颈椎稳定性的生物力学实验研究
作者：姜宏 施杞 王以进
单位：姜 宏(苏州中医医院骨伤科 215003 江苏省苏州市)；施 杞(上海中医药大学骨伤研究所)；王以进(上海大学嘉定校区生物力学研究所)
关键词：颈椎；生物力学；椎间盘切除；失稳
中国脊柱脊髓杂志990505 摘要 目的：评价颈椎椎间盘切除前后颈椎各种运动状态对颈椎稳定性的影响。方法：取5具成人新鲜尸体颈椎标本(C1～C7)先后制成正常颈椎和C5～6椎间盘部分切除模型，观察颈椎在不同运动状态下，C4、C5、C6的应变、轴向位移及颈椎总体位移的变化。结果：正常颈椎C4、C5、C6的应变依次减少，侧弯状态下颈椎总体位移最大；椎间盘部分切除后，C4、C5、C6的应变和轴向位移均有明显的增加。结论：下颈椎的稳定性依椎体序列越往下越好，椎间盘部分切除后颈椎稳定性下降。不同运动状态对颈椎稳定性有着不同的影响，颈椎失稳最易发生在侧弯状态。颈椎病患者应避免长期使颈椎处于侧弯姿势。
, 百拇医药
An experimental biomechanical study on the stabilization of cervical vertebrae
JIANG Hong SHI Qi WANG Yijin
Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1999,9(5):257～259
Abstract Objective：Evaluate the impact of various cervical vertebrae moving positions before and after diskectomy on the stabilization of cervical vertebrae.Method：Five fresh spinal specimens from C1～C7 were used to establish normal and diskectomy models.The cervical vertebrae were observed under different moving positions.The strain of C4,C5 and C6 changes in displacement as well as overall displacement were studied.Result：The strain of normal cervical vertebrae C4,C5 and C6 reduced accordingly,and the cervical vertebrae overall displacement maximized in the lateral bending position.After diskectomy,both the strain of C4,C5 and C6 and axial displacement increased obviously.Conclusion：The stabilization of lower cervical vertebrae increased accordingly and the stabilization decreased after diskectomy.Different moving positions have different impact on the stabilization of cervical vertebrae.The unstable situation happens most easily when the cervical vertebrae is in lateral bending position.Patients of cervical spondylosis should avoid placing cervical vertebrae in the lateral bending position too long.
, http://www.100md.com
Author′s address Department of Orthopedics,Suzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine,Suzhou,Jiangsu，215003
Key words Cervical vertebrae；Biomechanics；Diskectomy；Unstabilization
颈椎病发生发展的前因后果及其诊疗均涉及到颈椎生物力学中的稳定性问题。作者比较了C5～6椎间盘部分切除前后颈椎在中心压缩、前屈、后伸、侧弯状态下的应变与位移的变化，旨在说明颈椎不同运动、不同位置和椎间盘部分切除后对其稳定性的影响。
1 材料与方法
, http://www.100md.com
