颈椎的运动与脊髓的生物力学的关系

脊髓位于椎管内，其表面有软脊膜包裹并借齿状韧带悬于充满脑脊液的蛛网膜下隙中。脊髓上连延髓，下有终丝固定，两侧有神经根附着，其生物力学也有特殊性。

1.颈椎运动与脊髓形态的关系　脊柱生理性伸屈和侧弯时，骨性椎管的长度随之改变。颈、胸、腰椎管在屈位时伸长，而伸位时缩短。屈位与中立位比较，椎管中线的长度增加，椎管前壁的长度也稍有增加，而椎管后壁增加最多。伸位时椎管前壁、中线和后壁均缩短，但椎管后壁短缩最明显。尤其在颈椎，这种变化更为明显，伸屈位椎管后壁竟相差40mm，达椎管全长的40%。椎管长度的变化总是伴有脊髓的相应变化，脊髓的折叠与展开机制可满足脊柱从伸到屈位所需长度的70%～75%，其余的25%～30%，即生理活动的极限部分则由脊髓组织本身的弹性变形来完成。脊髓长度改变的同时伴有其截面积的变化，其截面在伸位时增大，屈位时变小。颈椎由全屈转为全伸位时，脊髓截面从接近圆形变为椭圆形。屈头颈时可伴脊髓被牵拉延长，以颈3－6脊髓节段最明显，平均可延长原长度的10.6%。随头颅屈曲度增加，脊髓在矢状位向后移动所需力量也明显增大。

2.脊髓本身的延伸性　脊髓无软脊膜包裹时其特性犹如半流体性黏聚体，而包裹软脊膜的脊髓为一具有特殊力学特性的结构，它和脑组织一样具有可测量的弹性。脊髓本身属于低弹性模量，而其连同软脊膜及齿状韧带则具有较大的弹性模量。新鲜尸体脊髓的研究表明，当去除其周围的神经根、齿状韧带，将带有软脊膜的脊髓向上端垂直悬吊起来时，其长度可因自身重量延长10%，但此时如试图使其进一步变形，则突然出现非弹性阻力。即脊髓的载荷－长度曲线有明显不同的两个阶段：初始阶段，很小的载荷［0.01mol／L（N）］，即可产生大的变形；第二阶段，相对较大的载荷只产生较小的变形，其破坏载荷高达20～30mol／L（N），脊髓受压时，开始很小的力即可形成明显的缩短变形，其后弹性阻力增加，直到塌陷。与拉应力不同点是前后两期之间无明显突变。脊髓的这种力学特性与其结构特点和组织学特征是分不开的。初始阶段的伸缩性是脊髓具有手风琴样结构特点所形成，脊髓可在很小的外力作用下折叠或展开，而第二阶段代表了脊髓的组织学特点，此时脊髓的展开或折叠已达极限，由脊髓内承受张应力。横断的脊髓可部分回缩，说明脊髓本身具有内在的张力。脊髓的载荷－应变曲线的初始部分代表了脊髓的弹性区域，去除载荷后，脊髓可借其弹性恢复原状，长度增加与载荷成比例。脊髓的载荷－长度曲线的非线性区域的前部是非线性弹性区，即去除载荷后，脊髓不能完全恢复其原有状态。载荷进一步增大，去除载荷后，脊髓则呈不可逆的变形，长度亦明显增大。

3.脊髓周围软组织的保护作用　脊髓借齿状韧带悬挂于硬膜囊内，齿状韧带对脊髓具有支持和限定作用。脊柱在完全屈位时，脊髓、齿状韧带和神经根均处于生理牵张状态。由于齿状韧带向下倾斜，韧带上的张力对脊髓的轴线可分解为两个分力。轴向分力与脊髓所承受的张力相平衡而有助于减少脊髓的受拉，成对的横向分力则相互平衡保持脊髓位于椎管的中线处。齿状韧带和神经根及脑脊液均具有最大限度的防止脊髓与骨性椎管的碰撞和减震作用。

齿状韧带具有一定弹性，其载荷－长度曲线可分为两部分。载荷较小时，延长相对较明显；而载荷达一定程度后，其相对延长较少直到断裂。软脊膜包裹脊髓使其具有固定的解剖形态，软脊膜的载荷－长度曲线则与齿状韧带相反，加载小时长度变化亦小，加载增大到一定程度则可迅速延长。硬脊膜弹性模量较大，而且可依部位不同有所差异，颈段硬脊膜弹性模量小于腰段，硬脊膜断裂应力约每平方毫米18mol／L（N），相当于拉伸原长度的34%。屈颈时伴硬脊膜囊长度的变化，其在颈2－5最明显，硬脊膜囊后壁长度增加10%～15%。脑脊液和椎管内的有效间隙亦随之增加和减少。硬脊膜外脂肪通过缓冲和吸收外力对脊髓具有保护作用（图1-46）。

图1-46　颈椎伸屈时椎管内有效间隙的改变
（1）前屈时，椎管内有效间隙增加；（2）后伸时，椎管内有效间隙缩小

4.脊髓的生物力学　脊髓受骨性椎管及其周围软组织的保护和支持。无软脊膜包裹的脊髓如半流体性黏聚体，包裹软脊膜的脊髓则具有特殊的力学特性。脊髓本身弹性模量较低，当其连同软脊膜及齿状韧带时弹性模量明显增大。脊髓本身的重量可使其长度拉长10%，超过这个限度则突然出现非弹性阻力，并导致脊髓变形或断裂。脊髓的载荷－长度曲线有明显不同的两个阶段：初始阶段很小的载荷（＜0.01mol／L（N））即可产生明显的变形，第二阶段则相对大的载荷只产生较小的变形，其破坏载荷高达20～30mol／L（N）。脊髓受压时，开始很小的力即可形成明显的压缩变形，其后脊髓的弹性阻力增加，直到脊髓被压塌陷。脊髓的两个阶段之间无明显突变，这种力学特性与其结构及组织学特点有关。脊髓本身具有明显的内在张力。颈椎生理性伸屈和侧弯时，骨性椎管的长度随之改变，椎管长度的改变又总是伴有脊髓的相应改变。脊髓的折叠与展开功能足以满足从脊柱完全伸直到完全屈曲所需要的70%～75%的长度变化，其余的25%～30%由脊髓组织本身的弹性变形来完成。脊髓长度改变的同时伴有其截面积的变化，颈椎由全屈到全伸时，脊髓截面积由小到大，从接近圆形变为椭圆形。