楊云霄，侯俞彤，黃承蘭，王金武

（1.濰坊醫(yī)學院康復醫(yī)學院，山東濰坊 261053；2.上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院，上海 200011）

頸椎病（cervical spondylosis,CS）是指頸椎椎間盤退行性改變及其繼發(fā)的相鄰結構病理改變累及周圍組織結構（神經(jīng)、血管等）并出現(xiàn)與影像學改變相應的臨床表現(xiàn)的疾?。?］。頸椎枕，又稱頸部支撐枕、頸椎矯治枕或頸椎力學平衡枕，用于睡眠期間維持頸椎生理曲線，放松頸肩部肌肉［2～4］。國內(nèi)有中藥結合頸椎枕治療頸椎病的傳統(tǒng)療法，國外也進行了頸椎枕與普通枕頭的對照試驗，發(fā)現(xiàn)對于存在頸部疼痛的患者，柔軟且能夠支撐頸部的枕頭可緩解頸肩部疼痛、僵硬［5］。最近的研究表明，頸椎枕可以減輕頸椎病患者頸肩部疼痛癥狀，尤其對頸椎曲度改變的患者具有一定的改善作用［6，7］。本文對頸椎枕的生物力學原理、分類、設計及其在頸椎曲度治療中的療效等進行探討并綜述如下，以期為頸椎枕的研究與其應用提供參考。

1 頸椎枕的生物力學機制

頸椎椎體、附件、椎間盤、關節(jié)囊及相連的韌帶構成頸椎的靜力平衡，也稱內(nèi)源性平衡；頸部肌肉及其協(xié)調(diào)運動構成頸椎的動態(tài)平衡，也稱外源性平衡［8，9］。頸椎依靠靜態(tài)平衡系統(tǒng)和動態(tài)平衡系統(tǒng)共同維持著頸椎的穩(wěn)定及生物力學作用的正常發(fā)揮。對于長期伏案的人群，長期不活動導致頸椎肌肉慢性勞損，力學平衡被打破，頸椎通過改變曲度來進行生理性代償，出現(xiàn)頸椎曲度改變的初步癥狀。當癥狀進一步加重，頸椎曲度代償作用喪失，同時頸項部肌肉長時間處于收縮狀態(tài)，遭受持續(xù)牽拉而出現(xiàn)肌肉疲勞，代謝產(chǎn)物聚集，產(chǎn)生無菌性炎癥，引發(fā)疼痛［8］。邢秋娟等［10］通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，在解剖位置上正常人的頸椎應力主要集中在C4/5椎間盤，以椎間盤后半部分及小關節(jié)為代表，當頸椎曲度改變時，其應力明顯增加。相關數(shù)據(jù)，顯示頸椎曲度改變與頸型頸椎病體征存在一定相關性［11，12］，進一步證實了邢秋娟等的研究結論。

目前已有研究者注意到枕頭的形狀、高度、材質(zhì)等對頸椎病的發(fā)生發(fā)展具有重要影響［13］。仰臥位時枕頭過高可以使前屈角度增大，頸椎后部肌肉持續(xù)應力，而枕頭過低時則使頸椎長期處于過伸狀態(tài)，前部肌肉持續(xù)應力，久之可引起韌帶、肌肉的勞損，產(chǎn)生無菌性炎癥，進而使頸椎粘連、鈣化或退行性變［14］。頸椎病患者由于其已經(jīng)存在的頸椎疾患而對枕頭高度及材質(zhì)呈現(xiàn)更高的敏感性，使用合適的頸椎枕有助于防止頸椎病進一步惡化，調(diào)整其頸部肌肉力學平衡狀態(tài)，恢復頸椎正常生理曲度。頸椎枕具備牽引功能，采用力學糾偏原理，在頸椎后部加上一個力學支點，依靠頭部的重量使頸椎產(chǎn)生一個與頸椎病發(fā)病相反的作用力，直接作用于椎骨本身以恢復適當?shù)念i椎曲度，后方的肌肉、脊髓、神經(jīng)根則處于松弛狀態(tài)，有效改善頸椎及后關節(jié)輕微錯位等所致的頸椎解剖及生物力學紊亂［15］，從而減少了椎間盤內(nèi)的壓力，使負荷更好地分布在頸椎間盤之間。Chen 等［16］進行了以乳膠頸椎枕為代表的頭頸模型應力有限元分析，發(fā)現(xiàn)順應生理曲線的頸椎枕應力最小，在理論層面證實了頸椎枕的有效性。Choi 等［17］發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)枕頭，頸椎枕降低了胸鎖乳突肌的活性，有助于頸部肌肉的放松，從而減少無意識的肌肉緊張引起的疼痛，在實踐層面證實了頸椎枕的有效性。

