两种运动都可用三维坐标系来表示，具有6个自由度（图3一1）。在临床上，通常以沿x轴的旋转运动代表脊柱的伸屈运动；沿y轴的旋转运动代表轴性旋转；沿z轴旋转代表侧屈运动，而在临床上看到11CJ平移运动通常是椎间关节的前后脱位、侧方剪切移位和垂直脱位及压缩变形。5载荷点 研究发现，作用于颅项后方的垂直暴力引起过伸性骨折，作用于颅顶前方可引起屈曲性损伤。载荷点在前后方向上较小范围内（lcm）的变化可产生的骨折有很大的差别。当载荷作用于标ffi（；C）（fig1t，.bH姑标济的损伤程度最低；当作用于标本几何中心前方lcm时
7、，造成后方结构严重损伤和属山性不稳；如当载荷作用于标本几何中心后方lcm日刂，造成前方结构的严重损伤和伸展性不稳由于头、颈部的偏转，非轴向载荷中的部分可分散作用于肩部，而不是头、颈部。6功能单位 脊柱由相似的基本运动单位构成，此单位可独立进行研究，有时称为脊柱功能单位（functional spinal unlt，FSU）。FSU由相邻两节椎骨和连接此椎骨的椎间盘和韧带构成。两节椎骨由后方的关节突关节和前方的椎间盘关节连接，并包括相应的前、后纵韧带和推弓间韧带，此关节和韧带高度特异化以适应脊柱基本生物力学功能。FSU是能够显示与整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位，但和在人体内的状态有一定
8、的差别。脊柱的生物力学研究和所获得的参数，大多数是以FSU为基础。7头与脊柱姿势 在对人和牛脊柱标本研究中发现，头和颈椎的姿势与载荷条件可造成颈椎在遭受撞击后产生前属、扭转和后伸活动。轴向中心施加载荷后突然变形就会发生扭转，当颈椎弧度变直或与轴向载荷存在线性关系J，l易于发生扭转。这与颈椎在弯曲状态时明显不同，弯曲时在载荷作用下可明显造成前凸或后凸，而不发生扭转。根据载荷作用点与作用方向的不同，脊柱发生不同的反应，如扭转或弯曲。头部前屈，消除颈椎的正常前凸时，在轴向载荷作用下可产生的轴向变形最小，理论上减小了周围肌肉、韧带分散载荷的作用。当颈椎弧度变直时，大量的载荷能量被脊柱吸收，苜到其发生扭
9、转，其吸收的能量迅速地向周围软组织分散。在屈曲或伸展位时，发生骨折的载荷较中立位时小得多。许多研究表明，弧度变直的颈椎可承载和抵挡的轴向载荷最高。临床上，多数损伤发生在跳水者进入水池底部时，头呈前屈位，在与池底撞击时发生颈椎压缩或爆裂骨折，椎小关节脱位。相反，如跳水者头部呈后伸位时，导致面部损伤，也有同时合并严重颈椎损伤的报告，但发生率较低。8脊柱运动的耦合（共轭）现象 尽管脊柱的运动方式种类较多，但它们之间存在着某些特殊的关联，称为耦合现象。耦合现象是指同时发生在同一轴上flCJ平移和旋转活动，或指在一个轴上的旋转或平移必然同时伴有另一轴的旋转或平移运动的现象，例如脊柱的侧属必然伴有脊柱的旋
10、转（H 32）。IE常时脊柱在各方向上的运动均有其固定的耦合运动。一般来说，耦合的继发运动范围要小于原发运动，但有时也可大于原发运动。病理情况下，耦合运动的方式和运动量将会发生一系列改变。9损伤部位脊柱的解剖和结构特性 当载荷作用时，颈椎frfC剖和结构的特性可明显影响骨折的类型。随年龄增加，骨的矿物质含量呈线性下降，男、女之间的下降率是不一样的，但在相同的年龄，女性的矿物质含量比男性少。少量骨组织的丢失很大程度上影响了骨的强度，使骨强度下降，如骨组织减少25，椎体强度可减少50。保持骨矿物质含量可预防骨质疏松性骨折的发生，尽管在颈椎中不常发生。在衰老与软组织特性变化之间的关系己有大量的研究。
11、由于衰老，软组织退变，使其强度变弱，低能量的创伤就可引起损伤。在脊柱上，黄韧带在细胞水平的改变是细胞减少，弹性纤维碎片增多。生物力学方面，老年人的黄韧带弹性模量降低，张力也降低，容易折屈和缩短，突人椎管发生脊髓压迫。黄韧带变性产生的脊髓压迫现象已经引起临床医学的高度重视。在退变条件下，椎间盘变性，弹性降低，逐渐丧失吸收能量和分布应力的能力，抗载荷、扭曲能力的降低，容易发生纤维环破裂和髓核脱出。10生物力学柔性实验 关于颈椎生物力学的大多数信息都可以从柔性实验中获得。柔性实验利用尸体标本巾两个或两个以上的推体节段，去除肌肉组织，而不损伤韧带及骨骼结构。将扭转负荷、线性负荷或者混合负荷加载于被测试
