寰樞關節運動學研究進展

李明洋，王 歡，崔少千，段景柱，金國鑫，閻崇楠，張 磊

中國醫科大學附屬盛京醫院脊柱外科，遼寧 110004

胸腰椎由于椎間盤的存在，在屈伸、側曲時，椎間盤受力一側高度減少，對側高度增加，成楔形，介導脊柱的形變，同時髓核向對側移位，壓迫纖維環增加其張力，通過髓核-纖維環的協同作用防止過度牽拉，但是這一結構也限制了胸腰椎的旋轉運動。寰樞椎之間沒有椎間盤協助運動，以旋轉功能為主，頭頸部約47°的旋轉功能及10°的屈伸功能均由寰樞關節完成［1］，與胸腰椎區別較大，脊柱三柱理論對其不適用。且寰樞關節骨結構相對纖細，前、后縱韌帶和節段性韌帶均較胸腰段薄弱，穩定性較差，在兒童頭部旋轉時寰樞關節分離度可達85%［2］，是脊柱中較脆弱和易損傷的部位［3］。有報道稱Ⅱ型齒突骨折約占成人頸椎骨折的20%，占老年頸椎骨折的比例＞ 50%［4-5］。因此，寰樞關節運動和損傷一直是脊柱外科領域的研究難點和熱點。而且寰樞關節運動學的精確研究也將成為其生物力學分析的基礎，為寰樞關節手術的應用與開展提供必要的參考。本研究從寰樞關節解剖結構方面對其運動學進行分析總結，并提出“車輪理論”，對寰樞關節的旋轉、屈伸、側曲、垂直和被動運動進行系統描述，以期為與寰樞關節運動相關疾病的臨床診治、生物力學研究、手術技術開展提供必要的參考依據。

1 寰樞關節解剖結構

寰樞關節解剖結構復雜，主要由2組關節構成，一組是寰樞正中關節，由寰椎前弓中部關節面與樞椎齒突前后關節面及齒突和橫韌帶之間的滑膜囊構成；另一組是兩側的寰樞外側關節，由寰椎下關節面與樞椎上關節突及相應的滑膜囊和韌帶組成［6］。寰樞關節的特殊結構使其主要以樞椎齒突為軸做旋轉運動，同時可做一定程度的左右前后滑動，部分運動可能誘發周圍組織出現病理變化［7］。據報道，12%～19%的人群在椎動脈溝上出現溝環骨橋［8］，在頭頸部旋轉時，溝環可能對其內容神經血管產生壓迫或激惹，刺激交感神經叢引起椎動脈反射性痙攣，造成腦供血不足性眩暈。

寰樞關節的穩定性主要靠韌帶復合體來維持［9］。附著于寰椎左右側塊內側的橫韌帶是維持寰樞關節穩定的重要韌帶。橫韌帶強韌，可形變，前屈時向下彎曲，后伸時向上彎曲，使寰樞關節運動有一定的彈性。成對的翼狀韌帶從齒突發出，起到限制過度旋轉與側曲的作用，但是抗拉力性能較橫韌帶弱，易損傷，遭受軸向旋轉暴力時易斷裂。Martin等［10］將翼狀韌帶分為2支，枕翼支連接齒突和枕骨髁，寰翼支連接齒突和寰椎側塊內側。Morishita等［11］提出寰樞關節前方穩定性由橫韌帶做一級保護，翼狀韌帶做二級防護，后方穩定性則由寰椎前弓跟齒突間的對接維持。其他如覆膜、十字韌帶上下縱束和齒突尖韌帶等也共同參與維持寰椎關節的穩定性［12］。

2 寰樞關節運動

寰樞關節的運動受其關節面的大小、形狀、方向以及韌帶復合體彈性影響，可分解為三維空間內3個角變量和3個線變量共6個自由度的復合運動，寰樞關節的運動多為耦合運動，任一維度的運動常常伴隨其他維度的改變。Boszczyk等［13］對寰樞關節的解剖研究指出，寰樞外側關節是一個雙凸關節，關節面覆有軟骨，寰椎下關節面和樞椎上關節面僅有極小的關節面相接觸；同時還發現，旋轉時雙凸關節的特殊構象可使寰椎和顱骨緩慢垂直升降。本文結合文獻［14］對上頸椎的描繪，根據寰樞外側關節面的解剖形態，將其簡化作近似圓形，從矢狀面對寰樞關節運動進行分析，發現寰椎關節相對于樞椎的運動如同行進的汽車在斜坡上的運動，車輪在坡面上滾動的同時做滑動運動，并且發生高度的變化，車輪在斜坡上的轉動亦相當于寰樞關節旋轉運動（圖1）。

