頸椎旋轉手法的數字解剖和有限元分析

[摘要] 目的 探討頸椎牽引治療椎動脈型頸椎病(CSA)的作用機制，為臨床防治CSA提供依據。方法 通過對尸體頸段脊柱的數據測量，在計算機上建立完整頸段脊柱的三維有限元模型，并依據頸椎病(CSA)在頸椎生理曲度減小、變直、反曲三種曲度變化情況的側位X線片建立二維平面有限元模型。模擬人體坐位頸椎牽引時的情況，在模型上進行一定大小、方向牽引力的加載。結果 (1)在頭重情況下各頸椎的鉤椎關節、椎間關節主要承受縱軸方向的壓應力，且應力值從上到下逐漸加大，橫突間相互靠攏;(2)在前屈位牽引時，鉤椎關節、椎間關節應力值都隨牽引力大小、角度的加大而加大，最大應力值隨牽引角度的加大逐漸移向下位頸椎;(3)頸椎生理曲度呈減小、變直或反曲改變時，最大應力值隨牽引角度的加大由上位頸椎移向下位頸椎的規律。結論 基底動脈在正常情況下左側和右側的椎動脈能互相調節血流量，以應付頸椎活動造成的壓迫，使血流正常供應給腦組織。

[關鍵詞] 頸椎病;椎基底動脈;生物力學

[中圖分類號] R681.55 [文獻標識碼] A[文章編號] 1673-9701(2009)34-08-02

椎動脈型頸椎病是以椎動脈受壓迫或痙攣引起的椎底動脈供血不足為主要癥狀的一型頸椎病，其發病率僅次于神經根型頸椎病[1]。其發病年齡多在45歲以上，以50～60歲為多見，其癥狀多表現為眩暈、頭痛、惡心嘔吐、吞咽困難、猝倒、持物落地等，嚴重影響患者的生存和生活質量。其發病機制目前還不十分明確，主要有機械壓迫學說和頸交感神經受刺激學說。目前頸椎牽引是較為有效的治療法之一，但其力值、角度、時間現在仍無定論，臨床因牽引不當而導致CSA癥狀無緩解或加重的情況時有發生，因此研究牽引治療CSA的生物力學原理，提出合理的牽引方式，用以防治CSA很有必要[2]。本文通過對尸體頸椎及X線片的觀察測量，建立頸段脊柱三維及二維有限元模型，探討牽引治療CSA的作用機制，并提出合理的牽引方式。

1有限元計算的原理

有限元分析方法是現代工程力學中較常用的計算方法，它作為一種生物力學的分析手段已在醫學領域中得到了廣泛的應用，而被引入骨科生物力學領域則在20世紀70年代。

2實驗材料

防腐成人尸體一具、PⅡ計算機一臺、清華紫光掃描儀一臺、SUPER-SAP93有限元軟件一套、千分尺測量儀、量角儀、X線片。

3實驗方法

3.1三維有限元模型建立

從尸體上截取完整的頸段脊柱(C1～T1)，剔除肌肉、韌帶等軟組織制成標本，并拍攝頸椎正側位X線片，以排除病理標本并確保模型曲度符合正常人體，根據其解剖形態建立C1～T1的三維有限元模型，節點坐標用千分尺測量并記錄，依據有限元原則，構建三維單元，其坐標軸以額狀軸向左為Y軸正方向，以矢狀軸向后為X軸正方向，垂直軸向上為Z軸正方向。模型采用8節點6面體單元，共有647個節點，276個單元，每個節點都有沿XYZ三個方向平移和繞三軸旋轉的六個自由度[3，4]。

模型的具體單元體及節點的劃分方法如下:①節點的安排是按逆時針方向，由下到上排序，上下對應;②每個椎體分上下三層共有16個單元，椎間盤分一層共有8單元，上下小關節劃分為3個單元，椎弓根、橫突、椎板各劃分為1個單元;③邊界條件的設定:為了最大可能的減少由于直接加載造成的誤差，本模型將T1椎體上端固定在XY平面上;④在計算機上先建立C1～T1左側的頸段脊柱模型，然后利用軟件的對稱翻轉功能，在右側建立完全對稱的模型，避免了人工輸入造成的誤差:⑤模型建立后，將各部位的參數輸入，模型各材料系數見表1。

3.2二維有限元模型的建立

選取頸椎生理曲度有改變的三位CSA患者(男性，年齡50～55歲，診斷標準按照全國第二屆頸椎病專題會議制定)的側位X線片。由于正常頸段脊柱是以C4～C5的生理前突來支持頭部重力，依據Borden測量法來決定曲度的改變，正常頸椎弧的頂點在C4～C5椎體后緣，正常弧的高度為(12±5)mm，>17mm為弧度變大，<7mm為弧度變小，負值為反曲。具體的測量方法:拍攝患者中立位的X線側位片，自C2齒突后上緣到C7椎體后下緣做直線，做C4椎體到此直線的垂直距離。三位患者頸椎的頸曲弧度為5、0、-2mm，分別代表頸椎曲度的變小、變直和反曲。以三張X線片為樣本，按照1:1比例描繪在坐標紙上，并按照平面四節點單元的原則在計算機內輸入坐標，計算機按照有限離散原則自動劃分單元和節點，建立二維有限元模型，模型坐標系采用平面直角坐標系，以垂直軸向上為Z軸正方向，矢狀軸向后為Y軸正方向。將模型的C7前下緣定為坐標(1，1)，具體數值如下:頸曲減小模型有2590個節點及2320個單元;變直模型有1834個節點及1694單元;反曲模型有1812個節點及1636個單元。模型的材料系數同上。

