1、頸段脊柱解剖與生物力學：在研究脊柱生物力學時，一般多運用運動節(jié)段進行描述與分析。脊柱的功能單位包括鄰近兩個椎體及其間的椎間盤與韌帶。一般分為前部結構和后部結構前者包括椎體、椎間盤、椎弓和相連的韌帶，后者包括相應的椎弓、椎間關節(jié)、橫突棘突和韌帶。頸椎基本的生物力學功能是：載荷的傳遞;三維空間的生理活動;保護頸脊髓。頸椎活動節(jié)段為頸段脊柱的基本功能單位，是維持頸椎穩(wěn)定性的基本單位。

　　通過椎體靜加載實驗發(fā)現(xiàn)，椎體承受的軸向壓縮極限載荷從頸椎到腰椎，其總體變化趨勢為逐漸增加，而椎體的相對變形則逐漸減小;動載荷時其變化趨勢與靜加載相同。頸椎間盤是整個頸椎承載系統(tǒng)中最為關鍵的部分，對頸椎的活動和負重起重要作用。它不僅可吸收振動、減緩沖擊，而且能將所承受的載荷向不同方向均勻分布。椎間盤的主要生物力學功能是：吸收振蕩、沖擊能量、維持椎間隙的高度、對抗壓縮力并使相鄰兩椎體的相對活動限制在很小范圍內。并與后方的小關節(jié)面共同承受頭顱的壓縮載荷。日常生活中，椎間盤的負荷很復雜，它具有承受和抵抗擠壓，彎曲和扭轉的能力。有人研究如果對脊柱功能單位加以一定量的壓縮力，可發(fā)現(xiàn)在椎間盤損傷以前終板或椎體即已發(fā)生骨折。椎間盤對扭轉外力的抵御功能較弱，F(xiàn)arfan認為扭轉系椎間盤損傷的主要原因。頸椎后部組織具有抗載、引導、抗剪等功能，對脊柱起控制作用。有研究表明頸椎后部結構有較大的負荷功能。關節(jié)突與椎間盤之間的負荷分配隨脊柱位置的不同而改變。在后伸位時，關節(jié)突的負荷**，前屈伴有旋轉時，其負荷也較大。頸脊柱的韌帶多數(shù)由膠原纖維及彈性纖維組成，它承擔著脊柱的大部分張力載荷。頸部除黃韌帶外，脊柱韌帶的延伸率較低，故可與椎間盤一起，提供脊柱的內源性穩(wěn)定。

　　頸部韌帶按其部位可分為上頸椎韌帶和下頸椎韌帶。上頸椎區(qū)域的韌帶作用特殊，既有靈活的運動性，又有可靠的穩(wěn)定性。其中十字韌帶是穩(wěn)定C1-C2的重要因素，可防止C2齒狀突在C1環(huán)內向后位移。中下段頸椎區(qū)域的前縱韌帶跨越中央頸段脊柱，與間盤連接較松馳，后縱韌帶位于椎體背側，與間盤連接較緊密。黃韌帶與每一個椎板相連，處于椎管后側。頸椎后側韌帶提供頸椎前屈時的主要穩(wěn)定力;而前側韌帶則提供頸椎后伸時的主要穩(wěn)定力

　　按照剛體運動學理論，頸段脊柱運動有六個自由度，即冠狀面的前屈，后伸和左右側方平移;縱軸上的軸向壓縮，牽拉和順逆時針旋轉以及矢狀軸上的左右側屈及前后平移。頸部活動由二個部分完成：枕—環(huán)—樞復合體的聯(lián)合運動及下頸椎的聯(lián)合運動。前者以旋轉運動為主，后者以屈伸運動為主。研究表明，C1-2旋轉活動約占整個頸椎軸向旋轉的50%，余下50%由中下頸椎C3-7聯(lián)合運動完成。頸椎的屈伸以C5-6運動幅度**，但側屈與旋轉活動愈往下愈小。 Frankei的研究認為整個頸椎節(jié)段的聯(lián)合運動，屈伸約145度，軸向旋轉約180度，側屈約90度。頸椎運動的復雜性還表現(xiàn)在頸段脊柱各種運動之間的共軛(耕合)。其特征是指同時發(fā)生在同一軸上的平移和旋轉活動。椎體在功能節(jié)段的活動是相連的，關節(jié)突的引導活動將形成共軛特征。如屈伸與橫水平面的位移共軛，側屈與旋轉共軛，旋轉與軸向垂直位移共軛。通常將與外載荷方向相同的脊柱運動稱為主運動，把其他方向的運動稱為耦合運動。不同頸椎平面?zhèn)惹鼤r所伴隨的軸性旋轉角度不同，如：C2每側屈3度，伴有2度旋轉，C7每側7.5度，伴有1度旋轉。從C2-7伴隨側屈的軸性角度依次減少。

