枕颈部的解剖运动学与损伤力学
第二军医大学附属长征医院200433
第一部分枕颈部局部解剖及运动学
枕颈部指的是围绕枕骨大孔的枕骨、寰椎（第1颈椎）、枢椎（第2颈椎）及其周围韧带等组织共同构成的一解剖功能复合体。这些骨、韧带结构包绕了延髓、延颈髓交界区以及上颈髓。构成这一复合体的骨性结构的异常则会引起神经、血管损害以及脑脊液的动力学改变。一、枕颈部骨骼结构
（一）颅后窝的骨性结构
颅后窝由颞骨岩部和枕骨组成。借枕骨大孔与椎管相通。枕骨大孔，位于颅后窝最低部中央，呈大致卵圆形的结构，前后径大于左右径，枕骨大孔前缘平均厚度为4.8mm，后缘平均厚度为5.4mm。颅后窝最后处是颈静脉结节和枕髁前部，最薄处是枕骨大孔缘。
（二）第1颈椎――寰椎
寰椎无椎体，由前后两骨弓以及两个侧块互相连接成环状。
1.前后弓前弓占寰椎的1/5，为连接两侧侧块的弓形板，向前隆凸，称为前结节，为颈长肌及前纵韧带的附着部。前弓后部有圆形或卵圆形的关节凹，称为齿突关节面，与枢椎的齿突构成关节。后弓与侧块连接处，有一深沟，称为椎动脉沟，有椎动脉和枕下神经通过。前后两弓比较细，与侧块相连处更为脆弱，是力学上的薄弱部，易发生骨折。
2.侧块是寰椎两侧骨质的增厚部分，上面有椭圆形凹形关节面，称上关节凹，与枕骨髁形成枕寰关节具有仰头及伸屈运动功能。侧块下方为圆形凹形关节面，称下关节面，与枢椎上关节面构成关节。侧块内面有一结节为寰横韧带附着部，该韧带把椎孔分为大小不等的两个部分，前方部分容纳齿突，后方容纳脊髓及其被膜。横突大而扁平，不分叉，为肌肉及韧带附着部，并有一大的横突孔。
（三）第2颈椎――枢椎
自椎体向上有柱状突起，称之齿突。齿突长约14～16mm，根部较扁，前后各有一卵圆形关节面，分别与寰椎前弓的齿突关节面及寰椎横韧带相关节。齿突末端较尖，称为齿突尖，为齿尖韧带附着。其两侧分别有翼状韧带附着。枢椎椎弓根短而粗，椎板较厚，棘突粗大，末端分叉。横突短小，不分叉，有一斜形横突孔。
二、枕颈部的韧带与关节
（一）、韧带
1、前纵韧带
起自枕骨的咽结节，向下经寰椎前弓及各椎体的前面。前纵韧带坚固附着于椎体，但疏松附于椎间盘，仅为一层纤维带，较后纵韧带为弱。
2、后纵韧带
位于椎管的前壁，起自枢椎，向上移行为覆膜。后纵韧带较强，分为两层，浅层为覆膜的延续，深层呈齿状，坚固附着于椎体及椎间盘，可以防止其内容物向后突出。
项韧带由颈7棘突向上，棘上韧带移行于项韧带。底部向上，附着于枕外隆凸和枕外嵴；尖向下，附着于寰椎后结节及颈2～7棘突的尖部；后缘游离而肥厚，斜方肌附着其上。
1、寰枕关节
寰枕关节是两个关节的联合关节，由寰椎侧块上面的关节面和枕骨髁构成，它是单纯滑膜关节，有一松弛的关节囊，属椭圆关节。此关节有两个互相垂直的运动轴，在横轴上可以作头的屈伸运动，约45°；在矢状轴上，它可以使头作侧屈运动，但范围很小，也能作旋转运动。
2、寰枢关节
寰枢椎之间有四个关节，包括两个中间的车轴关节及两个侧方的摩动关节，前者即寰椎前弓齿突凹与齿突前关节面之间的关节，以及寰椎横韧带前面与齿突后关节面之间的关节；后者即两侧寰枢椎关节突之间的关节突关节。
寰椎两侧块等大、对称；下关节面等长，近似椭圆形；其长轴与寰椎两侧块弧线平行，并与矢状面呈锐角。寰椎下关节面可呈不规则圆形，两侧亦可不等大。
（1）维持寰枢椎关节稳定的结构
①关节囊两侧各有一个关节囊，连接寰椎侧块的边缘。
