有限元軟件三維動(dòng)態(tài)圖下纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復(fù)位治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂的應(yīng)用研究

張?jiān)龈?張新琪 豐 磊

頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥是日常生活中常見的頸部疾患,不適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)和勞作,外傷及長(zhǎng)期勞損或受涼等因素誘導(dǎo)而引起的"筋出槽,骨錯(cuò)縫"是造成頸椎損傷的主要原因,導(dǎo)致頸椎失穩(wěn),頸椎小關(guān)節(jié)超出正常的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而導(dǎo)致頸椎小關(guān)節(jié)面之間發(fā)生微小的移動(dòng)、錯(cuò)位,同時(shí)伴有椎體一定程度的旋轉(zhuǎn)移位,使上、下關(guān)節(jié)突所組成的椎間孔的橫、縱徑減小,其主要的癥狀是引起患者頸椎緊張、疼痛及僵直,伴隨頸椎活動(dòng)受限,甚至部分重癥患者出現(xiàn)上肢麻木、眩暈、惡心、失眠健忘、視力模糊及咽部異物感等[1-3].

目前,各種中醫(yī)治療手段被廣泛應(yīng)用于頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥,尤其是中醫(yī)纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復(fù)位治療,施法以螺旋纏繞的方式,達(dá)到力量貫于指掌的效果.由于螺旋纏繞的力量,具有極柔軟和強(qiáng)滲透的雙重特性力量作用于頸椎不至令患者感到突然和生硬,且費(fèi)用低、療效好、無不良反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于臨床治療.但常因操作者如何運(yùn)用手法、角度及力度不具備定量標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范,對(duì)纏絲勁手法缺乏科學(xué)解釋和闡述等問題一直是目前部分學(xué)者批評(píng)或質(zhì)疑傳統(tǒng)手法的原因.在循證醫(yī)學(xué)不斷得到重視的今天,應(yīng)用先進(jìn)的方法研究傳統(tǒng)手法的作用機(jī)制顯得非常重要,尤其是對(duì)其生物力學(xué)原理的研究意義更為突出[4].為此,本研究通過利用有限元分析法模擬纏絲勁的旋轉(zhuǎn)復(fù)位手法的應(yīng)力分布的科學(xué)計(jì)算,將其結(jié)果進(jìn)行分析,并作為纏絲勁手法治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥力學(xué)依據(jù)和量化參考標(biāo)準(zhǔn).

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機(jī)選取2018年3月于青島市膠州中心醫(yī)院門診接受治療的1例頸椎病男性患者,年齡29歲,身高182 cm,體重83 kg,經(jīng)X射線檢查和動(dòng)靜態(tài)觸診確診其頸椎C5節(jié)段發(fā)生后仰式錯(cuò)縫(錯(cuò)位),同時(shí)排除頸椎創(chuàng)傷、畸形、骨折、腫瘤、結(jié)核等異常.患者簽署知情同意書.

1.2 儀器設(shè)備

采用SOMATOM Definition AS+64排螺旋CT掃描機(jī)(德國(guó)西門子);Ansys Workbench 15.0有限元分析軟件(美國(guó)Ansys公司);Mimics 10.01醫(yī)學(xué)圖像處理軟件(比利時(shí)Materialise公司);Geomagic Studio逆向工程軟件(美國(guó)Geomagic公司).

1.3 掃描方法

采用64排螺旋CT掃描機(jī)進(jìn)行螺旋掃描及斷層圖像處理獲取CT掃描數(shù)據(jù).掃描時(shí)患者取仰臥位,盡量保持掃描斷面與身體長(zhǎng)軸垂直.掃描參數(shù):管電壓120 kV,管電流200 mA,掃描范圍顱底至C7節(jié)段下方以層厚1.0 mm進(jìn)行掃描,得到CT斷層掃描圖像483張,掃描數(shù)據(jù)以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像及通信(digital imaging and communication of medicine,DICOM)格式直接存儲(chǔ).

1.4 頸椎 C1~7節(jié)段三維有限元模型建立

將DICOM格式的CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.01軟件,將各節(jié)段椎骨連接部分手動(dòng)分離并進(jìn)行骨節(jié)縫隙填充,最后進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換,形成頸椎椎骨面網(wǎng)格模型,再將生成的數(shù)據(jù)逐個(gè)導(dǎo)入軟件自帶的網(wǎng)格優(yōu)化工具M(jìn)agics中進(jìn)行優(yōu)化.參照文獻(xiàn)[5-6]賦予各結(jié)構(gòu)材料學(xué)參數(shù),彈性模量(Young's modulus)和泊松比(Poisson's ratio)各參數(shù)見表1.