2 頸椎枕分類

2.1 藥物復合型頸椎枕和現(xiàn)代頸椎枕

當前頸椎枕研制多樣化，按照其材質(zhì)可將其分為藥物復合型頸椎枕和現(xiàn)代頸椎枕。藥物復合型頸椎枕，即通過使用藥物部分或全部填充枕頭，在實現(xiàn)頸椎曲度矯治的同時讓藥物對人體進行調(diào)理。藥枕內(nèi)的藥物揮發(fā)油可以通過皮膚和鼻腔吸收入體內(nèi)，從而發(fā)揮間接治療疾病的作用，可以用來調(diào)理失眠、高血壓、頭痛等疾病。伴隨著材料的進步和發(fā)展，頸椎枕的研制更加現(xiàn)代化、科學化?，F(xiàn)代頸椎枕的制作多以乳膠、記憶泡沫和聚酯纖維為主，可以切割成指定的形狀，并且具有一定的支撐能力。近年來將3D 打印技術和頸椎枕制造相結合，提供個性化定制的頸椎矯治枕［6］。3D 打印技術是在計算機數(shù)字模型的基礎上，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體［18～20］。在醫(yī)療領域，3D 打印技術因其高精度、個性化、可定制等特點，在醫(yī)療器械的設計和制作方面存在巨大的潛力［21，22］。魏浩馨等［6］首次實現(xiàn)3D 打印頸椎曲度矯治枕的制作，醫(yī)師、康復治療師、假肢矯形器師進行全面疾病和功能障礙評估，共同研究討論后確定個性化頸椎枕設計方案，為頸椎枕的設計研發(fā)提供了新思路。

2.2 智能頸椎枕

智能頸椎枕是目前的研究熱點，可以實現(xiàn)理療、高度調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、形狀調(diào)節(jié)、對睡眠過程進行監(jiān)測等功能。有學者認為智能頸椎枕是用于阻塞性睡眠呼吸暫?？焖僭\斷的下一代技術［23］，基于傳感器的智能枕頭更是當前頸椎枕創(chuàng)新的趨勢之一［24］。Chung等［25］進行智能防打鼾枕頭的臨床效果實驗測試，這款枕頭在檢測到人的打鼾聲音后，頸枕處的移動泡沫可以自動地來回水平移動，從而改變他們的頭頸部位置，進而改善阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征患者的仰臥位呼吸暫停低通氣指數(shù)、打鼾數(shù)量和打鼾指數(shù)。Li等［26］提出了一種智能枕頭云平臺，基于3 個溫度傳感器和1 個濕度傳感器的智能枕頭可以根據(jù)每周或每月的睡眠數(shù)據(jù)，觀察睡眠的動態(tài)變化，實現(xiàn)遠程健康檢測。Kou 等［27］提出了一種基于摩擦電納米發(fā)電機壓力傳感器陣列的智能枕頭，用于頭部運動監(jiān)控，以實現(xiàn)床上跌落報警功能。目前存在的問題是，相當一部分智能枕頭沒有考慮枕頭外形，忽視了其對頭頸部的重要影響，需要進一步改進。

3 頸椎枕設計進展

3.1 頸椎枕高度

頸椎枕分為頭枕和頸枕兩部分，分別支撐頸部和頭部，保證睡眠狀態(tài)下的脊柱最佳位置，減少脊柱應力，降低頭頸面接觸壓力，實現(xiàn)對頭部和頸部的更好支撐。其高度需要與頸部的骨性結構相匹配，使頸椎處于無負荷的自然形狀，從而利于椎間盤及關節(jié)囊復原、頸部肌肉放松。目前關于頸椎枕高度與頸部尺寸參數(shù)的關系，已經(jīng)有學者進行了研究。Erfanian等［28］發(fā)現(xiàn)一些頸部尺寸參數(shù)，如頸長、頸圍、肩寬與頸椎枕高度沒有統(tǒng)計學關系。此外，身體質(zhì)量指數(shù)與枕高也沒有統(tǒng)計學上的相關性［29］。Cai 等［30］提出分別測量站立位矢狀面上后腦、后頸到墻壁的距離為仰臥位的頭枕高度和頸枕高度，冠狀面耳朵、頸部到肩膀的距離為側臥位的頭枕高度和頸枕高度。這是目前比較簡便的測量最佳枕高大致范圍的方法，具體地，需要結合頸椎曲度、肌肉活動、表面接觸壓力等進行進一步探討。除此之外，一些研究者也試圖尋找身體其他相關數(shù)據(jù)與最佳枕高之間的關系。Wang等［29］測試了11 個材質(zhì)相同但大小不同的頸椎枕，通過記錄指伸肌的最大收縮力和峰間振幅，發(fā)現(xiàn)最大收縮力在不同枕高之間有顯著差異，這有助于找到選擇最佳枕頭高度的替代策略。