②覆膜为后纵韧带向上的延续，略呈扇形附着于枢椎椎体后面，上行于寰椎横韧带和枢椎齿突之后，止于枕骨的斜坡。
③寰椎十字韧带寰椎十字韧带分横部和直部两部分，横部亦称寰椎横韧带，甚为坚强，位于齿突后方，使齿突与寰椎前弓后面齿突凹相接触。寰椎横韧带张于寰椎两侧块内侧小结节之间，在齿突后关节面的浅沟内，犹如一个悬带，使齿突局限于寰椎前弓后面的齿突凹内。横韧带与齿突后关节面之间构成不大的关节腔，可以防止齿突后移压迫脊髓。
寰枢关节形态特殊，在发育上也较复杂，有以下几种异常：a齿突游离；b齿突发育不全；c齿突缺如；d齿突枕骨融合；e寰椎枕骨化。这些异常由于结构不稳固，或由于邻近椎骨的代偿性过度活动，常引起颈椎自发性脱位。
④齿突尖韧带也称为齿突悬韧带，位于寰椎横韧带的深面，连接齿突尖于枕骨大孔前正中缘。⑤翼状韧带翼状韧带是两个坚强的韧带，由齿突的上外侧面向外上，止于两侧枕骨髁的内面。此韧带断面呈圆形，直径约8mm。翼状韧带是重要的节制韧带，有限制头及寰椎在枢椎上旋转及侧方半脱位的作用。一侧翼状韧带被切除后，向两侧的轴向旋转都显著增加，说明只有双侧翼状韧带均保持完整，才能限制轴向旋转、否则仍可发生寰枢关节潜在性旋转不稳。（2）寰枢韧带复合寰枢韧带复合主要部分为寰椎十字韧带，次要部分有齿突尖韧带及翼状韧带等。能限制头及寰椎在枢椎上过度旋转及侧方半脱位。头向右旋转时，左翼状韧带紧张；向左旋转时，右翼状韧带紧张。
枕颈部椎管内容纳高位颈脊髓，在枕骨大孔处与延髓相延续。
1、脊髓的外观形态与结构脊髓位于椎管的中央，呈扁圆柱状，全长约40～45cm，重25～30g。
（1）脊髓的被膜脊髓外面覆盖有三层被膜，具有保护和支持脊髓的作用。外层为坚韧结缔组织形成的硬脊膜，中层透明的薄膜为蛛网膜，内层为紧贴于脊髓表面的软脊膜。
（2）脑脊液
脑脊液是一种透明的水样液，脑脊液总量为100～180ml，脑室内占30～50ml，脊髓蛛网膜下腔约占70～80ml。正常压力为9.33～16kpa。
2、脊髓的内部结构脊髓内部由灰质和白质组成。灰质位于脊髓的中央，由神经细胞体和树状突及神经末梢等构成。白质位于脊髓周围，由神经纤维组成。3、脊髓的感觉与运动传导径路（1）感觉传导径路脊髓的感觉传导束主要有浅感觉传导束、深感觉传导束和本体感觉传导束。（2）运动传导径路
大脑皮层的随意冲动经两个神经元传导。
四、枕颈部血管解剖
（一）椎动脉
起于锁骨下动脉的后上部，上行进入第6颈椎横突孔。椎动脉按位置行程分为4段；第1段（椎前部）自锁骨下动脉起始至进入颈6横突孔前的部分；第2段（椎骨部或横突部）即上行穿各横突孔的部分，其中穿颈6横突孔者为绝大多数。在此段，椎动脉于各椎间孔处发出二小支，内侧小支为脊支，进入椎管，外侧小支为伴颈神经的营养动脉；第3段（寰椎部），位于枕下三角；第4段即颅内部。椎基底动脉供血不全可引起后组脑神经（Ⅸ～Ⅻ）、延髓的锥体交叉及脊髓颈段的病损。舌咽神经传导咽反射的向心性兴奋，与咽的运动有关。
（二）齿突动脉供应
由椎动脉发出的前升动脉、后升动脉和由咽升动脉发出的前水平动脉、后水平动脉供应，这四对动脉在齿突顶吻合成顶弓。前、后升动脉各发一营养动脉于齿突基底部进入齿突内，是齿突的主要动脉。
（三）颈脊髓的血液循环
脊髓的供血较丰富，动脉来源主要有发自椎动脉的脊髓前动脉和脊髓后动脉以及来自节段动脉的椎间动脉脊膜支。
第二部分枕颈部的生物力学及损伤机制
