颈椎畸形的生物力学、放射学参数和分类

颈椎的基本功能包括从颅骨传递轴向负荷，保持水平凝视，允许正常的头颈活动，以及保护脊髓、神经根和椎动脉等重要的神经血管结构。健康而且功能正常的颈椎是进行日常生活活动的基础，对维持良好的生活质量至关重要。然而，颈椎畸形会严重限制颈部的正常功能，引起疼痛、脊髓病、神经根病、感觉运动障碍以及在严重情况下无法保持水平凝视而对生活质量产生显著的负面影响。

颈椎畸形最常见的形式是颈椎后凸畸形；患者常有颈部疼痛，也可能引起脊髓病。由于脊髓前角运动神经元的受压和来自过度伸展引起脊髓灌注减少从而导致感觉运动功能的缺失。如果后凸畸形严重，如胸部--下巴畸形（chin-on-chestdeformity），头部下垂综合征（droppedheadsyndrome）等，患者在吞咽和保持水平凝视时可能出现明显的困难。有症状的患者通常需要手术治疗。颈椎畸形手术的目标，包括矫正畸形、恢复水平凝视、必要时作运动神经元减压以及固定关节维持手术矫正和脊柱排列状况，避免并发症。

手术入路，包括前路、后路和前后路联合入路等。手术技术包括颈椎前路椎间盘切除术和融合术、颈椎前路椎体切除术、前截骨术、Smith-Petersen截骨术、椎弓根截骨术（PSO）或上述几种技术的组合。无论使用哪种特定的手术方法，全面了解脊柱生物力学，彻底的术前神经系统检查，术前影像资料的详细审阅以及仔细的手术计划和采用显微外科技术对于确保最佳临床效果至关重要。确定最佳临床效果的正确方法具有挑战性并经常引起争议。

美国纽约哥伦比亚大学医学中心的LeeA.Tan等发表一系列综述，讨论颈椎畸形的概述：第1部分：生物力学，放射学参数和分类；第2部分：治疗方法和前端技术；第3部分：后续技术、临床结果和避免并发症。第一部分内容发表于2017年8月的《Neurosurgery》杂志上。

生物力学：
颈椎是一种具有6个活动自由度的机械承重结构。其活动主要包括屈曲、伸展、轴向旋转、侧向弯曲以及沿笛卡尔坐标的少量耦合的向前或后平移活动（图1）。颈椎能够以相对小的力在中立区（neutralzone）内移动，此时椎旁肌仅需要非常少的能量消耗。然而，超出中立区的额外运动需要作更大的努力克服来自软组织的弹力，该区称为弹性区（elasticzone）。活动的中立区和弹性区的综合就是总活动范围（rangeofmotion，ROM）。中立区或ROM的异常扩大可能提示韧带损伤或脊柱不稳定。

图1.颈椎的活动自由度。

颈椎的生理ROM大约是屈曲90°、伸展70°、侧弯20°～45°的以及每侧最多旋转90°。寰枕关节是一个由枕髁的凸关节面与C1的向上凹关节面组成的强滑膜关节。它们形成一个通过强力关节囊维护的“球窝”关节。这种结构允许很大程度的屈曲/伸展，但侧向弯曲或轴向旋转时的移动很少。寰枢关节包括4个滑膜关节面，即位于C1的前弓和齿状突、齿状突和横韧带以及成对的C1-2小关节之间。与寰枕关节相反，寰枢关节允许较大幅度的轴向旋转，但屈曲/伸展和侧向弯曲有限。寰椎和轴面上的关节软骨均为凸面，因此是一个充满纤维脂肪体的“双凸”关节。在中立位置，两个关节面的顶点相互靠在一起。当发生旋转时，C1下关节面在同侧向上的C2上关节面的上方向下滑动，并在对侧的C2上关节面上方向前滑动以完成平滑的旋转运动。两个椎骨节段之间最大的活动是寰枢关节处的轴向旋转，中立区（29.6°）占该活动的75%。下颈椎（C3-7）负责颈椎的剩余ROM。

有几个基本的物理参数决定颈椎的生物力学特性，包括质量（m）、力（F）、标准重力（g）、力矩臂（L）、弯矩（M）和瞬时旋转轴（IAR）。在直立位置时，头部在颈椎上施加重力，其大小为F=m×g。该重力在旋转支点周围产生向前弯矩（M），也称为IAR。弯矩M的大小=F×L计算，其中L是IAR和重心线之间的距离。

正常脊柱的前凸颈椎中，后张力带和椎旁肌对抗来自头部重量产生的向前弯曲活动，从而保持自然的颈椎对齐（图2）。来自颅骨的轴向负荷最初从枕骨髁转移到C1侧块，然后转移到C1-2小关节和C2侧块，再通过C2-3椎间盘和小关节分布到脊柱的其余部分。颈椎小关节承受约2/3的轴向负荷，而剩余的1/3的轴向负荷通过椎间盘传递。


图2.侧位脊柱全长片。

颈椎后凸畸形患者，头部重心（centerofmass，COM）向前移动，并且活动力矩臂L相对于IAR增加，从而产生更大的弯矩M，由此而发生弯曲力矩需要更大的椎旁肌肉收缩以保持头部挺直，这反过来导致肌肉疲劳和疼痛。此外，颈椎后凸畸形会使轴向负荷向前移动，从而加速颈椎间盘退变。椎间盘高度的下降导致颈椎后凸畸形加重，产生“脊柱后凸会引起脊柱后凸”的观念。此外，脊柱后凸畸形还可引起脊髓拉伸和延长、张力增加和微循环受损，最终发生脊髓缺血和脊髓病。但并非所有的脊柱后凸畸形患者都有症状。据估计，在2%～35%的无症状患者中可发现颈椎后凸。