圖1 左側寰樞外側關節矢狀面“車輪理論”示意圖

2.1 旋轉運動

旋轉運動由寰樞正中關節的旋轉和寰樞外側關節的滑動共同形成。如頭頸向左旋轉時，寰椎與韌帶構成的骨韌帶環以樞椎齒突為軸做逆時針旋轉運動，與此同時，解剖和力學上相聯系的寰樞外側關節也發生運動，寰椎左側塊后移，右側塊前移，寰椎的下關節面沿曲線路徑與樞椎上關節面發生相對滑動，反之亦然。由于旋轉和滑動，“車輪”矢狀面觀轉為近似橢圓形（圖2）。Roche等［15］研究發現瞬時旋轉軸都在齒突內且大多在齒突后方，這或許跟位于齒突后方、對旋轉起較大限制作用的翼狀韌帶相關。雖然左右旋轉會使寰椎側塊向椎管內移動導致椎管變窄，但是椎管在寰椎水平最寬，且有研究表明當旋轉＞ 64°時才會造成脊髓壓迫［16］，而常人寰樞關節的最大軸向旋轉角度多＜ 60°［17］。Ishii等［18］根據頭部旋轉角度的改變，對上下頸椎相關運動情況進行了近似曲線描繪，發現并非線性，可能是由于各節段對旋轉壓力的順應性不同，他們提出頸椎旋轉中寰樞椎（上頸椎）先行旋轉，隨后下頸椎再發生旋轉。李浩曦等［19］的研究也指出，小范圍運動時寰樞椎運動與頭部旋轉呈線性相關，但是當旋轉角度達到約30°時變為非線性。一般認為，當寰樞椎輕微轉動＜ 30°時，樞椎相對靜止，旋轉由寰椎獨立完成；當旋轉角度增加，≥30°且＜ 60°時，寰樞椎同時旋轉，但是寰椎旋轉幅度相對較大；當旋轉角度≥60°時，其他節段協同寰樞椎完成旋轉運動［20］。

圖2 寰樞關節旋轉運動示意圖（隱去寰椎椎弓）

2.2 屈伸、側曲運動

與股骨髁相對于脛骨平臺類似，在屈伸運動中，寰椎側塊下關節面相對于樞椎上關節面同時做滾動運動與滑動運動。如果在屈伸過程中寰椎側塊僅做滾動運動而無滑動運動，上下關節面的接觸點將前移或后移，同時寰椎前弓后關節面和齒突前關節面之間的上部或下部間隙將相應增寬；如果在屈伸過程中寰椎側塊僅做滑動運動而無滾動運動，同理寰齒前間隙也將增寬。這種增寬是寰樞關節前脫位的表現，臨床上正常人群并未發現此類改變，這是由于橫韌帶維持穩定的作用。橫韌帶的牽拉使得寰樞屈伸運動中滾動運動與滑動運動同時存在并相互代償。

頸椎的側曲不僅與側塊間的滑動相關聯，還伴有軸向旋轉運動，但是上、下頸椎在耦合運動方向上存在差別與爭議。Ishii等［21］發現在下頸椎各節段軸向運動與側曲方向相同，且旋轉角度多＜ 2°。側曲時一側關節突向腹側移動，對側關節突向背側移動，且腹側移動同時伴有前向移動，背側移動同時伴有后向運動。這種一側前向移動另一側后向移動的耦合形成了復合軸向旋轉運動。于是，向左側曲的同時伴隨向左的旋轉運動，向右側曲的同時伴隨向右的旋轉運動。但是上頸椎的聯合運動恰恰相反，側曲和旋轉運動方向相異，且寰樞椎相對旋轉角度可達17.1°±7.1°，遠大于其他節段，可能是為了維持頭部水平方向的穩定性，寰樞關節的一種代償性運動。Cook等［22］對多項研究頸椎運動情況的文獻進行了綜述分析，基本證實了這一特點，并指出二維或三維研究、體內或體外研究可能會影響得出的結論。Panjabi等［23］研究發現全頸椎，包括上下頸椎，聯合運動方向都是相同的，這種差異可能正是研究方法不同造成的。Panjabi等［23］的研究是標本測量，Ishii等［21］的研究是活體測量，由于離體標本年齡較大，而頸椎相關重要組織退變較早，故可能會存在一些差異，有必要進行更合理的方案設計與研究。

2.3 垂直運動

寰樞關節垂直運動是“車輪”構型下的一種微小的伴隨運動，幅度為2～3 mm。基于上述運動研究，將位于不同位置和運動狀態下的寰椎側塊簡化為與樞椎上關節面相切的近似圓形，可以清楚看到，當寰樞關節處于中立休息位或稱作零旋轉位時，以“O”點為圓心的圓所處位置最高。無論前后移動還是旋轉運動，圓心“O”的位置都會降低。同時由于耦合運動的存在，非中立位的矢狀面觀為近橢圓形，關節面接觸點下降的高度h2與圓心“O”下降的高度h1并不相同（圖3）。