一、枕颈部正常的生物力学
枕颈部具有独特的解剖结构，具有与脊柱其它部位明显不同的生物力学功能。了解该部位生物力学有助于深入理解枕颈部的正常生理功能和疾患的病理改变，为临床深入研究枕颈部病变的诊断和治疗提供可靠的理论依据。
（一）枕颈部运动的测量
三维坐标系统是公认的定义脊柱运动的参考框架。脊柱有两种不同特点的运动形式，即旋转（角度运动）和平移（线性运动）。每种运动通过三维坐标系统中相互关联的X，Y和Z轴加以描述。临床上，把绕X轴的旋转叫作屈伸运动，绕Y轴的旋转叫做轴向旋转，绕Z轴的旋转叫做侧屈；而平移运动在临床上称作半脱位。这两种运动形式（平移和旋转）对于理解脊柱的正常和病理行为是非常重要的。耦合运动是指继发于一个主要运动（旋转和/或平移），并与之同时发生的运动（旋转和/或平移）。例如，寰椎的轴向旋转运动伴有明显的沿Y轴的耦合平移运动。而颈椎的轴向旋转运动伴有侧屈耦合运动。
（二）软韧性评价（生物力学柔韧性实验）
枕颈部生物力学资料来源于一个叫做柔韧性实验的实验方法。在尸体脊柱标本上进行的柔韧性实验，通过X线透视和大体解剖排除病理性改变。通过载荷形变反应来分析刚度（stiffness），柔度（flexibility），运动范围（rangofmotion，ROM），旋转（rotation），平移（translation），中性区（neutralzone，NZ），弹性区（elasticzone，EZ）和旋转轴（axeofrotation）等参数。这些生物力学参数值在每一个椎体水平是不同的，而且各有特点，几个参数综合分析可以判断脊柱的稳定性。柔韧性实验只能在尸体标本上进行，这是实验的局限性。
（三）枕颈部的载荷形变反应
柔韧性实验提供了能描述枕颈部独特运动行为的载荷形变曲线。这些曲线描述了施加载荷与角度位移和线性平移的关系。从曲线中可以提取许多参数进行定性和定量分析。
运动范围（ROM）是指运动的中立位或休息位与生理运动极限位之间的位移。脊柱维持某空间位置时关节承受最小的压力和需要最小的肌张力，称该位置为中立位。中立位位于双侧中性区的中点。中性区（NZ）是运动范围中韧带处于松弛状态和较小的外力产生较大的椎体位移的位置，在载荷形变曲线上是指载荷接近于零的部分。弹性区（EZ）是载荷形变曲线中运动范围边缘的陡峭部分，这时，韧带被拉长，刚度增加，产生对进一步运动的抵抗力。柔度（或刚度）系数在弹性区内测量。将生理运动范围分为中性区和弹性区看上去意义不大。
（四）枕颈部的运动功能学
枕颈部具有三维空间内六个自由度的运动，即沿横轴（X轴）的前屈和后伸；纵轴（Y轴）的顺逆时针旋转；矢状轴（Z轴）的左右侧屈。
枕颈部不同水平运动特点取决于椎体和颅底几何形状，关节面的形状，和韧带的排列。
1.寰枕关节寰枕关节有枕骨髁与寰椎的上关节凹构成。球窝状的寰枕关节相比颈椎的其它水平有较大的屈伸活动，但它在轴向旋转和侧屈运动中有很大的刚性。Panjabi认为寰枕关节的弓形解剖形状决定该关节只能做屈伸运动而不能做旋转运动。寰枕关节的屈曲运动受寰椎前弓和齿突尖骨性结构接触的限制，而伸展运动则受覆膜的制约。寰枕关节的稳定性很大程度上是由其关节面形状提供的，但关节囊的力学性能也是维持该关节稳定的因素。
