颈椎的生物力学

有人计算了颈椎5种不同姿势下各节段的载荷情况。枕骨和颈椎之间的载荷在极度后伸位时最小，极度前屈位时最大，但从中立位向前屈位运动时，载荷增加的幅度并不很大。颈－胸运动节段的载荷在中立位时较低，抬头收颌位最低，极度后伸位时稍有增大，轻度前屈时载荷即有明显增加，极度前屈时载荷最大，为中立位时的3倍多。然而，肌电图显示，颈后伸肌在上述5个姿势下的肌电活动很弱，揭示前屈力矩主要由韧带和关节囊被动抵抗，也说明在肌肉参与下颈椎可有效抵抗外部载荷。颈椎扭转时平均最大力矩为10Nm，前屈和侧弯时为11～14Nm，后伸时为30Nm。通过计算得到的颈4－5运动节段的最大（反应）压力在前屈、扭转、侧弯时为500～700N，后伸时高达1　100N。前后和侧向剪力分别为260N和110N，计算值与肌电活动吻合一致。牵引是治疗颈椎病的常用疗法，其方法因治疗目的而异。已有数项研究强调，当牵引的目的是在颈后部施加张力、扩大椎间孔、缓解神经压迫症状时，牵引应维持于颈前屈位，以加强牵引效果。牵引所产生的前屈力矩的大小，取决于施力的大小以及该力与枕寰关节和颈椎运动节段旋转中心之间的力臂长短。某些颈椎牵引装置的下颌带长度和牵引力的方向是可调的，延长下颌带并调节牵引带的方向，使牵引力线位于枕－颈关节旋转中心的后方，以保证颈部处于前屈位。

（一）椎间盘

由纤维环和髓核构成，连结于上下两椎体之间。颈椎间盘在颈椎长度中占20%～24%；其主要生物力学功能是对抗压缩力，同时对颈椎的活动度具有决定性的影响。颈椎间盘与后方的小关节面共同承受压缩载荷，前者承受的力量远远大于其上部体重的2～3倍。颈椎活动时还要加上动力性载荷，可使椎间盘载荷达静态位置时的2倍。椎间盘的抗压能力很大，在实验中载荷增加到破坏程度时，骨骼首先受到破坏。但对扭曲力的耐受力较差，这与椎间盘具有各向异性的特点，即其机械性能、结构和作用力的方向有密切关系。因此，扭转暴力是造成椎间盘损伤的主要原因，尤其伴有屈曲应力和垂直压力情况下，易引起髓核后突。此外，椎间盘中央偏后处所形成的颈椎关节活动轴是维持其正常活动的主要力学结构。在颈椎伸屈过程中，椎间盘的高度随之变化。中立位时颈椎间盘前高后低，是构成颈椎生理性前凸的主要因素，伸展位颈椎间盘前侧高度明显增加；屈曲时，因受后部结构（后纵韧带、棘间韧带和关节囊等）的限制，椎间盘后侧高度增加幅度小于伸展位。髓核为黏稠而具弹性的物质，具有蠕变和滞后现象。蠕变现象是指物体受载后，即使载荷不变，该受力体仍将随受载时间的延长而持续变形；而滞后现象为物体反复承载和去载时能量丧失的一种现象。椎间盘借此作用而吸收载荷能量，从而具有防止损伤的功能。当椎间盘因变性而降低了对水的亲和力时，将导致弹性降低，逐步丧失储存能量和分布应力的能力，抗载能力亦随之减弱。

（二）椎体

各节颈椎骨构成各自稳定、相互制约与不同活动的解剖结构，且强度随年龄增长而减弱。当骨质减少25%时，强度则减少50%。椎体骨松质和骨密质的受压缩载荷的比例也随年龄变化而变化，40岁以下骨皮质承载45%，而骨松质承载55%；40岁以后则骨皮质承载65%，骨松质承载仅为35%。而椎体上下之软骨终板在承载中最易因外力而受损。

（三）后部结构(https://www.daowen.com)

主要指后方小关节，是两侧关节运动轨迹中心的交叉点。后方小关节少许活动，前方的椎体间关节就出现大幅度活动，因而易引起或加剧退变。由于颈1－2小关节呈水平状态，故有利于旋转活动，但由于其不稳定，亦易引起脱位。其余椎节小关节之关节面与冠状面及横断面成45°，从而允许其做屈伸、侧弯和旋转活动。近年来对小关节承载能力有不少研究，证明小关节承受一定的压缩力，尤其是在后伸状态下。可见小关节的存在与完整对颈椎的载荷有着重要意义。

（四）韧带

此种由胶原纤维构成的韧带承担着颈椎绝大部分的张力载荷，并与椎间盘一起提供脊柱的内源性稳定，使其活动保持在正常生理限度之内。富有弹性纤维的黄韧带可使颈椎有较大范围的伸屈活动，较之胸腰段明显为大。黄韧带伸展位时缩短，屈颈位时伸长，并保持恒定的张力。黄韧带在长度变化时伴有厚度的改变：屈颈位时变薄，伸颈位时增厚并突向椎管。由于其与椎间盘的活动中心有一定距离，因此黄韧带的张力可使椎间盘内出现静止应力（即预应力），从而有利于颈椎的稳定，并为其提供了内源性支持。

（五）肌肉

颈椎前后方的肌肉是维持脊柱稳定、保持姿势和提供活动的必需条件。发达的肌肉可增加颈椎的稳定性，如长期固定制动则可使颈肌肌力减弱。因此，如非病情十分必要，应让患者保持一定的功能活动。