3.2 頸椎枕形狀

臨床上用于治療頸椎病常見的頸椎枕是波浪枕，從側面看類似于波浪形而得名，可以完美貼合頭頸部。研究發(fā)現(xiàn)，仰臥位與側臥位所需的枕高不同［4］，波浪枕高度固定，不適宜整晚睡眠。U 形枕在波浪枕的基礎上做了一定改良，從正面看是U 形，枕頭中部仰臥位區(qū)域的高度較低，兩側左右側臥位區(qū)域的高度較高［30］。Son 等［31］提出除頸椎支撐外，頸肩部恰當?shù)恼眍^高度過渡也可以提高舒適度。Liu 等［32］以仰臥位壓力分布為切入點，基于層次分析法設計了一款可以同時支撐頭部頸部肩部的枕頭。其次，合理的壓力分布是保證頸椎枕舒適性的關鍵，人體頭頸部區(qū)域皮下生理結構復雜，不同區(qū)域對壓力的敏感度不同，Von Der Lippe 等［33］通過計算舒適度得分最高的幾個頸椎枕的平均壓力分布矩陣，獲得近似理想的壓力分布矩陣，通過模糊聚類算法分成仰臥位置的后頸部、枕骨和后頂骨3 個區(qū)域，以及側臥位置的頸部、頜部、顳骨和側頂骨的4 個區(qū)域，結合7 個部位的敏感度制作了頸椎枕的理想支撐模型。

3.3 頸椎枕材質(zhì)

頸椎枕的材質(zhì)多樣，不同類型的頸椎枕使用的材質(zhì)不同。傳統(tǒng)藥物結合的頸椎枕多以蕎麥皮、決明子、艾草葉、磁石等為主，普通頸椎枕則多是乳膠、記憶泡沫和聚酯纖維等。頸椎枕材質(zhì)要求具有一定的硬度以實現(xiàn)支撐效果，乳膠、記憶泡沫、聚酯纖維等都可以實現(xiàn)，但乳膠枕和記憶泡沫枕不宜水洗，聚酯纖維隨著使用時間的增加會出現(xiàn)回彈性降低，需要定期更換。有實驗發(fā)現(xiàn)普通人與頸部疾病患者適宜的材質(zhì)不同，Gordon 等［34］發(fā)現(xiàn)乳膠枕可以減少普通人清醒時頭痛、肩胛骨及手臂疼痛，對于頸椎病患者則表現(xiàn)不佳。但其試驗中也存在不足之處，試驗設計者沒有考慮到枕頭高度、外形的影響因素，對結果產(chǎn)生一定的偏差。Lavin 等［35］提出水基枕滿意度最高，充水袋可以根據(jù)頭部和頸部的位置自發(fā)的改變形狀，從而為頭部和頸部提供支撐。充水袋能夠依據(jù)水量改變高度，且形狀因人而異，對頸椎枕后續(xù)的研發(fā)具有一定的啟發(fā)意義。此外，熱傳導特性也是一個重要的考慮因素。最佳材質(zhì)應該有效傳遞頭部熱量，降低枕部溫度，幫助睡眠中身體核心溫度降低，從而促進深度睡眠［36］。

4 頸椎枕在頸椎病中的應用進展

頸椎病的病因是多方面的，主要是頸椎退行性變和頸部肌肉的慢性勞損［37］。依據(jù)受累組織結構的不同，將頸椎病分為頸型頸椎病、神經(jīng)根型頸椎病、脊髓型頸椎病及其他型頸椎病，其中神經(jīng)根型、脊髓型頸椎病分別對應國外的頸椎神經(jīng)根病和脊髓病。國外沒有頸型頸椎病這一分型概念，與之相似的臨床診斷是慢性機械性頸痛［38］。頸椎病在我國影響人群范圍較廣，與年齡增加呈正相關，60 歲以上老年人群的發(fā)生率高達58%［39］，其中腦力勞動者是頸椎病的高發(fā)人群，干部、醫(yī)務人員、教師等的患病率居高不下，防治形勢嚴峻。

Fazli 等［13］對比頸椎病患者使用乳膠枕配合常規(guī)物理治療與單獨使用常規(guī)物理治療的療效，結果發(fā)現(xiàn)使用乳膠枕組頸伸肌群耐力顯著增加，頸椎伸展、左側屈和左側旋轉角度顯著改善，且顱椎角度增加，明顯改善了患者癥狀。這是因為符合人體工程學的乳膠枕可以通過支撐頸部以減少頸部姿勢穩(wěn)定肌的張力，提高頸部軟組織延展性和肌肉效率，使活動范圍增加。值得注意的是，Gordon 等［34］認為頸椎枕對頸椎病患者沒有作用，這與一貫認為的頸椎枕可以治療及改善頸部癥狀的看法不同。可能與其試驗時間只有1 周相關，而椎間盤和頸部肌肉的緩解需要較長時間。Fazli 等［40］隨后的研究驗證了這一想法，長期隨訪中發(fā)現(xiàn)頸椎枕治療組有進一步的改善，驗證了上述結論。

5 小結及展望

當前頸椎枕的研究主要集中在頸椎枕的臨床療效驗證上，關于頸椎枕的生物力學機制研究較少。頸部結構復雜，富含脊髓、肌肉、血管和神經(jīng)根，頭部后傾的矯正力在作用于椎骨的同時是否會對其他組織產(chǎn)生影響，需要進一步的研究確定。有限元法可以驗證頸椎枕的有效性及優(yōu)化頸椎枕設計，開拓了頸椎枕生物力學研究的新思路。但基于建模的水平和邊界條件、模擬是否真實，其精確度浮動性可能比較大。未來隨著材料科學、人機交互、計算機輔助設計等學科的發(fā)展，必將帶動頸椎矯治枕革新性發(fā)展。