2.寰枢关节有两组关节控制寰枢关节的运动。一为寰枢外侧关节，近似平面关节，关节面相对水平面有20°的外倾；另一为寰枢正中关节，属车轴关节。这种结构特点允许寰枢关节可以在较大的范围内以齿突为轴心做轴位旋转运动。寰枢关节的稳定性主要由中间以齿突为中心的车轴关节提供，其它结构对寰枢椎稳定性影响居次要地位。寰枢关节是整个脊柱中旋转范围最大的节段，双侧的旋转运动范围可达80°或更大，占整个颈椎旋转运动范围的一半以上，在决定行寰枢融合术时，必须慎重考虑。寰枢关节和寰枕关节的侧屈运动比下颈椎部分要小，均为8°左右。
3.枕颈部的耦合运动（coupledmotion）耦合运动是指继发于主运动并与主运动同时发生的次要运动。例如：寰椎在轴向旋转时伴有明显的沿Y轴的耦合位移运动（沿齿突纵轴上下滑移）；耦合运动形式可以在每一个运动节段测量。耦合运动的方向通常与主运动的方向相反，例如：寰椎向左侧的轴向旋转伴随向右的耦合侧屈运动。
（五）枕颈部的旋转轴（瞬时旋转轴和运动螺旋轴）
瞬时旋转轴是反映脊柱运动行为的一个重要参数，可用来区分正常的与损伤的和稳定功能。瞬时旋转轴可以在脊柱的柔韧性检测中测量，而且仅仅适用于在单一平面旋转时使用该名词，即椎体在一个特定时刻旋转时在一个平面所围绕旋转的点。
脊柱的螺旋运动瞬时轴――瞬时旋转轴的三维空间类似物，是椎体在一个特定时间和空间旋转时所围绕的轴或线（而不是在一个平面的一个点）。
脊柱旋转运动的许多个瞬间的瞬时旋转轴的点或螺旋运动瞬时轴的线的集合能够帮助评价脊柱的稳定性。如果在旋转的同时伴有滑动，这些点或线的分布范围就扩大了。
（六）脊髓的生物力学
脊髓的生物力学特性对其自身有重要的保护作用。脊髓由软脊膜包裹的脊髓为一具有特殊力学特性的结构。去除其周围的神经根、齿状韧带等各种结构，将脊髓悬吊起来，其长度可因其自身重量而延长10%。但此时如企图使其进一步延长，可突然出现非弹性阻力。脊髓的载荷位移曲线有两个明显的不同阶段：第一阶段，很小拉伸力可产生很大的位移；第二阶段，相对较大的力只造成较小的位移。两个阶段之间的转变为突变。与脊髓受压时的不同点在前后二期之间无明显的突变。
二、枕颈部损伤的生物力学
枕颈部复合体（craniovertebraljunction，CVJ）的损伤可以用主要损伤向量（majorinjuringvectors，MIV）这个概念来描述，MIV描述了作用于脊柱损伤部位的最主要的外力和力矩。主要损伤向量是施加于脊柱损伤部位最重要的力和/或力矩（扭矩）的总和，这一概念可以用来描述寰枢复合体的损伤情况。主要损伤向量（MIVs）（A）垂直轴向压缩向量与寰椎Jefferson骨折及枕骨髁的骨折相关；（B）后向轴向压缩应力将导致寰椎后弓椎动脉附近部位骨折；（C）Hangman骨折常与寰椎后弓骨折相伴随，Hangman骨折的损伤向量有一显著的何方向的损伤向量均可导致齿突骨折；（E）横韧带断裂继发于一前向的主要损伤向量；（F）寰椎旋转半脱位是由含有明显旋转应力的主要损伤向量造成的。
（一）翼状韧带损伤
翼状韧带的功能是在脊柱屈伸运动时起稳定作用，限制旋转和侧屈。单侧翼状韧带损伤导致寰枢关节中度的旋转性不稳。这种不稳的依据是颈1～2旋转运动的ROM增大，尤其是NZ明显增大；而EZ和柔度改变不明显。
（二）横韧带损伤
横韧带是脊柱最厚、最坚强的韧带。它是寰椎最有力的稳定因素，将其固定在齿突周围。横韧带断裂后，寰椎可以向前移位超过12mm。由于横韧带损伤将导致颈1～2的极度不稳定，进而发生寰椎向前移位产生对高位颈脊髓的压迫，临床中必须施行颈1～2融合手术。结果表明横韧带断裂后，寰枢关节各方向运动的ROM除后伸外其余均有增大，尤以前屈运动的ROM增加最为明显，临床可表现为寰椎前脱位。