本实验采用5具成人新鲜尸体整段颈椎标本。X线正侧位摄片显示无骨折和骨性病变。获取实验标本后，先剔除颈椎周围肌肉，保留主要韧带、椎间盘和关节囊完整无损。尔后双层塑料袋密封，-20℃低温冰箱保存，实验前逐级解冻。在实验标本上下两端浇注骨水泥平台，并使平台上下两端保持相互平行，用于测试时精确加载。尔后粘贴应变片。标本试件在WD-5电子万能试验机上安装后，再安置万能转盘及压弯组合载荷装置。上端用压力传感器、加载板及钢球滚珠加载，加载重量分别为25N、50N、75N；下端固定在试验台基座上。找准重心后连接数字测力仪、应变仪、KG-101光栅数显高精度测微仪，以测定应变、位移。实验标本先后分成两组：完整标本和C5～6椎间盘部分切除标本。测试顺序：先完整标本，后C5～6椎间盘部分切除标本。整体实验始终匀速加载，加载速度控制为1.5mm/min。实验标本重复在线载荷下进行中心压缩、前屈、后伸、侧弯(模拟颈椎的主要生理运动方式)等四种不同状态的测试。实验过程中用生理盐水始终保持标本表面湿润。统计处理以线性回归、方差分析、经最小二乘法用计算机加以处理后，进行t检验与精度分析。
, 百拇医药
2 结果与分析
2.1 颈椎椎体的应变变化
正常颈椎各状态下均以C4应变最大，多数情况下C4、C5、C6应变依次减少，提示下颈椎椎体的承载能力逐段增加。在相同载荷下，当C5～6椎间盘部分切除后，各椎体应变值较切除前均有明显的增加。其中，在中心压缩状态下，C4、C5、C6依次增加66%、71%、70%；前屈状态下，其依次增加6%、31%、12%；后伸状态下，依次增加5%、82%、29%；侧弯状态下，依次增加54%、86%、63%。由此可见，颈椎椎体应变在侧弯、中心压缩状态下的增加态势较为明显(图1～4)。
, http://www.100md.com
图1 中心压缩下椎体的载荷-应变曲线
图2 前屈状态下椎体的载荷-应变曲线
图3 后伸状态下椎体的载荷-应变曲线
图4 侧弯状态下椎体的载荷-应变曲线
2.2 颈椎总体位移与椎体轴向位移的变化
正常颈椎总体位移(整个颈椎脊柱位移)大小依次为侧弯、前屈、中心压缩、后伸状态，其分别为2.86mm、2.11mm、1.88mm、0.56mm，C5～6椎间盘部分切除后其平均增加16%～27%。C5～6椎间盘切除前后各椎体轴向位移的变化以侧弯、前屈状态下最大。与切除前相比，切除后C4、C5、C6在各状态下分别增加21%～60%，其中侧弯状态下的增加幅度为21%～45%(附表)。
, 百拇医药
附表 C5～6椎间盘部分切除前后下颈椎椎体轴向位移的变化 (mm)(
±s) 状态
节段
切除前
切除后
增加(%)
P值
中心
压缩
C4
0.72±0.14
, 百拇医药 0.96±0.07
33
<0.05
C5
0.98±0.05
1.25±0.01
27
<0.01
C6
1.25±0.06
1.54±0.01
23
, 百拇医药
<0.05
前屈
C4
1.05±0.19
1.37±0.20
30
<0.01
C5
1.34±0.17
1.56±0.16
16
<0.05
, http://www.100md.com
C6
1.55±0.07
1.98±0.02
27
<0.05
后伸
C4
0.91±0.01
1.26±0.09
38
<0.05
C5
, http://www.100md.com
0.93±0.02
1.49±0.09
60
<0.01
C6
1.20±0.01
1.75±0.07
45
<0.01
侧弯
C4
1.16±0.08
, 百拇医药
1.41±0.15
21
<0.05
C5
1.22±0.01
1.72±0.14
40
<0.05
C6
1.36±0.18
1.98±0.19
45
, 百拇医药
<0.01
3 讨论
3.1 颈椎的平衡与稳定
稳定在生物力学范畴内常以应变、位移来度量。颈椎的稳定性指颈椎在生理载荷下无异常应变和无脊柱功能单位(Functional spinal unit，FSU)的过度活动。正常人体颈椎稳定性系由两大部分来维持〔1〕：一是内源性稳定，包括椎体、附件、椎间盘和相连韧带结构，为静力性平衡；二是外源性稳定，主要为颈部肌肉的调节与控制，它是脊柱运动的原始动力，为动力性平衡。其中任何环节遭受破坏均可能引起或诱发颈椎正常结构平衡形态的丧失。颈椎椎间盘切除、颈椎退行性改变可引起颈椎稳定性的改变〔2、3〕。本研究除了选用正常颈椎生物力学模型以外，为模拟颈椎退行性改变后椎间隙高度的丧失及其颈椎失稳，我们制作了C5～6椎间盘部分切除的颈椎生物力学模型〔3、4〕。在研究中发现，就颈椎各椎体的稳定性而言，按椎体序列越往下其稳定程度越好。但颈椎的稳定平衡除了与其结构形状(空间序列)有关外，还与颈椎生理功能(运动序列)有联系，即和颈椎所处的运动状态相关。 其中，与前屈状态相比，侧弯状态下颈椎总体稳定性更差。当颈椎椎间盘部分切除后，颈椎在各种运动状态下的稳定性均有明显的下降，且仍以侧弯状态下降较为明显。由此可见，颈椎椎间盘切除术后、颈椎失稳时应避免使颈椎长期处于侧弯状态。
, 百拇医药
3.2 颈椎不稳与颈椎病
颈椎病的发病机制与颈椎动静力学平衡的破坏——颈椎失稳相关。研究表明〔5〕，长期低头姿势(颈椎前屈)是引起颈椎病的重要因素之一。进一步从稳定平衡的角度来看，本研究还发现，在侧弯状态下，颈椎总体位移高于其他几种状态，即侧弯状态下颈椎的平衡能力更差。据此可认为，颈椎侧弯时间过长同样也可累及颈椎的稳定，进而诱发颈椎病。颈椎的运动是三维六个自由度的运动，每一种运动除主运动外，还伴有其它方向的耦合运动。实际上从生物力学的角度也不难发现，长时期低头伏案工作、不良的睡眠姿势或颈部不协调的活动时，其颈椎并非处于单纯的前屈状态，往往还伴有颈椎的侧弯和旋转，即低头动作时常或多或少地伴有偏头的姿势，这种复合状态将使颈椎局部所受应变位移明显增加，从而危及颈椎的动静力学平衡。因此，颈椎病患者不仅应避免长时间处于低头状态(颈椎前屈)，同时也应减少处于偏头状态(颈椎侧弯与旋转)的程度和时间。在颈椎病的防治过程中，要注意引导人们纠正与经常改变职业中的不良体位，减少伏案时头颈部不良习惯的持续时间，同时加强颈部肌群各个方向的等长收缩锻炼，此对维系颈部动力性平衡、防治颈椎病具有重要的作用。