圖3 寰樞關節垂直運動示意圖

對于寰樞垂直運動的討論并不多見。Li-jun等［24］提出了“浮標理論”，他們發現寰椎承受軸向壓力或骨折時，側塊有側向滑動傾向，增加了橫韌帶承受的橫向張力，致其被破壞。但是側塊的滑動減少了寰樞椎的高度，包括翼狀韌帶、齒突尖韌帶、覆膜等在內的縱向韌帶相對松弛，避免同時被破壞，保留了防止寰樞椎脫位的第二道防線。然而松弛的韌帶注定削弱了其穩定的功能，寰樞不穩依然存在，所以通過固定以減少側塊移位、保持寰樞椎高度、重塑縱向韌帶張力，可以長期保持寰樞椎的穩定性。這種現象與浮標相似，如果水位下降，連接浮標的繩子會松弛，致使浮標不穩定，而水位上漲會使繩子張力增加，浮標重獲穩定。這個理論重點強調了在橫韌帶損傷時縱向韌帶維持上頸椎穩定的能力，但是也側面反映出寰樞關節垂直運動的客觀存在。

垂直運動的發生可能與寰椎側塊相關。內薄外厚的寰椎側塊呈楔形嵌插在枕骨髁和樞椎上關節面之間，不僅承載著枕部載荷，將應力傳向前后弓及樞椎，同時還維持著上頸椎的垂直距離［25］。王鵬等［26］的研究指出在寰椎環形結構破壞后施加垂直負荷，分離移位的側塊同時合并前后、上下方向的移位。筆者猜測寰樞關節垂直運動的本質是內部小關節復雜的空間旋轉移位。

2.4 被動運動

Bogduk等［27］的研究中提到，鮮有肌肉直接作用于寰椎。提肩胛肌從寰椎橫突發出，但是不作用于寰椎而是肩胛，上斜肌和頭后小直肌同樣起于寰椎，但是作用于顱骨。頸長肌是少有的直接作用于寰椎的肌肉，可以使之前屈，但是并無其他肌肉拮抗。所以，由于缺少肌肉的直接作用，寰椎的運動常常是被動的，多受頭頸運動的影響。寰椎的被動運動最常見于屈伸運動，且方向相反，在頸椎過屈時寰椎是伸展的。這可能因為寰椎在頭頸之間，需平衡寰樞外側關節的關節面接觸點且對抗頭頸壓力所致。力線在平衡點前，則前屈；壓力在平衡點后，則后伸，與其他節段屈伸狀態無關。寰椎的旋轉運動則與頭夾肌和胸鎖乳突肌等對頭部的牽拉作用相關。這一特殊運動形式與Ishii等［21］指出的上頸椎聯合運動方向相反有關。

寰樞關節滑膜囊內容物在寰樞關節運動中也發生被動的形態變化。Webb等［28］認為在寰樞關節內存在一種類似半月板的結構，是由滑膜折疊形成的滑膜襞，協助完成寰樞關節的運動。滑膜襞充滿由不均勻透明軟骨覆蓋的關節內部，可視為一種被動填充物，根據關節內的空間來調整形態，靜息時充填不均勻的空間，運動時隨關節移動。一般認為滑膜襞具有保護和潤滑關節、增強關節穩定性及承擔負重的作用。另外由于滑膜襞內存在神經纖維以及P物質等神經肽，滑膜襞被認為是部分頭頸疼痛的潛在來源。

3 鄰近結構運動對寰樞關節運動的影響

3.1 寰枕關節運動

寰枕關節與寰樞關節聯系密切，常合稱為枕寰樞復合體，共同完成頸椎40%的屈伸運動和60%的旋轉運動［29］，但是二者的運動方式有很大不同。寰枕關節由枕骨髁和寰椎側塊上關節構成，以屈伸運動為主。前屈時，枕骨髁在寰椎下凹的關節面內向后滾動；屈曲時向前滾動［7］。枕骨髁在上關節凹的左右側壁和周圍關節韌帶的限制下，旋轉和滑動運動范圍極小。尹一恒等［30］指出在生理狀態下，寰枕關節可完成23.0°～24.5°狀態下的左右屈伸運動，2.4°～7.5°的旋轉運動以及3.4°～5.5°的側曲運動。

