颈椎的解剖因素及其力学性能

脊柱颈段由7个颈椎及其间的连结组织构成，呈生理性前凸，具有向下传递头颈部载荷、提供三维空间的生理活动和保护脊髓生物力学等功能。相邻两节颈椎及其间的软组织构成颈椎生物力学基本单位——运动节段。多个运动节段相互协调联合，共同完成颈椎的生理活动。椎体、椎间盘和前、后纵韧带组成运动节段的前部，相应的椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带组成其后部，两者之间为椎管。椎体是椎骨受力的主体，实验证明，完整椎体的强度随着年龄的增加而减低。40岁以下其骨皮质承载45%，骨松质承载55%；40岁以后骨皮质承载65%，骨松质承载35%。这种强度的变化说明，随着年龄的增长，椎体的韧性在不断降低，而脆性不断提高。软骨终板在脊柱的正常生理活动中承受着很大的压力。脊柱运动节段疲劳实验显示，可有1／3的标本发生终板断裂及髓核突出。颈椎关节突的方向与水平面成45°，此有利于颈椎屈、伸、侧屈和旋转运动。两侧小关节运动轨迹中心的交叉点位于后方椎体外，因此后方小关节稍稍活动，前方的椎体间关节就会出现较大幅度活动，从而易引起或加剧退变。小关节突与椎间盘一起共同承受压缩载荷，国外生物力学实验显示，正常颈椎在前屈状态下，最大载荷为856N，切除椎板后为702N，减弱18%；再切除小关节后为346N，减弱达60%，表明小关节的完整性对颈椎的稳定和载荷能力具有重要意义。在脊柱运动过程中，从后伸到前屈，关节突关节承担的载荷从30%降到0。在极度前屈时，关节突不承担载荷但承受关节囊的拉力。在扭转实验中发现，椎间盘、前后纵韧带与关节突关节囊各承担45%的扭转载荷，余下的10%则由椎间韧带承担。颈椎椎间盘的主要生物力学功能是维持椎节高度，对抗压应力并对颈椎的活动具有重要的影响。椎间盘内部为类黏蛋白团块状的髓核，外部为相互交叉编织的纤维形成的纤维环。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，伸展位时颈椎间盘前部高度明显增加，屈曲时，因受后部结构（后纵韧带、关节囊等）的限制，椎间盘后部高度增加的幅度小于伸展位。椎间盘的载荷能力由上至下逐渐递增，不仅承受重力、肌张力等产生的静力性载荷，还要承受运动时产生的动力性载荷。在外来压力作用下，髓核承受的压应力最大，单位面积为外来负荷的l.5倍，纤维环为0.5倍，其张应力为外来负荷的4～5倍。正常压缩外力下，椎间盘不会损害。其抵抗张力、弯曲和剪切力的能力很强，但对扭曲力的抵抗力较弱。在扭曲时，应力集中在同一方向排列的斜行纤维上，而相反方向的纤维则变得松弛。扭曲与压缩力作用时，首先造成纤维环破裂，髓核再经破裂处突出。在退变的条件下，椎间盘变性，弹性降低，逐渐丧失了吸收能量和分布应力的能力，抗载荷、扭曲的能力降低，容易发生纤维环破裂和髓核脱出。颈椎的韧带多数由胶原纤维组成，承担着颈椎的大部分张力载荷，除黄韧带外，颈椎的其他韧带延伸率极低，是颈椎重要的内源性稳定因素，韧带的黏弹性使其既能保证颈椎生理范围内的活动，又能有效维持各节段的平衡与稳定。前纵韧带为人体中最长而坚韧的韧带，起于枕骨的咽结节，经诸椎体前面抵于第1或第2骶椎前面。其分为3层，深层纤维跨越椎间盘，将上、下椎体缘和椎间盘紧密地连结在一起，中层跨越2～3个椎体，而浅层纤维则可跨越3～5个椎体，其作用主要是限制脊椎过度后伸。后纵韧带起自第2颈椎（部分纤维上延移行于覆膜），沿诸椎体后面抵于骶管。其颈部较宽，尤以椎间盘处稍厚而坚韧。前纵韧带的强度是后纵韧带的2倍，单纯的屈伸活动不能撕裂它们，其力学强度随着年龄的增长而降低，同时吸收能量的能力也下降。另外，还有棘间韧带、项韧带和横突间韧带。黄韧带主要由弹性纤维构成，在颈椎伸展位时缩短、变厚，屈曲位时延伸、变薄，而其张力保持恒定。椎板间隙变窄时，黄韧带体积并不减少，青年人的黄韧带在压应力作用下缩短增厚，不易突入椎管，随年龄增加，黄韧带弹性降低，则易折曲而缩短，可突入椎管产生脊髓压迫。黄韧带变性产生的脊髓压迫现象目前已引起临床的高度重视。前纵韧带、后纵韧带和黄韧带具有相同的生物力学性能，它们的载荷－变形曲线均为非线性，随着载荷的增加而坡度变陡。颈椎前后的肌肉是维持颈椎稳定和活动的必需条件，同时又可承受作用于颈椎的一部分外力，尤其是完成颈椎生物力学功能必不可少的组成部分。