, 百拇医药
参考文献
1 王以进,王介麟.骨科生物力学.人民军医出版社,1989.156-191,232-233.
2 White AA,Panjabi MM.Biomechanical consideration in the surgical management of cervical spondylotic myelopathy.Spine,1988,13:856.
3 侯铁胜,杨维权,于涛,等.椎间盘部分切除术对颈椎运动学影响的实验研究.医用生物力学,1994,9:16.
4 姜宏,施杞,王以进.颈椎失稳临界值和极限强度的测量.医用生物力学,1997,12:224.
5 Pether RR.Cervical spine stabilization.Spine,1991,16:117.
收稿日期：1998-09-02 修回日期：1999-09-13, http://www.100md.com
单位：姜 宏(苏州中医医院骨伤科 215003 江苏省苏州市)；施 杞(上海中医药大学骨伤研究所)；王以进(上海大学嘉定校区生物力学研究所)
关键词：颈椎；生物力学；椎间盘切除；失稳
中国脊柱脊髓杂志990505 摘要 目的：评价颈椎椎间盘切除前后颈椎各种运动状态对颈椎稳定性的影响。方法：取5具成人新鲜尸体颈椎标本(C1～C7)先后制成正常颈椎和C5～6椎间盘部分切除模型，观察颈椎在不同运动状态下，C4、C5、C6的应变、轴向位移及颈椎总体位移的变化。结果：正常颈椎C4、C5、C6的应变依次减少，侧弯状态下颈椎总体位移最大；椎间盘部分切除后，C4、C5、C6的应变和轴向位移均有明显的增加。结论：下颈椎的稳定性依椎体序列越往下越好，椎间盘部分切除后颈椎稳定性下降。不同运动状态对颈椎稳定性有着不同的影响，颈椎失稳最易发生在侧弯状态。颈椎病患者应避免长期使颈椎处于侧弯姿势。
, 百拇医药
An experimental biomechanical study on the stabilization of cervical vertebrae
JIANG Hong SHI Qi WANG Yijin
Chinese Journal of Spine and Spinal Cord,1999,9(5):257～259
Abstract Objective：Evaluate the impact of various cervical vertebrae moving positions before and after diskectomy on the stabilization of cervical vertebrae.Method：Five fresh spinal specimens from C1～C7 were used to establish normal and diskectomy models.The cervical vertebrae were observed under different moving positions.The strain of C4,C5 and C6 changes in displacement as well as overall displacement were studied.Result：The strain of normal cervical vertebrae C4,C5 and C6 reduced accordingly,and the cervical vertebrae overall displacement maximized in the lateral bending position.After diskectomy,both the strain of C4,C5 and C6 and axial displacement increased obviously.Conclusion：The stabilization of lower cervical vertebrae increased accordingly and the stabilization decreased after diskectomy.Different moving positions have different impact on the stabilization of cervical vertebrae.The unstable situation happens most easily when the cervical vertebrae is in lateral bending position.Patients of cervical spondylosis should avoid placing cervical vertebrae in the lateral bending position too long.
