第 28 章：颈椎活动过程中的受力分析（Analysis of the Forces on the Cervical Spine during Activity）
28.1 颈椎载荷的二维分析
颈椎是临床上颈肩疼痛与僵硬的高发部位，而颈椎的病理学改变也常常在上肢产生症状。尽管这些不适的病因通常并不明确，但施加于脊柱的机械性应力常常被认为与症状相关。了解挥鞭伤时颈椎所承受机械载荷的性质，对于理解这类损伤的机制同样重要。冲击性载荷对颈椎的影响则往往带来灾难性的后果，包括四肢瘫痪。因此，量化颈椎所承受的载荷有助于医务人员优化治疗方案、制定更有效的预防策略。本章的目的就是考察颈椎承受载荷的能力，具体目标有三个：用二维算例估算颈椎所受的载荷；考察颈椎在静载荷下失效前所能承受的最大载荷；讨论冲击与挥鞭伤中动载荷条件下的损伤机制。
正常的直立姿势下，颈椎呈前凸的弧形，使得寰枕关节（AO 关节）位于颈胸交界（C7–T1）的前方。由于头部的质心位于 AO 关节的前方，因此头部在 AO 关节与 C7–T1 关节处都会产生一个屈曲力矩。许多读者对此都有直觉经验：坐着打瞌睡时伸肌一旦放松，头就会向前栽倒。作者用二维分析来确定直立姿势下枕骨的关节反作用力。维持头部直立所需的伸展力矩由伸肌群提供，可以用一个总的伸展力 E 来代表。自由体图显示，头部重量的力臂大约是伸肌力臂的一半，因此肌肉在力学上是有利位置。在枕骨处，伸肌力大约为 19 N（4.3 lb），约为头部重量的一半；而维持头部直立所需的枕骨关节反作用力大约为 46 N（10.3 lb），约为头部重量的 1.2 倍。
接着作者又用类似的二维分析计算了 C7–T1 关节处维持头部直立所需的伸肌力。结果表明所需的伸肌力约为 75 N（17 lb），C7 上的关节反作用力为 112 N（25 lb）。该结果说明在 C7–T1 关节处伸肌力与椎体所承受的载荷都比 AO 关节处更大。这一差异与 C7–T1 关节相对于头部质心的位置有关：与 AO 关节处相反，C7–T1 关节处头部重量的力臂是伸肌力臂的两倍，使得肌肉在力学上处于不利位置；为维持头部位置，肌肉必须施加更大的力，相应的关节反作用力也随之增大。这两段分析结果至多只能是对直立姿势下颈椎结构所受载荷的近似估计——分析只在二维平面内进行，并使用了"只有一组肌肉活动"和"瞬时旋转中心固定于一点"等简化假设。尽管只是估算值，但这些结果为认识颈椎所承受的载荷以及考察姿势改变对载荷的影响提供了一种思路。
作者插入了一段"临床相关性"提示：颈椎间盘退变非常常见，有研究报道在 60 岁以上、无症状人群中超过 80% 的颈椎间盘存在退变。退变在下颈椎区域明显多于上颈椎区域。导致这种分布差异的因素之一可能就是两个区域日常所承受的载荷量级不同。许多活动都需要头颈屈曲，可能造成颈椎载荷增加，重新设计工作场所以减少头颈屈曲或许有助于预防颈椎间盘退变。下颈段所受的载荷在异常头部对线（例如前伸头位）情况下也会增加——头位越靠前，C7–T1 关节处头重的力臂就越大，屈曲力矩也越大。减少前伸头位的干预措施对预防间盘退变以及治疗颈椎间盘退变引起的症状可能都有意义。
28.2 颈椎的静载荷
研究颈椎载荷的文献既考察外加载荷或肌肉收缩造成的静力，也考察挥鞭伤与冲击伤中动载荷施加的情况。这两类载荷都提供临床相关的信息：脊柱的退变可能受到静载荷与动载荷的双重影响，而颈椎与脊髓的灾难性损伤通常由动载荷引起。颈椎极为灵活，使个体能够轻松精确地把头部定位以优化视觉、听觉、嗅觉等感官功能。在中性位置附近做小幅度的头部运动所需的肌肉力很小。颈椎的"中性区"（neutral zone）描述了在中性位置周围、无需被动阻力即可完成的运动弧。在中性区范围内，骨、间盘与软组织对颈椎复合体所提供的刚度很小。中性区的范围因运动平面而异：屈伸方向约为 10°，侧屈方向小于 10°，旋转方向约为 35°。中颈段（C2–C5）刚度更高、活动度更小，而上、下颈段的活动度更大。与胸椎、腰椎相比，颈椎刚度较低，产生同样运动所用的肌肉力也较少。