3.2 其他鄰近結構

寰樞運動不僅與其自身獨特的關節結構密切相關，同時也受其他鄰近結構的影響。Grondin等［31］研究了頜骨在3種不同位置對上頸椎活動度的影響，指出在牙齒咬合位和舌抵硬腭位上，上頸椎的活動范圍較中立休息位有所減少，并建議學者在研究上頸椎活動度時選取頜骨中立休息位測量。Wang等［32］指出寰椎前脫位患者頭頸部易出現前凸消失甚至后凸畸形，下頸椎為了維持頭部平衡發生代償性前凸，表現為“鵝頸”畸形，可見上下頸椎間的聯系頗為密切。另外Tsang等［33］的同類相關系數分析表明，頸部的屈伸、旋轉運動中也有胸椎的參與，特別是上胸椎。Kim等［34］的研究更指出頸椎生理曲度的改變對全脊柱序列都會產生影響。所以脊柱各節段的運動模式各具特點又密切相關，無論在生理還是病理下研究脊柱運動情況和受力情況，都應該注意相鄰節段的影響和改變。

4 寰樞關節運動評價指標

4.1 寰齒前間隙（ADI）

ADI是最早也是目前最常用的評價寰樞關節穩定性的指標。Liu等［35］對700名正常成年人研究發現，中立位ADI范圍為0.71～3.12 mm，且與年齡呈線性負相關，同時與性別無關。目前國內多以成人ADI ＞ 3 mm，兒童＞ 4 mm時懷疑寰樞關節不穩，但確診仍需結合臨床查體及其他檢查。

4.2 寰齒側間隙（LADI）

LADI同樣應用較早，目前在臨床上多用于比較對稱性，不做距離測量，但是部分學者指出LADI不對稱的情況較為常見。Lee等［36］在發育正常的研究對象中發現，有54% LADI不對稱，并提出可能與寰椎側塊、樞椎齒突形態上的解剖變異有關。正常情況下，樞椎是由2塊平行的骨骺生長發育而來，任何一塊發育不對稱都可能造成齒突形態變異，導致LADI不對稱，所以總體來講該指標單獨診斷意義不大，臨床上必須結合其他影像學指標。

4.3 寰樞椎相對旋轉角

寰樞椎相對旋轉角也是一個重要參考指標。頭部在旋轉過程中，寰樞椎并非同步旋轉，從而形成了旋轉角度差，即為相對旋轉角。測量方法主要為Dvorak等［37］提出的CT二維平面圖像測量法，通過分別測量矢狀面上寰、樞椎中心線與顱骨中心線的夾角，再計算差值，間接測得寰樞椎相對旋轉角。這種方法在實際測量過程中誤差較大，但是尚未見有其他方法大范圍應用的報道，如何合理簡便地測量相對旋轉角，并確定病理、生理診斷標準，值得更深入的研究。

4.4 寰樞關節中性區

臨床上通過頸椎活動范圍來判斷寰樞關節運動情況比較常見，但是Panjabi［38］提出用中性區的比例來判斷寰樞關節的穩定性比單純用運動范圍判斷更為靈敏。他將寰樞關節的運動范圍分為中性區和彈性區，中性區是指在中立位椎間運動僅受微弱的脊柱被動阻力抵抗的區域，彈性區是從彈性位移起點開始受韌帶牽拉阻力的余下區域。中性區范圍變大提示脊柱損傷或肌肉韌帶力量減弱，可能會導致寰樞關節不穩；中性區范圍減小，可能有骨贅形成、手術固定融合、肌肉韌帶力量增強等情況。研究指出，正常情況下寰樞關節中性區占活動范圍的比例在前屈位約為27.8%，后伸位約為29.4%，側曲位約為17.9%，旋轉時約為76.1%。黃菊英等［39］的研究發現中性區的比例在屈伸位約為51%，軸位約為78%，與Panjabi［38］的結果相似，側曲位比例約為59%，還有待進一步論證。

5 展 望

寰樞關節運動學是頸椎乃至整個脊柱運動學中十分獨特的一項研究。寰樞椎的解剖結構決定了其與眾不同的運動基礎。寰樞關節運動的本質主要是寰樞關節內部的運動，肉眼很難觀察到各種狀態下的運動差異［40］。在研究方法上，活體測量比標本測量更能準確地表達軀體運動的真實情況，越來越多的學者嘗試將新技術應用到活體頸椎的研究之中，如三維動態X線技術［41］、雙平面成像技術［42］、雙熒光透視影像技術［43］等。但是這些先進的影像技術應用于寰樞椎的報道較為少見，或者受輻射影響應用于寰樞椎的樣本量較小。而且目前對寰樞關節運動的研究大多仍局限于對運動范圍的研究，未來在更先進的影像技術、測量設備和有限元分析的幫助下，寰樞關節運動的本質可以得到更精確更完備的解釋，寰樞關節內小關節的特殊構型、韌帶和肌肉對運動的影響、運動或不同體位時寰樞關節的變化等方面都需要更先進的理論支持，是未來寰樞關節運動學研究的重點方向。在臨床和病理研究持續火熱的同時，寰樞關節運動學可以成為新的突破點和增長點，并且為生物力學的研究以及手術技術的開展與改進提供更多幫助，值得更為深入的研究與探索。

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