（三）寰枢椎关节囊韧带损伤
颈1～2关节囊韧带损伤后将导致旋转运动时的ROM轻度增大，而对侧屈和伸屈运动几乎不产生影响。大多数的ROM增大主要是由于EZ增大所致。关节囊韧带损伤是寰枢椎旋转性半脱位重要的损伤机制。
（四）齿突骨折
齿突骨折后引起枕颈部不稳的主要原因系寰枢关节的轴向旋转不稳和前移不稳，结果表明，齿突骨折后对寰枕关节的三维运动几无影响，该关节仍保持正常的生理性运动范围，对寰枢关节的影响主要表现为后伸及侧屈运动范围增大，与正常相比均有显著性差异。实验结果提示，齿突骨折导致的寰枢关节不稳主要表现为后伸和侧屈运动，治疗应以恢复齿突的完整性和增加寰枢关节的稳定性为重点。
（五）寰椎骨折的生物力学研究
寰椎损伤的实验室研究证实，典型的寰椎爆裂性骨折是由垂直压缩性损伤引起的。骨折后，颈椎在屈曲、伸展和侧屈运动时的NZ和ROM增大，证明其不稳定，其中屈伸的NZ增加90%，ROM增加44%，侧屈的NZ和ROM增加20％。但旋转运动无明显改变。
（六）枢椎骨折的生物力学
三维有限元研究表明当施加屈曲和牵伸载荷时主要造成Hangerman骨折，当施加向前的剪切载荷时主要造成齿突骨折。这与临床中所观察到的现象是吻合的。
三、手术治疗对枕颈部生物力学稳定性的影响
关于各种颈椎内固定方法的生物力学综合评价也在逐步发展。现针对近年来出现的一些颈椎手术方法，就其生物力学稳定性方面的研究做一介绍。
（一）经口咽部齿突切除对颈椎稳定性的影响脑干腹侧和上颈腹侧的减压会使枕颈结合部失稳。经口行齿突和横韧带切除后，颈1～2旋转运动的ROM增加（主要增加于NZ）。在屈曲、伸展和侧屈运动时，ROM和NZ亦明显增大。研究表明寰椎横韧带加翼状韧带加悬韧带断裂，齿突骨折，齿突切除术后三种情况下分别以Cable和植骨块固定后的生物力学稳定性。结果齿突切除术后失稳最严重，在屈伸状态时尤甚；齿突骨折比韧带断裂的角度位移大。这些变化集中在颈1～2，颈0～1比颈1～2所受的影响小。
经口咽部齿突切除后，将导致寰椎非限制性运动范围的增大。寰椎平移运动显著增大，尤其在前后方向上。寰枢椎旋转运动的IAR从一个受限的、集中的分布将变成一个非限制性的、移动的、广泛自由的分布形式。如果术后不稳持续发展，必须考虑行融合或内固定手术。
（二）齿突螺钉
将1枚或者2枚螺钉通过枢椎椎体进入齿突，用于治疗不稳定的Ⅱ型或接近基底部的Ⅲ型齿突骨折。不少学者提倡使用2枚螺钉，认为2枚螺钉能够提供更坚强的稳定性，尤其具有更好的抗旋转稳定性。但是，通过Ⅱ型齿突骨折的实验模型研究发现，用单枚或者双枚螺钉固定，在生物力学稳定性上并没有显著差别。齿突螺钉内固定术不能建立寰枢关节的即刻稳定，只有在达到满意的骨性愈合之后才能获得持久的稳定性。研究表明国人齿突难以容纳2枚直径3.0mm或3.5mm的螺钉，以单枚螺钉固定为宜，直径控制在4.0～4.5mm。加压螺钉内固定治疗后，仅能提供50%正常状态下的稳定性，亦需适宜的外固定。
（三）前路钢板