3.3頸椎及頸椎牽引的力學分析

圖1為正常頸椎的受力分析及力學模型，以C4～C5為瞬時旋轉中心，設頭頸部重量為W，力矩為LW，頸部伸肌對頭部的拉力為F，力矩為LF，頸椎所受的壓力為M，頸前傾角(頸軸線與垂線夾角)為θ，根據力矩平衡原理求得，F×LF=W×LW，其中設LF=3cm，LW=12cm，故F=4W。頸椎所受的壓力為頭部重力W在頸軸方向上的分力與頸部肌肉為維持頭部平衡所施加的拉力之和F，即M=F+Wsinθ=W(LW/LF+sinθ)。對于確定姿勢的人來講，其LF和LW是固定的，由此可知正常人頸椎所受的壓力與頸椎前傾角θ有關，并和體重(頭重)成正比。即在一定范圍之內，頭部的前傾角度越大(頭埋得越深)頸椎所受的壓力越大，就更易造成頸椎增生等疾病[5]。據此，我們認為頸椎局部的應力異常是產生頸椎病的主要原因之一。同時表明椎體的主要受力與頭重及頭頸部的前傾角度有關，牽引克服了頭部重力，而頸部周圍肌肉群對頸椎的壓力即能夠消除，同時被拉緊的肌肉對頸椎的約束作用，有調節頸椎不穩的功效。

3.4加載方法

本實驗將頸段脊柱簡化為上段自由，下段固定的彈性曲桿，根據人體頸部正常重力線，將加載點定為寰枕關節面，平齒突處。牽引方向在矢狀面內向上，又據醫學統計學可知，正常人頭重約為體重的7%，設正常成年人體重為60kg，則其頭部重量為60×7%=4.2kg，牽引力值依據體重的5%、10%、15%、20%，選擇常用的3、6、9、12kg，分析牽引時頸椎主要受到頭部重力、牽引力、前后縱韌帶的作用力等。依據頭頸屈伸的角度不同，將牽引力F分解為X軸上的Fsinθ和Z軸上的Fcosθ，考慮到頭部重力W，則X、Z軸上的加載力分別為Fsinθ、Fcosθ-W，改變加載點力值大小，研究正常人體鉤椎關節、椎間關節在不同牽引重量、及頭頸部中立位、及前屈、后伸各10°、15°、20°、25°、30°共11種體位下的應力及椎體橫突縱軸間的距離改變情況。

4討論

CSA的發病機制至今仍然不十分清楚，但主要有機械壓迫學說和交感神經受刺激學說，可以從以下幾點解釋:

(1)頸椎骨性病變及骨贅壓迫:當橫突孔周圍有骨質增生時，將壓迫椎動脈，引起CSA[6]。

(2)鉤椎關節與CSA的關系:臨床發現鉤椎關節增生相當常見，占88%，認為與UTAC的功能變遷有關，即上下椎體之間，正常椎間盤能夠起到吸收，緩和沖擊能量的作用，從而改善相鄰椎體表面的應力分布，而當椎間盤發生退變變薄時，鉤突接近上位椎體，此時鉤突成為應力集中區，其應力將水平高于椎體的任何部位。

(3)椎動脈和頸椎的正常關系被破壞:由于頸椎間盤發生退行性變性椎間隙必然變狹窄，甚至完全消失。椎間盤退化變薄，必使頸椎的高度縮短，椎動脈相對延長;隨著年齡的增加，富有彈性回縮力的動脈發生變性，動脈彈力減弱是繼發的次要因素。

[參考文獻]

[1] 張云凌. 針刺單穴(懸鐘)治療神經根型頸椎病的臨床觀察[J]. 福建中醫學院，2006，17(6):324.

[2] 馮世慶，楊明杰，孔曉紅，等. 椎動脈型頸椎病血漿內皮素變化[J]. 中華骨科雜志，1997，17(6):387.

[3] 邵建萍. 頸椎病牽引體位初探[J]. 中國中醫骨傷科，1989，5(6):54.

[4] 周章武，王金富. 頸椎病牽引位置的探討[J]. 中國中醫骨傷科，1996， 4(1):35-36.

[5] 吳弢，高翔，施杞，等. 針灸配合地黃飲子加減方治療脊髓型頸椎病30例[J]. 上海針灸雜志，2004，3:306.

[6] 李凱. 針灸加穴位注射治療椎動脈型頸椎病的臨床研究[J]. 湖北中醫學院，2006，26(2):156.

(收稿日期:2009-07-09)