, http://www.100md.com
Author′s address Department of Orthopedics,Suzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine,Suzhou,Jiangsu，215003
Key words Cervical vertebrae；Biomechanics；Diskectomy；Unstabilization
颈椎病发生发展的前因后果及其诊疗均涉及到颈椎生物力学中的稳定性问题。作者比较了C5～6椎间盘部分切除前后颈椎在中心压缩、前屈、后伸、侧弯状态下的应变与位移的变化，旨在说明颈椎不同运动、不同位置和椎间盘部分切除后对其稳定性的影响。
1 材料与方法
, http://www.100md.com
本实验采用5具成人新鲜尸体整段颈椎标本。X线正侧位摄片显示无骨折和骨性病变。获取实验标本后，先剔除颈椎周围肌肉，保留主要韧带、椎间盘和关节囊完整无损。尔后双层塑料袋密封，-20℃低温冰箱保存，实验前逐级解冻。在实验标本上下两端浇注骨水泥平台，并使平台上下两端保持相互平行，用于测试时精确加载。尔后粘贴应变片。标本试件在WD-5电子万能试验机上安装后，再安置万能转盘及压弯组合载荷装置。上端用压力传感器、加载板及钢球滚珠加载，加载重量分别为25N、50N、75N；下端固定在试验台基座上。找准重心后连接数字测力仪、应变仪、KG-101光栅数显高精度测微仪，以测定应变、位移。实验标本先后分成两组：完整标本和C5～6椎间盘部分切除标本。测试顺序：先完整标本，后C5～6椎间盘部分切除标本。整体实验始终匀速加载，加载速度控制为1.5mm/min。实验标本重复在线载荷下进行中心压缩、前屈、后伸、侧弯(模拟颈椎的主要生理运动方式)等四种不同状态的测试。实验过程中用生理盐水始终保持标本表面湿润。统计处理以线性回归、方差分析、经最小二乘法用计算机加以处理后，进行t检验与精度分析。
, 百拇医药
2 结果与分析
2.1 颈椎椎体的应变变化
正常颈椎各状态下均以C4应变最大，多数情况下C4、C5、C6应变依次减少，提示下颈椎椎体的承载能力逐段增加。在相同载荷下，当C5～6椎间盘部分切除后，各椎体应变值较切除前均有明显的增加。其中，在中心压缩状态下，C4、C5、C6依次增加66%、71%、70%；前屈状态下，其依次增加6%、31%、12%；后伸状态下，依次增加5%、82%、29%；侧弯状态下，依次增加54%、86%、63%。由此可见，颈椎椎体应变在侧弯、中心压缩状态下的增加态势较为明显(图1～4)。
, http://www.100md.com
图1 中心压缩下椎体的载荷-应变曲线
图2 前屈状态下椎体的载荷-应变曲线
图3 后伸状态下椎体的载荷-应变曲线
图4 侧弯状态下椎体的载荷-应变曲线
2.2 颈椎总体位移与椎体轴向位移的变化
正常颈椎总体位移(整个颈椎脊柱位移)大小依次为侧弯、前屈、中心压缩、后伸状态，其分别为2.86mm、2.11mm、1.88mm、0.56mm，C5～6椎间盘部分切除后其平均增加16%～27%。C5～6椎间盘切除前后各椎体轴向位移的变化以侧弯、前屈状态下最大。与切除前相比，切除后C4、C5、C6在各状态下分别增加21%～60%，其中侧弯状态下的增加幅度为21%～45%(附表)。
, 百拇医药
附表 C5～6椎间盘部分切除前后下颈椎椎体轴向位移的变化 (mm)(
±s) 状态节段
切除前
切除后
增加(%)
P值
中心
压缩
C4
0.72±0.14
, 百拇医药 0.96±0.07
33
<0.05
C5
0.98±0.05
1.25±0.01
27
<0.01
C6
1.25±0.06
1.54±0.01
23
, 百拇医药
<0.05
前屈
C4
1.05±0.19
1.37±0.20
30
<0.01
C5
1.34±0.17
1.56±0.16
16
<0.05
, http://www.100md.com
C6
1.55±0.07