表1 頸椎病患者有限元模型的單元類型和材料參數(shù)

1.5 有限元仿真形變及應(yīng)力計(jì)算

運(yùn)用有限元法對(duì)物體的形變進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模,推導(dǎo)有限元法對(duì)物體形變的計(jì)算過程,創(chuàng)建頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥旋轉(zhuǎn)復(fù)位模型.計(jì)算機(jī)建模完成后對(duì)出現(xiàn)小關(guān)節(jié)紊亂椎骨節(jié)段應(yīng)用有限元形變軟件仿真模擬纏絲勁手法矯正頸椎錯(cuò)縫,由軟件計(jì)算頸椎錯(cuò)縫形變過程中椎間盤和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在形變前后的應(yīng)力變化.

1.6 觀察指標(biāo)

觀察指標(biāo)主要包括:①建立頸椎C4節(jié)段錯(cuò)縫有限元模型,觀察錯(cuò)縫節(jié)段C4椎骨三維空間位移;②建立頸椎C4節(jié)段錯(cuò)縫有限元形變模型,對(duì)比錯(cuò)縫節(jié)段C4椎骨旋轉(zhuǎn)復(fù)位前后位置關(guān)系;③分析頸椎C4節(jié)段旋轉(zhuǎn)復(fù)位后關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及椎間盤應(yīng)力變化,觀察錯(cuò)縫節(jié)段C4椎骨對(duì)相鄰頸椎小關(guān)節(jié)及椎間盤的應(yīng)力影響.

2 結(jié)果

2.1 纏絲勁手法的模擬

本研究試驗(yàn)?zāi)M對(duì)頸椎向右側(cè)進(jìn)行坐位拔伸旋轉(zhuǎn)手法,按照手法的操作及要求設(shè)置坐位時(shí)頭部對(duì)頸椎的壓力為100 N以模擬頭部重力,然后0.5 s內(nèi)逐漸給予其連續(xù)的0~220 N流線狀變化的牽引力模擬纏絲勁手法的拔伸動(dòng)作.之后,模擬纏絲扳頸時(shí)不斷地旋轉(zhuǎn)扳頸角度,旋扳角度設(shè)置范圍為15°~20°.

2.2 椎體C4節(jié)段錯(cuò)縫有限元仿真模型建立

對(duì)頸椎病患者進(jìn)行頸椎X射線拍片,拍片顯示C4椎體呈現(xiàn)錯(cuò)縫(見圖1),C3~4節(jié)段棘突間距大于C4~5棘突間距;將DICOM格式的圖像(483幅)數(shù)據(jù)讀入三維重建軟件,在軟件界面上操作分割出C3~5節(jié)段DICOM數(shù)據(jù)圖像38~186層,共149幅.

圖1 頸椎病患者頸椎X射線圖像

依據(jù)DICOM數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)縫節(jié)段的C3~5椎體和椎間盤按前述方法進(jìn)行有限元模型的三維重建,得到椎骨錯(cuò)縫有限元仿真模型,見圖2.

圖2 椎骨錯(cuò)縫有限元仿真模型

三維有限元模型觀察結(jié)果表明,三維有限元仿真模型從三維角度反映了錯(cuò)縫椎骨C4與相鄰椎骨之間的位置關(guān)系,即C4椎體錯(cuò)縫的空間位移是:下平移0.7 mm,繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)6°.

2.3 C4節(jié)段錯(cuò)縫有限元形變模型建立

基于上述有限元模型,應(yīng)用有限元形變軟件仿真模擬纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)C4節(jié)段至正常位置.本例患者上平移0.7 mm,繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)6°.旋轉(zhuǎn)復(fù)位前后C4節(jié)段位置對(duì)照見圖3.