模拟颈椎旋转的生物力学模型同样表明：中性区内无阻抗的轴向旋转对椎体的加载很小，所需要的肌肉力也很小；但轴向旋转接近 35° 时，颈椎承受的压缩力约为 100 N（22.5 lb），肌肉力矩约为 2 Nm。这是因为被动阻力随着旋转角度增加而增大；同时为了在运动过程中维持头部直立，颈部两侧的肌肉会发生共收缩，由此造成显著的压缩载荷。更剧烈的收缩情形也有文献报道：使用 14 对肌肉的模型在 C4–C5 关节上模拟最大等长收缩，平均压缩载荷在等长伸展时达到 1160 N（261 lb），在侧屈与旋转时超过 750 N（169 lb）。
颈椎间盘内压也是反映颈椎载荷的另一项指标。七具人尸体颈椎测得 C3–C4、C5–C6 椎间盘在轴向旋转时平均压力为 0.16 MPa，在屈伸时为 0.32 MPa。这些测量基于不超过 0.5 Nm 的弯矩与 10 N 的压缩载荷（不到头重）。基于颈椎数学模型的报告也给出了相近的间盘内压；模拟三对肌肉共收缩可使间盘内压增加约 10%–400%，其中屈伸与侧屈时增幅最大。这一压力增加与共收缩模拟中压缩载荷的增加一致。把颈椎间盘内压与髋关节负重时的 4.0–6.0 MPa、肘关节剧烈伸展时的 2.3–3.6 MPa 比较，可以看出颈椎间盘的内压虽然不如髋、肘那么高，但绝对值依然可观——尽管它只需要承载头部的重量。
颈椎所能承受的静载荷上限：组织的失效强度是组织仍能正常发挥功能所能承受的最大载荷。骨以骨折形式失效，韧带和肌肉以撕裂形式失效。尽管前文报告的颈椎载荷远低于颈椎的失效强度，但反复或持续的加载仍可能在颈椎间盘退变与小关节关节炎性改变中扮演重要角色。在直立姿势下，载荷大多经由椎间盘传递，颈椎屈曲会增加间盘所承受的载荷，而颈椎后伸会减小间盘所承受的载荷、同时增加小关节所承受的载荷。当头部从中性位置小幅运动时，颈椎只会产生很小的载荷；运动幅度越大，椎体与间盘所承受的载荷就越大。要把颈椎日常承受的载荷放在一个合适的参考系中，需要与颈椎的失效载荷进行比较。大多数颈椎失效强度的数据来自尸体标本的力学测试，因此并不能完全代表完整活体颈椎的生理反应；但这些数据仍有助于理解日常活动中颈椎承受的载荷与脊柱理论失效点之间的关系。
颈椎在静载荷下的失效强度通常反映颈椎在屈、伸方向、是否附加压缩载荷情况下抵抗弯曲的能力。颈椎失效时表现为椎体骨折、间盘破裂或韧带与肌肉撕裂，从而颈椎失去支撑或运动头部的能力。由于加载模式与所测试的颈椎节段各不相同，不同研究之间难以直接比较。文献报告颈椎中段在约 7 Nm 的屈曲力矩下发生失效；在下颈段，附加 2000 N 压缩载荷的情况下，失效发生在 12 Nm 的屈曲力矩处。Nightingale 等人报告在枕骨到 C2 这一上颈段，屈曲下平均失效力矩为 24 Nm，后伸下为 43 Nm。另一项研究则报告整个头–颈复合体在约 2000 N 的载荷下失效。把屈伸与旋转联合加载时，颈椎的刚度增加、失效力矩也高于单纯屈曲；但联合屈曲与旋转条件下发生失效时，组织损伤的程度更大。颈椎的失效力矩低于腰椎的报告值。这些数据表明颈椎在主动运动中所承受的载荷远低于颈椎静载荷的极限。值得注意的是，肘关节在驱动轮椅前进时大约承受 12 Nm 的力矩。
28.3 颈椎的动力学载荷
健康个体的颈椎失效通常由高速动载荷引起。加载速率会影响骨与结缔组织的力学性质。和静载荷研究一样，颈椎动载荷响应研究的加载速率、加载模式、节段选择以及加载时的体位各不相同。尽管存在这些差异，现有数据仍提示颈椎的刚度与失效前所能承受的载荷都随加载速率的增加而增大，体现了颈椎的黏弹性行为。冲击加载的研究对理解最常导致脊髓损伤的事件非常有价值。挥鞭伤等颈椎的加速度损伤也很常见，往往源自机动车事故。虽然挥鞭伤很少造成冲击伤那样的灾难性后果，但发生率极高，无论从身体上还是经济上代价都非常沉重。