1.98±0.02
27
<0.05
后伸
C4
0.91±0.01
1.26±0.09
38
<0.05
C5
, http://www.100md.com
0.93±0.02
1.49±0.09
60
<0.01
C6
1.20±0.01
1.75±0.07
45
<0.01
侧弯
C4
1.16±0.08
, 百拇医药
1.41±0.15
21
<0.05
C5
1.22±0.01
1.72±0.14
40
<0.05
C6
1.36±0.18
1.98±0.19
45
, 百拇医药
<0.01
3 讨论
3.1 颈椎的平衡与稳定
稳定在生物力学范畴内常以应变、位移来度量。颈椎的稳定性指颈椎在生理载荷下无异常应变和无脊柱功能单位(Functional spinal unit，FSU)的过度活动。正常人体颈椎稳定性系由两大部分来维持〔1〕：一是内源性稳定，包括椎体、附件、椎间盘和相连韧带结构，为静力性平衡；二是外源性稳定，主要为颈部肌肉的调节与控制，它是脊柱运动的原始动力，为动力性平衡。其中任何环节遭受破坏均可能引起或诱发颈椎正常结构平衡形态的丧失。颈椎椎间盘切除、颈椎退行性改变可引起颈椎稳定性的改变〔2、3〕。本研究除了选用正常颈椎生物力学模型以外，为模拟颈椎退行性改变后椎间隙高度的丧失及其颈椎失稳，我们制作了C5～6椎间盘部分切除的颈椎生物力学模型〔3、4〕。在研究中发现，就颈椎各椎体的稳定性而言，按椎体序列越往下其稳定程度越好。但颈椎的稳定平衡除了与其结构形状(空间序列)有关外，还与颈椎生理功能(运动序列)有联系，即和颈椎所处的运动状态相关。 其中，与前屈状态相比，侧弯状态下颈椎总体稳定性更差。当颈椎椎间盘部分切除后，颈椎在各种运动状态下的稳定性均有明显的下降，且仍以侧弯状态下降较为明显。由此可见，颈椎椎间盘切除术后、颈椎失稳时应避免使颈椎长期处于侧弯状态。
, 百拇医药
3.2 颈椎不稳与颈椎病
颈椎病的发病机制与颈椎动静力学平衡的破坏——颈椎失稳相关。研究表明〔5〕，长期低头姿势(颈椎前屈)是引起颈椎病的重要因素之一。进一步从稳定平衡的角度来看，本研究还发现，在侧弯状态下，颈椎总体位移高于其他几种状态，即侧弯状态下颈椎的平衡能力更差。据此可认为，颈椎侧弯时间过长同样也可累及颈椎的稳定，进而诱发颈椎病。颈椎的运动是三维六个自由度的运动，每一种运动除主运动外，还伴有其它方向的耦合运动。实际上从生物力学的角度也不难发现，长时期低头伏案工作、不良的睡眠姿势或颈部不协调的活动时，其颈椎并非处于单纯的前屈状态，往往还伴有颈椎的侧弯和旋转，即低头动作时常或多或少地伴有偏头的姿势，这种复合状态将使颈椎局部所受应变位移明显增加，从而危及颈椎的动静力学平衡。因此，颈椎病患者不仅应避免长时间处于低头状态(颈椎前屈)，同时也应减少处于偏头状态(颈椎侧弯与旋转)的程度和时间。在颈椎病的防治过程中，要注意引导人们纠正与经常改变职业中的不良体位，减少伏案时头颈部不良习惯的持续时间，同时加强颈部肌群各个方向的等长收缩锻炼，此对维系颈部动力性平衡、防治颈椎病具有重要的作用。
, 百拇医药
参考文献
1 王以进,王介麟.骨科生物力学.人民军医出版社,1989.156-191,232-233.
2 White AA,Panjabi MM.Biomechanical consideration in the surgical management of cervical spondylotic myelopathy.Spine,1988,13:856.
3 侯铁胜,杨维权,于涛,等.椎间盘部分切除术对颈椎运动学影响的实验研究.医用生物力学,1994,9:16.
4 姜宏,施杞,王以进.颈椎失稳临界值和极限强度的测量.医用生物力学,1997,12:224.
5 Pether RR.Cervical spine stabilization.Spine,1991,16:117.
收稿日期：1998-09-02 修回日期：1999-09-13, http://www.100md.com