颈部稳定器在颈椎损伤中的临床功效：基于计算机模拟的生物力学分析

为预防交通事故等高能量冲击导致的严重脊髓损伤，本研究通过计算机模拟分析颈部稳定器在三种碰撞方向（前撞、后撞、侧撞）下对头颈部运动范围及脊髓载荷的影响。结果显示，颈部稳定器能有效限制颈椎过度活动（如前撞时限制伸展角度在50°内），降低C2、C5等节段脊髓前表面载荷，提示其具有减少脊髓机械性损伤风险的潜力。

　　

在当今社会中，交通事故、高处坠落和运动伤害等高能量创伤事件日益频发，其中颈椎损伤尤为常见，不仅可能导致剧烈的疼痛和功能障碍，更可能因伤及脊髓而造成永久性神经损伤、瘫痪，甚至危及生命。根据日本脊柱脊髓学会的一项全国性调查，仅2018年日本就发生了4603例脊髓损伤，其中颈椎损伤占比高达88.1%，而交通事故是重要的诱因之一。这类损伤的临床结局高度依赖于损伤的位置和严重程度，例如，完全性四肢瘫患者的40年生存率仅为47%。因此，如何有效预防或减轻这类损伤已成为临床和生物力学研究的重要议题。

颈椎损伤的发生往往源于瞬间的高能量冲击，导致椎体骨折、脱位或韧带结构失效。近年来，一类特殊的临床情况——即“无骨折脱位型脊髓损伤”正受到越来越多的关注。这类损伤中，脊髓组织遭受了撕裂、压迫或牵拉，但影像学上却未见明显的骨骼结构破坏。其损伤机制主要包括持续压迫、瞬时压缩、牵张以及撕裂/离断等。生物力学研究表明，颈椎的过度活动，例如高速撞击下的过度伸展或屈曲，是造成脊髓组织受挤压或出现剪切变形的重要原因。正因如此，在撞击发生的瞬间及时限制颈椎活动、减少初始冲击力，被认为是防止继发性脊髓损伤的关键。

在此背景下，来自日本滨松医科大学整形外科的Hideyuki Arima及其合作团队进行了一项深入的计算机模拟研究，旨在评估一种颈部稳定器在限制颈椎活动、降低脊髓负载方面的生物力学功效。该研究近期发表在《Scientific Reports》上，为相关防护设备的开发提供了重要的理论依据。

该研究主要依托于计算机仿真技术，未涉及湿实验或临床样本操作。研究人员采用了经过验证的计算机模拟人体模型THUMS（Total Human Model for Safety，版本6.1），模拟了三种不同体型的研究对象：第50百分位和第95百分位的成年男性，以及第5百分位的成年女性。利用显式有限元分析软件LS-DYNA，团队设置了前向、后向和侧向三种撞击场景，以一个特定质量（4.7 kg或3.1 kg）和速度（5.42 m/s或7.67 m/s）的撞击器模拟头部受到的冲击。研究重点观察了佩戴与不佩戴颈部稳定器时，头颈部位在矢状面和冠状面上的运动角度变化，以及不同颈椎节段（如C2、C5）水平上脊髓前表面和后表面的载荷响应。颈部稳定器被建模为具有特定材料属性（聚酰胺66，弹性模量7000 MPa）和内部压力（40 kPa）的弹性结构，以模拟其真实物理行为。

研究结果通过多个维度展开：

首先，在分析50百分位成年男性模型前向碰撞响应时发现，头颈部伸展角度随碰撞后时间推移逐渐增大。当伸展角度超过30°时，C2水平脊髓前表面负载开始增加，达到50°时负载约为30 N；而在C5水平，负载则在伸展角超过50°后急剧上升，至60°时同样达到30 N。相反，在后向碰撞中，颈部屈曲角度在碰撞后70毫秒内达到峰值，C3水平前表面负载最高，而C7水平后表面负载在屈曲20°时即出现显著增加。侧向碰撞则显示，非撞击侧的脊髓负载在C2水平偏转约45°时最为明显。

佩戴颈部稳定器后，情况发生显著改善。在50百分位男性模型中，无论是前向、后向或侧向碰撞，颈部稳定器均能有效限制颈椎运动范围，使其保持在日本骨科协会所定义的正常生理范围之内（矢状面屈曲60°、伸展50°；冠状面侧屈50°）。这一效果在95百分位男性和5百分位女性模型中也得到验证。特别值得注意的是，体型较小的5百分位女性模型在未使用稳定器时表现出更大的颈椎活动度和更高的脊髓负载，而稳定器的使用显著降低了这些生物力学响应。

通过这些系统的模拟分析，研究者得出结论：颈部稳定器能有效限制高能量冲击下颈椎的过度活动，尤其对于体型较小的个体效果更为显著。尽管该研究并未直接评估脊髓内部应力或临床损伤结局，但颈椎运动范围的限制与既往生物力学研究中所提出的脊髓损伤机制高度吻合——即减少过度活动可降低椎体骨折、脱位和韧带结构的损伤风险，从而可能预防严重的脊髓损伤。

当然，研究者也指出了本研究的若干局限：例如依赖计算机模型的准确性，未能涵盖更多现实碰撞情境，以及缺乏针对不同颈椎节段（上颈椎与下颈椎）运动的细分评估。此外，目前仍缺少能够精确模拟真实事故中头部着地时颈部惯性力的实验模型。因此，未来的研究需更侧重于开发更生理化的加载条件，并在更多样的人群和更广泛的碰撞场景中验证颈部稳定器的保护效果。

尽管如此，这项研究首次通过系统的计算机仿真，从生物力学角度揭示了颈部稳定器在减轻撞击中颈椎过度运动和潜在脊髓负载方面的积极作用，为后续产品优化和临床防护策略制定提供了有力的科学依据。