冲击加载下的颈椎：大多数颈椎的灾难性损伤发生在头部与相对固定物体之间的高速碰撞，比如橄榄球球员用头冲撞对方，或者游泳者的头撞到岩石或泳池底。头部以高速运动后突然停止，冲击力的量级非常大。回顾牛顿第二定律 ΣF=ma，从高速到零速度所需的减速度会产生巨大的减速力。Burstein 给出过一个例子：一名速度 5 m/s 的橄榄球球员与另一名球员相撞时，平均减速度约为 415 m/s²（重力加速度约为 9.8 m/s²），平均冲击力约为 2000 N（450 lb）。临床上值得关注的是，橄榄球职业球员在头盔对头盔的撞击中颈部所承受的压缩力可超过 5000 N（约 1125 lb），这就是所谓的"spearing"（以头盔顶冲撞对方）。职业球员颈部肌肉力量超群，是其能在这种冲击下免于灾难性损伤的重要原因；但颈部力量较弱的球员难以安全承受这样的冲击。这些数据再次强调父母、教练与裁判执行"禁止 spearing"规则的必要性。
头部一旦停下来，身体的其余部分仍会继续朝头部运动，因此整个身体的质量都会对颈椎施加载荷，使颈椎产生进一步的变形。研究显示若头部能够从躯干前方"让开"路径，则颈椎或许能在冲击中幸存、避免明显损伤。对这类碰撞力学与所导致损伤的研究催生了游泳池设计的国家标准以及橄榄球头盔等运动装备的改进。理解颈椎失效机制有助于临床工作者更好地参与公众教育与装备设计以预防此类事故。冲击力的着力点相对于颈椎关节的位置不同，会在颈椎上产生不同的载荷形式：可以是沿轴向的压缩，也可以是屈曲或伸展方向的力矩。研究显示，头部以相似甚至更慢的速度撞击更硬的物体时，冲击力介于 2000–11000 N（450–2472 lb），颈部弯矩介于 40–150 Nm。这种量级的载荷与力矩会对颈椎的骨、韧带、间盘以及容纳其中的脊髓造成弥漫性、灾难性的破坏。冲击事故致病机理中另一个重要因素是头部撞击物体后身体仍持续运动——撞击的瞬间身体仍以接近头部的速度运动。
加速度损伤下的颈椎：冲击伤是颈椎灾难性损伤的主要原因，但最常见的颈椎创伤却是挥鞭伤。挥鞭伤很少造成灾难性后果，却带来大量痛苦、误工损失与医疗支出。和冲击伤一样，挥鞭事故中颈椎损伤的主要诱因同样是头颈受到的加速度以及躯干持续向头颈方向运动。在一辆静止车辆被后方撞击的事故中，车辆与其内物品都被向前加速；如果驾驶员由腰–肩安全带固定在座椅上，驾驶员会随车一起向前加速。但柔韧的颈椎允许头部相对躯干滞后，产生颈椎过伸，牵拉颈部前侧结构、并对后侧结构造成压缩载荷。几乎同时，乘客的躯干会向上抬向头部，对下颈段施加压缩载荷。反之，当车辆正面撞击不可移动物体时，车辆猛然停下，但相对灵活的头颈会继续向前加速。高速冲击可能引起头颈的反弹运动，最终才停下来，从而对颈椎造成弥漫性损伤。
在相对低速（8 km/h，约 5 mph）的追尾撞击研究中，头–颈复合体的加速度可高达 13 倍重力加速度，伸展力矩约为 30 Nm。前方或后方撞击对颈椎结构影响的研究结论并不一致，但多数证据显示即使在低速撞击下，韧带与肌肉也可能出现超出正常范围的变形，椎间盘内压升高，小关节载荷增加。尸体标本的实验提供了椎间盘内应变（长度变化百分比）超出生理耐受范围、椎间孔在撞击后过度狭窄的证据。撞击时头部处于旋转位的个体还存在翼状韧带、齿突尖韧带与横韧带撕裂的证据。这些解剖学上的变化与许多个体在机动车事故之后出现头痛、颈痛与根性痛（疼痛放射到手臂）的主诉相一致。肩–腰安全带联合约束系统加上位置合理的头枕可以减少头部与车内刚性物体的碰撞，并限制头颈相对静止身体的位移幅度，从而减轻挥鞭伤中的软组织损伤。健康从业者经常治疗机动车事故造成的疼痛与功能障碍，最常见的就是挥鞭伤。