1、頸段脊柱解剖與生物力學(xué)：在研究脊柱生物力學(xué)時，一般多運(yùn)用運(yùn)動節(jié)段進(jìn)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(jié)構(gòu)和后部結(jié)構(gòu)前者包括椎體、椎間盤、椎弓和相連的韌帶，后者包括相應(yīng)的椎弓、椎間關(guān)節(jié)、橫突棘突和韌帶。頸椎基本的生物力學(xué)功能是：載荷的傳遞;三維空間的生理活動;保護(hù)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(shí)驗(yàn)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(guān)鍵的部分，對頸椎的活動和負(fù)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(xué)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(nèi)。并與后方的小關(guān)節(jié)面共同承受頭顱的壓縮載荷。日常生活中，椎間盤的負(fù)荷很復(fù)雜，它具有承受和抵抗擠壓，彎曲和扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)外力的抵御功能較弱，F(xiàn)arfan認(rèn)為扭轉(zhuǎn)系椎間盤損傷的主要原因。頸椎后部組織具有抗載、引導(dǎo)、抗剪等功能，對脊柱起控制作用。有研究表明頸椎后部結(jié)構(gòu)有較大的負(fù)荷功能。關(guān)節(jié)突與椎間盤之間的負(fù)荷分配隨脊柱位置的不同而改變。在后伸位時，關(guān)節(jié)突的負(fù)荷最大，前屈伴有旋轉(zhuǎn)時，其負(fù)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(dān)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(nèi)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(yùn)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(nèi)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(cè)，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(cè)。頸椎后側(cè)韌帶提供頸椎前屈時的主要穩(wěn)定力;而前側(cè)韌帶則提供頸椎后伸時的主要穩(wěn)定力
按照剛體運(yùn)動學(xué)理論，頸段脊柱運(yùn)動有六個自由度，即冠狀面的前屈，后伸和左右側(cè)方平移;縱軸上的軸向壓縮，牽拉和順逆時針旋轉(zhuǎn)以及矢狀軸上的左右側(cè)屈及前后平移。頸部活動由二個部分完成：枕—環(huán)—樞復(fù)合體的聯(lián)合運(yùn)動及下頸椎的聯(lián)合運(yùn)動。前者以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主，后者以屈伸運(yùn)動為主。研究表明，C1-2旋轉(zhuǎn)活動約占整個頸椎軸向旋轉(zhuǎn)的50%，余下50%由中下頸椎C3-7聯(lián)合運(yùn)動完成。頸椎的屈伸以C5-6運(yùn)動幅度最大，但側(cè)屈與旋轉(zhuǎn)活動愈往下愈小。 Frankei的研究認(rèn)為整個頸椎節(jié)段的聯(lián)合運(yùn)動，屈伸約145度，軸向旋轉(zhuǎn)約180度，側(cè)屈約90度。頸椎運(yùn)動的復(fù)雜性還表現(xiàn)在頸段脊柱各種運(yùn)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(zhuǎn)活動。椎體在功能節(jié)段的活動是相連的，關(guān)節(jié)突的引導(dǎo)活動將形成共軛特征。如屈伸與橫水平面的位移共軛，側(cè)屈與旋轉(zhuǎn)共軛，旋轉(zhuǎn)與軸向垂直位移共軛。通常將與外載荷方向相同的脊柱運(yùn)動稱為主運(yùn)動，把其他方向的運(yùn)動稱為耦合運(yùn)動。不同頸椎平面?zhèn)惹鼤r所伴隨的軸性旋轉(zhuǎn)角度不同，如：C2每側(cè)屈3度，伴有2度旋轉(zhuǎn)，C7每側(cè)7.5度，伴有1度旋轉(zhuǎn)。從C2-7伴隨側(cè)屈的軸性角度依次減少。
頸椎運(yùn)動學(xué)在生物力學(xué)特征上主要涉及靜力學(xué)、動力學(xué)及其穩(wěn)定性等方面。目前頸椎靜力學(xué)的研究重點(diǎn)在于分析平衡狀態(tài)下椎體、椎間盤乃至韌帶的生物力學(xué)性能以及各種不同姿勢下對頸椎運(yùn)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(fù)荷較輕;在旋轉(zhuǎn)和側(cè)彎時，負(fù)荷將增加;在極度屈曲時，負(fù)荷明顯升高，其中以下頸椎的運(yùn)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(guān)節(jié)和C7-T1運(yùn)動節(jié)段運(yùn)動軸周圍的彎曲力矩，結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)荷在極度前屈位時最大，中立位和后伸位較低。從前屈到后伸，小關(guān)節(jié)總負(fù)荷將增加33%。動力學(xué)的研究主要在于分析運(yùn)動過程中作用于頸椎上的載荷及其頸段的動力學(xué)特性。由于條件限制特別是活體研究的因難，此項(xiàng)工作開展甚少，日本學(xué)者認(rèn)為在頸椎動力學(xué)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(zhuǎn)、剪切等形式。在生理載荷下，F(xiàn)SU不會出現(xiàn)異常應(yīng)變，因此保證了脊柱的穩(wěn)定性。White[16,17]采用下頸椎的FSU進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切斷所有后柱韌帶可導(dǎo)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(guān)節(jié)切除后，頸椎水平位移明顯增加。從頸部的肌肉動力學(xué)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(diào)時，易發(fā)生以C4-5為中心的椎體平移或旋轉(zhuǎn)。