　　頸椎運動學在生物力學特征上主要涉及靜力學、動力學及其穩(wěn)定性等方面。目前頸椎靜力學的研究重點在于分析平衡狀態(tài)下椎體、椎間盤乃至韌帶的生物力學性能以及各種不同姿勢下對頸椎運動的影響。頸椎承受的各種載荷均較其它椎體小，特別是壓縮載荷。Frankei研究發(fā)現(xiàn)，在松馳站立或座位時，頸椎負荷較輕;在旋轉和側彎時，負荷將增加;在極度屈曲時，負荷明顯升高，其中以下頸椎的運動節(jié)段更為明顯。Harms和Ringdahl[14]測得在完全前屈、輕度前屈、中立、輕度后伸、極度后伸位，枕環(huán)關節(jié)和C7-T1運動節(jié)段運動軸周圍的彎曲力矩，結果發(fā)現(xiàn)負荷在極度前屈位時**，中立位和后伸位較低。從前屈到后伸，小關節(jié)總負荷將增加33%。動力學的研究主要在于分析運動過程中作用于頸椎上的載荷及其頸段的動力學特性。由于條件限制特別是活體研究的因難，此項工作開展甚少，日本學者認為在頸椎動力學分析方面，研究肌力的作用對脊柱模型的發(fā)展具有重要意義。

　　頸椎的穩(wěn)定性是指頸椎承載時，頸椎保持平衡形態(tài)的能力。一般頸椎的穩(wěn)定性系指頸段脊柱在生理載荷下無異常改變和無FSU的過度或異?；顒?。通常頸椎承受的載荷有壓縮、牽拉、扭轉、剪切等形式。在生理載荷下，F(xiàn)SU不會出現(xiàn)異常應變，因此保證了脊柱的穩(wěn)定性。White[16,17]采用下頸椎的FSU進行生物力學實驗結果發(fā)現(xiàn)，切斷所有后柱韌帶可導致屈曲不穩(wěn)定;切除所有前縱韌帶，可引起后伸不穩(wěn)。而小關節(jié)切除后，頸椎水平位移明顯增加。從頸部的肌肉動力學分析可以發(fā)現(xiàn)，C4-5的肌肉較弱，且處于頸曲弧頂，穩(wěn)定性最差。因此，在外傷或軟組織慢性損傷，肌肉痙攣所致的平衡失調時，易發(fā)生以C4-5為中心的椎體平移或旋轉。

　　Wolff 法則早在1870年就提出：“骨在生長期間保持與作用它之上的機械力相適應”。近**物力學指出：“骨骼是一種反饋控制系統(tǒng)，正常情況時，骨處于**應力值的作用下，呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，即成骨速度與破骨速度相等;而當應力應變大于**值而小于適應性上限時，成骨作用處于優(yōu)勢，骨質增生，加大了承受面積，從而使應力應變降低，又恢復到**值。相反的情況引起骨質萎縮，使應力應變上升“。這些理論指出了骨組織代謝與所承受的應力應變值有密切關系。楊陽明通過光彈性試驗研究證實了頸椎最常見增生的C4、5、6其有效應力最，椎體的上下緣增生常見也與其有效應力較大有關。其結果也同時證實了Nathan的骨贅生長是脊柱對抗壓力的代償機制。余家闊通過電鏡觀察認為受應力應變越大、作用時間越長的頸椎，其頸椎骨的形態(tài)學改變越明顯。石關桐等采用微壓強傳感器測量新鮮尸體標本在三維運動狀態(tài)下變化，其結果認為C4-5，C5-6兩節(jié)段始終處于**壓力值狀態(tài)。另外，由中立位至后伸、左側屈、左旋時，該方向側關節(jié)突關節(jié)壓力變化顯著，而相對應側的壓力變化較小。在應力應變控制骨生長的機制中，目前還有壓變電位學說;流動電位學說及骨電信號控制學說等，另外也有人發(fā)現(xiàn)前列腺也具有剌激骨生長的信號。

　　為了對脊柱運動和遭受暴力時發(fā)生的異常運動及損傷作出近乎實際的解釋，人們多以生物力學的觀點來確定脊柱損傷的穩(wěn)定與否。Denis[27,28]在前人研究的基礎上提出了優(yōu)秀的三柱結構學說，其把韌帶結構視為脊柱穩(wěn)定的重要結構。即前縱韌帶、椎體前2/3及相應椎間盤、纖維環(huán)為前柱，椎體后1/3及相應的椎間盤、后縱韌帶、椎管為獨立的中柱，脊柱附件為后柱。其理論強調椎節(jié)的任何解剖部位受損傷均將波及脊柱的穩(wěn)定性。90年代以來，法國Dubousset[29]又對此提出了三個重要概念，即脊柱平衡概念;骨盆體概念與脊柱三柱概念。則當頸椎受屈曲外力作用時，前柱受壓、后柱受牽拉，過伸外力則反之。