并非所有前、后方撞击事故的当事人都会报告颈部疼痛，部分医务工作者因而倾向于忽视这些主诉，但生物力学数据表明条件合适时小碰擦也可以造成显著损伤。异常的头部姿势会增大这种机动车事故中的颈部损伤风险。女性在低速撞击下表现出更大的颈椎活动度与更高的头部加速度，这或许有助于解释为何女性的挥鞭伤发生率更高。另一类常见的颈椎加速度损伤是前排安全气囊展开，气囊以爆发力冲击乘客面部与头部迫使颈部过伸。由于儿童与身材较小的成年人头部相对于气囊的位置，这类伤害在儿童与小个成年人中尤其多发。与挥鞭伤不同，气囊展开造成的损伤通常涉及上颈段——尽管上颈段在后伸方向的强度大于中段与下段。这些数据进一步强调让儿童在达到规定身高之前坐在后排的必要性。
28.4 小结
本章用简单的二维分析给出了直立持头位下上、下颈椎的受力估计。分析显示上、下颈椎处颈伸肌的力学优势存在差异：在直立姿势下，AO 关节处的载荷约为头重的 1.2 倍，C7–T1 关节处约为头重的 3 倍。头颈一旦超出中性区，颈椎上的载荷就增加；前屈时 C7–T1 关节上的载荷可达 50 lb 以上。然而，颈椎区域典型运动下所产生的载荷都远低于使其失效的水平。本章还讨论了动载荷下颈椎区域损伤的力学机制。颈椎的损伤通常涉及大幅加速度，由此对颈椎产生非常大的力与力矩，造成显著的软组织与骨组织损伤。理解这类损伤的力学机制有助于临床工作者参与预防策略的制定，并有望带来更有效的治疗方案。
本章个人批注
这一章是第二十六章"骨与关节结构与功能"、第二十七章"颈部肌肉的力学与病理力学"的直接延续——前两章给结构与肌肉，本章给"载荷"。我读完最直观的印象是：颈椎对线的前后位置（AO 与 C7–T1 的相对位置）几乎决定了所有的载荷数字：只要头部质心在 AO 前方，AO 关节就一定会有屈曲力矩；而 C7–T1 关节处由于伸肌力臂仅为头重力臂的一半，载荷要显著放大。作者用一份"约 1.2 倍头重 vs. 约 3 倍头重"的对比就把"前凸对线 + 肌肉力臂差异"这一力学主题说清楚了。临床上反复强调的"前伸头位加重颈椎间盘退变"也由此获得一个非常直观的力学解释——头越靠前，C7–T1 的屈曲力矩越大，下颈段的间盘与小关节就承受更多载荷。
但我也注意到一点局限：作者所有的二维分析都把伸肌当作"一组总力 E"，忽略了多关节肌的力臂在不同节段上的差异以及协同收缩的影响。这正是后文 Multiple Muscle Force Simulation（Bernhardt 1999）、Snijders 1991 的二维生物力学模型、Goel 1998 有限元模型等所试图逼近真实情况的努力。从单纯力矩平衡走到考虑多肌肉共收缩、内在压力测量，再到黏弹性加载实验，整章的方法论轨迹其实非常清晰：先抓主项、再补细节、最后考察失效。
关于动载荷部分，给我印象最深的是 Burstein 关于橄榄球撞击的例子——5 m/s 速度对应 415 m/s² 减速度、2000 N 冲击力——这一组数字非常直观地把牛顿第二定律在体育场景里"立"了起来。后续关于 spearing、安全气囊、追尾挥鞭伤的临床相关性小框则反复在传递同一个信息：灾难性颈椎损伤的预防依赖于工程标准、规则执行以及日常姿势管理三者的协同作用。
与上下章的衔接（一段话）
本章在书中的位置紧接第二十七章"颈部肌肉的力学与病理力学"，是该书第三部分"头与脊柱的肌动学"中收尾的一章。第二十六、二十七章分别介绍了颈椎骨与关节的结构功能以及颈部肌肉的力学，作者在这一章把这些基础结构与肌肉摆在具体的载荷情境下：从静态直立、到中性区运动、再到最大等长收缩，最后到冲击与挥鞭这类动载荷情境，是把前两章的"结构 + 肌肉"语境落实到"数字与失效"上。书的前几部分大多关注四肢，本部分却系统地转向头颈，本章之后则是第三部分的总结以及后续关于 TMJ 与颞下颌等内容——也就是说本章是把头颈运动链的力学综合起来的关键收束。