12、的脊柱节段，测量脊柱运动的各项数值。在一次柔性测试中，可以同时获得几项生物力学指标。分析载荷形变反应曲线可以获得各种生物力学参数，例如刚度（stiffness）、柔度（fiexibility）、运动范围（lange of m。tion，ROM），旋转（10tation），平移（tlanslation）、中性区（netltlal z。ne），弹性区（ela：tic zone）、旋转轴（axes of10tation）。所有这些参数在脊柱的不同节段都各不相同，其中某些参数可以比较敏感地反映山脊柱的稳定程度。到目前为止，这利柔性实验研究还只能在尸体标本上进行，但从这种离体的柔性试验中测得的各项参数可
13、以反映各种关节和韧带结构对脊柱运动的影响。11 颈椎的载荷一形变反应 从柔性实验中获得的载荷形变曲线表现了颈椎运动的独特方式。分析载荷形变曲线可以获得脊柱的刚度、柔度、运动范围（ROM）、中性区（NZ）、弹性区（EZ）等各种重要参数。柔度是一定载荷下脊柱形变的总量，用于表示脊柱的柔韧性，可以用载荷形变曲线中斜率的倒数表示。刚度正好与柔度相反，它表示脊柱抵抗形变的能力。运动范围（ROM）的定义是最大载荷作用时脊柱位置与中立位之间运动节段的位移末小，即为中性区（NZ）和弹性区（EZ）之和。所谓中立位（即休息位）指的是脊柱在关节所承受的应力最小，肌肉维持空间体位时所用力量最小的一种状态。在图表中，中
14、立位应位于两侧中性区的中点。中性区（NZ是ROM中的一点，此时脊柱韧带最为松弛，以较小的力量即可产生较大的椎体活动，反映在载荷一形变曲线上，是载荷为零的一段。J单性区（EZ）是载荷。形变曲线巾最陡的一段，位于ROM的边缘，此处韧带变得紧张，硬度增加，对任何进一步的运动都将作出抵抗。弹性系数可在弹性区内测得。在生理状态下，将B0M分为NZ和EZ两个部分似乎没什么价值，但是，这些指数在脊柱损伤和不稳时将变得较为敏感。病理条件下，EZ和NZ容易鉴别，因此，这些术语对于判断脊柱的稳定性有着重要意义。第二节 颈椎运动学不g临床不稳症一、颈椎运动学l 根据功能和解剖特点。颈椎可分为L颈椎（枕一寰枢复合体）
15、与下颈椎（颈27两部分。（一）枕寰枢复合体该复合体是人类中轴骨骼系统中最复杂的关节，为颅骨与典型1I间关节之间的转移部分，其生物力学上也有独特的特点。1活动幅度 枕寰和寰枢关节均有屈伸运动，其中枕寰的平均屈伸范围约为lj.q，寰枢约为10。两者结合使枕一寰一枢复合体的总屈伸范围为23 4。多数人认为轴性旋转只发生在寰枢关节，枕骨关节而在矢状而上拱起而与寰椎的环状关节面相嵌合，从而阻止了旋转动作。临床L利用枕寰关节没有轴性旋转这一特点，通过拍摄标准的颅骨侧位片即可获得真正的寰椎侧位像，并以此来判定枕寰之间或寰枢之间有无关系异常。但Wolth（1980年）却认为枕寰之间具有平均3.22的轴性旋转。
16、与枕寰关节相反，寰枢问的轴性旋转范围相当大，这同样可用关节面的几何形状来解释。其旋转活动的代表值为旬，相当于颈椎全部轴性旋转度的4050，其余的5060由下颈段提jt。寰枢间的巨大旋转度给临床带来不少问题。当头部扭转时，对侧寰椎相对于枢椎前移，而可能导致其间的椎动脉拉伸、狭窄。扭转30日司刈狈刂椎动脉首先受累，至45n寸同侧椎动脉也开始扭曲，当双侧血流均受影响时，将诱发后颅凹血流减少的征象，这利清况可见子体操、颈部牵引和推拿时。对枕一寰一枢复合体的侧屈活动幅度争论较大，一般认为枕寰为7.8，而寰枢关节无侧屈活动。研究发现颈部作侧属动作时，寰枢之间将发生旋转，旋转到一定程度后又出现两者之间的侧向平移。因而认为在枕一寰一枢复合体中，寰椎还具有半月板样作用。枕寰枢复合体之间的平移活动很小。枕寰间￥移为Ul lll】ll超过ltt