经口咽齿突切除术的减压效果好于后路减压，但经口咽齿突切除术后CVJ的稳定性下降明显。Kandziora等比较了完整CVJ，齿突切除加寰椎横韧带切除，前路Harms钢板，关节下寰枢椎钢板（subarticularatlasaxisplate，SAAP），经椎弓根寰枢椎钢板（transpedicleatlasaxisplate，TAAP），关节下寰枢椎带锁钢板（subarticularatlasaxislockingplate，SAALP）的稳定性，结果发现SAALP的固定效果最佳，建议前路齿突切除术后用SAALP施行内固定，以确保植骨融合。Harms钢板加Brooks法与Magerl经关节螺钉的效果类似。
（四）颈1～2钢丝和钛缆（cable）技术
研究表明单根钢丝技术可以使不稳定的脊柱减少活动度，但仍保留一定程度的关节运动。在临床上，为使移植骨块更好地与颈椎贴合，常用的钢丝技术包括：弓间植骨cable固定法、改良的Brooks法、Gallie法。疲劳试验证明，弓间植骨cable固定法和改良的Brooks法提供相似的稳定作用；两者所提供的稳定作用均较Gallie法为坚强。
（五）颈1～2经关节螺钉内固定
颈1～2经关节螺钉经过寰枢关节面打入，几乎可以完全限制颈1～2的运动功能，均被这二枚螺钉限制。一些离体的生物力学实验证明，颈1～2经关节螺钉明显坚固于Halifax夹和钢丝技术。该技术似乎是固定颈1～2关节最为有效的方法之一。坚强固定是最大程度地提高颈1～2融合率的重要技术之一，因为该关节的不稳定将会导致明显的平移和旋转运动的不稳定。寰枢椎经关节螺钉固定（Magerl法）、Magerl法加Gallie法钢丝固定、Magerl法加Brooks法钢丝固定、单纯Gallie法钢丝固定、单纯Brooks法钢丝固定、Halifax椎板夹固定等。结果Magerl法的扭转力矩为6.59±1.34Nm，大于其它单一后路固定技术。结论表明Magerl法寰枢椎经关节螺钉固定较其它常见的后路固定术在抗扭转方面有明显的优势，可以单独应用，联合Gallie法钢丝固定没有特殊必要性。
（六）枢椎椎弓根螺钉
Puttlitz等应用三维有限元模型比较了枢椎椎弓根螺钉固定与颈1～2经关节螺钉固定的力学效果，结果显示枢椎椎弓根螺钉与颈1～2经关节螺钉的固定效果近似。
（七）枕颈融合
比较了钢板，Y形钢板，矩形Luque环在枕颈融合中的作用，实验表明AXiS钢板和Y形钢板二者区别不大，二者在压缩和屈曲载荷时与Luque环的差别也不大，但在仰伸载荷时比Luque环稳定性要好，因而认为现代的钢板较传统的Luque环有力学上的优越性。HR环固定组颈0～3节段的前屈、后伸、轴向旋转和侧屈的ROM分别为5.6°、5.4°、10.9°、6.3°，比后路钢丝组分别缩小84.5%、113.5%、162.0%、179.0%，比枕颈钢板组分别缩小161.0%、76.2%、129.9%、93.9%。研究结论表明HR环固定能够较有效地恢复枕颈部即时稳定性，是枕颈融合术中较可靠的内固定方法。
四、颈部支具作用的生物力学评价
颈部支具可以承载负荷，以减少外部负荷对颈椎的作用，通过限制颈椎及其周围肌肉的运动而起作用，主要用于颈椎损伤时以及融合过程中的制动。不同支具控制颈椎活动的能力不同，生物力学效应是选择支具作为制动工具的首要考虑因素。Halo支具在所有颈部支具中限制颈椎活动作用最强，可以限制颈椎各种方向活动度的95％以上。制动效果最差的是软式围领（如费城围领），其制动效果与绷带对四肢关节的制动作用类似。颌胸石膏、头颈胸石膏对控制颈椎屈曲、伸展、侧屈以及旋转运动的稳定作用介于上述两者之间。