放射学参数：
几种常用于评估颈椎的影像学参数包括，颈椎前凸曲度（cervicallordosis，CL）、C2-7矢状面轴向垂线（sagittalverticalaxis，C2-7SVA）、下颌眉垂直角（chin-browverticalangle，CBVA）、T1斜率（T1slope，T1S）、胸廓入口角度（thoracicinletangle，TIA）和颈部倾斜。

CL：
目前所谓的“正常CL”没有可普遍接受的定义。按照惯例，脊柱前凸对齐通常报告为负角度，而后凸对齐通常报告为正角度。测量CL的4种最常用的方法包括，改良的Cobb方法（modifiedCobbmethod，mCM）、Jackson生理应力线（Jacksonphysiologicalstresslines，JPS）、Harrison后切线方法（Harrison’sposteriortangentmethod，HPT）和Ishihara指数（图3）。


图3.颈椎侧位片上4种常用的前凸测量方法。

mCM法测量CL时，首先沿C2和C7椎体底边绘制2条线，然后分别绘制前2条线的垂直线，此垂直线所交的角为CL。目前，大多数现代数字成像软件具有内置的测量脊柱前凸的功能。JPS法，分别沿C2和C7椎体后边画一条线，两条线所交的角即CL的估计值。HPT法是分别从C2到C7颈椎椎体后边绘制平行线，形成多节段相交的夹角，整个颈椎曲度角（cervicalcurvatureangle）为多角之和，CL。Ishihara指数，也称为颈椎曲度指数，可通过以下步骤计算：从C2的后下缘到C7椎骨的后下缘画一条连线；从C3、C4、C5和C6椎骨的后下缘绘制4条与C2至C7连线垂直的水平线；计算C3、C4、C5和C6处的4条水平线长度之和，然后除以C2至C7连线的长度。Ishihara指数小对应程度较重的前凸颈椎，如果颈椎完全笔直，则Ishihara指数等于零。注意CL可能会受到姿势和胸椎后凸的影响。Hey等指出，从站立到起坐，CL平均增加3.45°。此外，CL往往随着年龄的增长而增加，作为增加胸椎后凸的补偿和减少腰椎前凸以保持水平凝视。

C2-7SVA：
在颈椎矢状面通常测量C2-7SVA，其与健康的生活质量相关。C2-7SVA是测量C7椎体上边缘后端至C2铅垂线的垂直距离获取（图4）。从生物力学的角度来看，增大C2-7SVA会增加颈椎的屈曲弯矩，从而增加保持头部挺直所需肌肉的能量消耗，导致肌肉疲劳、疼痛或残疾。但还缺乏证实C2-7SVA增大与残疾增加之间有相关性的1级证据，需要进一步研究以阐明C2-7SVA在颈椎畸形中的重要性。


图4.颈椎X线侧位片上测量C2-7SVA。

CBVA：
可间接反映水平凝视状况。作一条下巴--眉毛连线与通过眉毛的铅垂线形成的夹角，为CBVA。可以从患者侧面照片或全身脊柱X线侧位片上测量（图5）。患者必须站立，臀部和膝盖伸展，颈椎处于中立位置。当头部向下倾斜时，CBVA为正;当头部向上倾斜时，CBVA为负；当头部完全直立且中性时，CBVA为零。过度矫正颈椎后凸可能对患者的日常活动极为不利；中立或头部略微向下的倾斜时，可能达到最佳的临床平衡和功能状况。


图5.CBVA测量示意图。

TIA、T1S和颈部倾斜：
TIA的概念类似于腰骶部区域的骨盆参数，为胸骨和T1椎体上缘中点的连线与垂直于T1椎体上缘中点直线的夹角（图6）。既往在X线侧位片上测量，现在使用CT或MRI成像可以更好地显示相关结构，可靠性提高。T1S是T1椎体上缘延长线与水平线形成的角度，类似于骶骨斜面。颈部倾斜定义为连接胸骨和T1椎体上缘中点的连线与胸骨垂直轴之间的角度，类似于骨盆倾斜。


图6.TIA、T1S和颈椎倾斜测量示意图。

颈椎畸形分类问题：
目前，除已经使用的术语，如柔性、刚性、脊柱后凸和脊柱侧凸等外，还没有普遍接受的颈椎畸形分类标准。2015年，Ames等提出一种颈椎畸形分类系统，包括5个修饰描述符号，包括C（颈部）、CT（颈胸）、T（胸部）、S（冠状面）和CVJ（颅颈交界）；以及5个改良词，包括C2-7SVA、CBVA、CL-T1S、日本矫形外科协会（mJOA）改良评分和SRS-Schwab分级。但还需要进一步修改和验证其与临床症状、影像学表现以及治疗效果的相关性（表1）。

表1.Ames的颈椎畸形分类系统。


总之，颈椎畸形是影响患者生活质量而必须治疗的相当复杂的疾病。神经外科医生深入了解脊柱生物力学和掌握颈椎放射学参数知识，是制定合理的手术计划和优化临床治疗效果的关键。