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(jī)械力相適應(yīng)”。近代生物力學(xué)指出：“骨骼是一種反饋控制系統(tǒng)，正常情況時，骨處于最優(yōu)應(yīng)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(dāng)應(yīng)力應(yīng)變大于最優(yōu)值而小于適應(yīng)性上限時，成骨作用處于優(yōu)勢，骨質(zhì)增生，加大了承受面積，從而使應(yīng)力應(yīng)變降低，又恢復(fù)到最優(yōu)值。相反的情況引起骨質(zhì)萎縮，使應(yīng)力應(yīng)變上升“。這些理論指出了骨組織代謝與所承受的應(yīng)力應(yīng)變值有密切關(guān)系。楊陽明通過光彈性試驗(yàn)研究證實(shí)了頸椎最常見增生的C4、5、6其有效應(yīng)力最，椎體的上下緣增生常見也與其有效應(yīng)力較大有關(guān)。其結(jié)果也同時證實(shí)了Nathan的骨贅生長是脊柱對抗壓力的代償機(jī)制。余家闊通過電鏡觀察認(rèn)為受應(yīng)力應(yīng)變越大、作用時間越長的頸椎，其頸椎骨的形態(tài)學(xué)改變越明顯。石關(guān)桐等采用微壓強(qiáng)傳感器測量新鮮尸體標(biāo)本在三維運(yùn)動狀態(tài)下變化，其結(jié)果認(rèn)為C4-5，C5-6兩節(jié)段始終處于最大壓力值狀態(tài)。另外，由中立位至后伸、左側(cè)屈、左旋時，該方向側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)壓力變化顯著，而相對應(yīng)側(cè)的壓力變化較小。在應(yīng)力應(yīng)變控制骨生長的機(jī)制中，目前還有壓變電位學(xué)說;流動電位學(xué)說及骨電信號控制學(xué)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(yùn)動和遭受暴力時發(fā)生的異常運(yùn)動及損傷作出近乎實(shí)際的解釋，人們多以生物力學(xué)的觀點(diǎn)來確定脊柱損傷的穩(wěn)定與否。Denis[27,28]在前人研究的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)秀的三柱結(jié)構(gòu)學(xué)說，其把韌帶結(jié)構(gòu)視為脊柱穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)。即前縱韌帶、椎體前2/3及相應(yīng)椎間盤、纖維環(huán)為前柱，椎體后1/3及相應(yīng)的椎間盤、后縱韌帶、椎管為獨(dú)立的中柱，脊柱附件為后柱。其理論強(qiáng)調(diào)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)暴力型及加速-減速損傷。這些創(chuàng)傷均可導(dǎo)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(yīng)力作用所致的一系列改變。其中頸椎運(yùn)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(xué)的改變。如慢性損傷可通過應(yīng)力應(yīng)變作用加速頸椎體、頸椎間盤、小關(guān)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(xué)平衡的破壞有十分密切關(guān)系，一些研究表明：頸椎內(nèi)外平衡(內(nèi)源性和外源性穩(wěn)定)失調(diào)是比骨贅更為重要的發(fā)病原因，即使頸椎骨質(zhì)增生亦是為適應(yīng)應(yīng)力的改變而發(fā)生的。
牽引是治療頸椎病的公認(rèn)簡便方法之一。為此許多學(xué)者都進(jìn)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(guān)節(jié)應(yīng)力分布及橫突位移情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)牽引可使正常情況下鉤突關(guān)節(jié)所受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，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(guān)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(yùn)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(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，后伸15度牽引可使小關(guān)節(jié)面出現(xiàn)分離。陳禾麗[36]研究表明，牽引角度小時，最大應(yīng)力位置靠近頸椎上段，隨著牽引角度增大，最大應(yīng)力位置逐漸下移。當(dāng)牽引角度超過35度后，最大應(yīng)力大體在頸椎C7-T1處。
因此，當(dāng)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(yīng)選擇25-30度;曲度稍直，椎間隙狹窄在C5-6處時，牽引角度應(yīng)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(yīng)選擇5-10度。
手法在頸椎病的非手術(shù)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(diǎn)、線、面不盡相同。然而從生物力學(xué)角度分析，無論何種流派，其效應(yīng)途徑與作用環(huán)節(jié)基本上都是通過手法的運(yùn)動力學(xué)的動態(tài)變化，以一定量的力學(xué)剌激作用(壓、張、磨擦、振動、旋轉(zhuǎn)及其復(fù)合力)，剌激的轉(zhuǎn)換及其時空變化作用于頸椎，并依賴其結(jié)構(gòu)和功能的高度統(tǒng)一，產(chǎn)生頸椎病的防治效應(yīng)。其產(chǎn)生的力可使頸椎發(fā)生伸屈、側(cè)、旋轉(zhuǎn)或它們的組合變形。手法的共同特征在于：結(jié)脊柱和它周圍組織旋加外部負(fù)荷以影響脊柱及其周圍組織。不少學(xué)者認(rèn)為手法治療頸椎病的作用機(jī)制有①鎮(zhèn)痛止麻;②加寬椎間隙，擴(kuò)大椎間孔，整復(fù)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(xué)影響以往報導(dǎo)不多。