　　決定頸椎損傷的五大因素是頸椎的材料特性、結構剛性、載荷形式、加速速率與載荷大小。頸椎的急性損傷一般分為壓縮暴力型、屈曲暴力型、屈曲旋轉暴力型及加速-減速損傷。這些創(chuàng)傷均可導致頸椎不穩(wěn)。頸椎的慢性損傷主要表現(xiàn)在頸椎長期受到異常應力作用所致的一系列改變。其中頸椎運動節(jié)段的活動、發(fā)育性椎管狹窄、病理變化和血循環(huán)損害是頸椎病發(fā)生的四個重要因素。而作為頸椎病發(fā)生發(fā)展的前因后果，又無不涉及到力學的改變。如慢性損傷可通過應力應變作用加速頸椎體、頸椎間盤、小關節(jié)及其韌帶的退變過程而提前發(fā)病。頸椎病與頸段脊柱正常生物力學平衡的破壞有十分密切關系，一些研究表明：頸椎內外平衡(內源性和外源性穩(wěn)定)失調是比骨贅更為重要的發(fā)病原因，即使頸椎骨質增生亦是為適應應力的改變而發(fā)生的。

　　牽引是治療頸椎病的公認簡便方法之一。為此許多學者都進行了大量研究。林斌等通過建立完整的頸段脊柱三維空間有限元模型，對牽引下的鉤突關節(jié)應力分布及橫突位移情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)牽引可使正常情況下鉤突關節(jié)所受壓應力轉變?yōu)槔瓚?，同時可拉大橫突間距，且隨角度的加大而逐漸加大。國外一些研究報告表明，牽引力11Kg時，可使頸椎前凸變直，13.5Kg時能使頸椎后部分離;用20Kg重量牽引頸椎時，發(fā)現(xiàn)椎間隙可增寬3-4mm。鉤突關節(jié)增寬約2-3 mm。在牽引角度方面，Alicem[35]的研究報告表明，采用仰臥位運動間隙性牽引(牽引力13.5Kg，持續(xù)8秒，間隙6秒),在中立位與前屈30 度時，椎間隙均有明顯增加，其中C6-7后緣分別增加37%和20%;后伸15度時，椎間隙后緣均有明顯減少，其中C6-7減少50%。作者還進一步發(fā)現(xiàn)，后伸15度牽引可使小關節(jié)面出現(xiàn)分離。陳禾麗[36]研究表明，牽引角度小時，**應力位置靠近頸椎上段，隨著牽引角度增大，**應力位置逐漸下移。當牽引角度超過35度后，**應力大體在頸椎C7-T1處。

　　因此，當頸椎曲度變化不大，且患病部位在C5-6，C6-7，C7-T1時，牽引角度應選擇25-30度;曲度稍直，椎間隙狹窄在C5-6處時，牽引角度應選擇10-15度;曲度消失，椎間隙狹窄在C5-6，C6-7處時，牽引角度應選擇5-10度。

　　手法在頸椎病的非手術療法中占重要的地位。其分類根據(jù)形態(tài)與力度大致可分為整骨手法和理筋手法二大類。臨床上一般多以整骨手法作為頸椎病手法的核心步驟。盡管目前頸椎手法流派很多，其技巧形態(tài)、作用力及著力點、線、面不盡相同。然而從生物力學角度分析，無論何種流派，其效應途徑與作用環(huán)節(jié)基本上都是通過手法的運動力學的動態(tài)變化，以一定量的力學剌激作用(壓、張、磨擦、振動、旋轉及其復合力)，剌激的轉換及其時空變化作用于頸椎，并依賴其結構和功能的高度統(tǒng)一，產(chǎn)生頸椎病的防治效應。其產(chǎn)生的力可使頸椎發(fā)生伸屈、側、旋轉或它們的組合變形。手法的共同特征在于：結脊柱和它周圍組織旋加外部負荷以影響脊柱及其周圍組織。不少學者認為手法治療頸椎病的作用機制有①鎮(zhèn)痛止麻;②加寬椎間隙，擴大椎間孔，整復椎體滑脫，解除神經(jīng)受壓，③松解神經(jīng)根及軟組織的粘連;④ 緩解肌緊張與痙攣;⑤消除半脫位。手法對頸椎病生物力學影響以往報導不多。