圖3 仿真模擬纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)C4復(fù)位

2.4 C4節(jié)段旋轉(zhuǎn)復(fù)位后頸椎小關(guān)節(jié)及椎間盤應(yīng)力變化

根據(jù)上述原理中所提方法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移向量a,由公式算出應(yīng)力,主要包括了具體應(yīng)力張量大小和方向.結(jié)果表明,錯(cuò)縫節(jié)段C4對(duì)相鄰節(jié)段C3~4、C4~5的椎間盤和頸椎小關(guān)節(jié)都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力,對(duì)本研究實(shí)驗(yàn)而言,發(fā)生的應(yīng)力主要是旋轉(zhuǎn)力和壓力的合力;其中相鄰節(jié)段受到的應(yīng)力分布相比,C4~5頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的壓力旋轉(zhuǎn)力均顯著大于C3~4椎間盤和頸椎小關(guān)節(jié)受到的壓力;同一節(jié)段應(yīng)力分布情況中,C4~5節(jié)段的扭矩力主要分布于兩側(cè)頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤后緣,以X軸向?yàn)橹?C4~5節(jié)段的壓力主要分布于兩側(cè)頸椎小關(guān)節(jié),其次是椎間盤后緣,壓力以X軸和Z軸方向?yàn)橹?

3 討論

有研究顯示,中醫(yī)學(xué)認(rèn)為頸椎病的發(fā)病機(jī)理是"氣血滯、筋出槽、骨錯(cuò)縫",許多研究已將計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元分析法與傳統(tǒng)的中醫(yī)手法相結(jié)合,利用有限元分析法模擬手法作用時(shí),觀察作用部位應(yīng)力-應(yīng)變以及生物力學(xué)特性的改變情況,并且可以使用圖像、圖形等技術(shù)手段對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行直觀、動(dòng)態(tài)的表達(dá),尤其可以將所建模型內(nèi)部生物力學(xué)特性和應(yīng)力-應(yīng)變的變化過程通過動(dòng)態(tài)的方式更加直觀的展示出來,這也是其他傳統(tǒng)手段無法達(dá)到的,較使用普通生物力學(xué)方法來測(cè)量外在的應(yīng)力-應(yīng)變變化情況更具臨床意義.纏絲勁手法治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂的有效病例的復(fù)查CT掃描也充分證實(shí)纏絲勁手法可以有效地旋轉(zhuǎn)復(fù)位錯(cuò)縫椎骨關(guān)節(jié)[7].

本研究初步探討如何從生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)角度來進(jìn)一步證實(shí)頸椎"椎骨錯(cuò)縫"是頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的主要病理環(huán)節(jié)之一,以及纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復(fù)位治療方法針對(duì)這一病理環(huán)節(jié)對(duì)頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥預(yù)防的生物力學(xué)機(jī)制所在.為了解決這一問題,本研究選擇1例觸診和X射線檢查提示發(fā)生頸椎"骨錯(cuò)縫"的頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者,CT掃描頸椎部位,對(duì)錯(cuò)縫節(jié)段椎節(jié)C3、C5建立三維有限元模型,再運(yùn)用軟件對(duì)錯(cuò)縫椎體C4進(jìn)行了仿真纏絲勁手法矯正,應(yīng)用有限元分析軟件觀測(cè)了旋轉(zhuǎn)復(fù)位前后C4椎體對(duì)C3~4、C4~5節(jié)段的頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的應(yīng)力變化情況.結(jié)果顯示,錯(cuò)縫節(jié)段C4對(duì)相鄰節(jié)段C3~4、C4~5的頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力,本研究中發(fā)生的應(yīng)力主要是旋轉(zhuǎn)力和壓力的合力.其中,同一節(jié)段應(yīng)力分布情況為:①C4~5節(jié)段的壓力主要分布于頸椎兩側(cè)小關(guān)節(jié)和椎間盤后緣,且以X軸和Z軸方向?yàn)橹?②C4~5節(jié)段的旋轉(zhuǎn)力主要分布于兩側(cè)小關(guān)節(jié)和椎間盤后緣,以X軸向?yàn)橹?③相鄰節(jié)段受到的應(yīng)力分布相比,C4~5頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的旋轉(zhuǎn)力和壓力均明顯大于C3~4頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤受到的旋轉(zhuǎn)力和壓力.

頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤都是頸椎的重要構(gòu)成結(jié)構(gòu),頸椎小關(guān)節(jié)通過向前剪切載荷、對(duì)抗壓縮以及導(dǎo)向控制保持椎體的穩(wěn)定性[8].而頸椎的穩(wěn)定性反映了載荷與其作用下所發(fā)生位移之間的關(guān)系[9].載荷一定時(shí),位移越大,穩(wěn)定性就越差.而"椎骨錯(cuò)縫"即是頸椎小關(guān)節(jié)發(fā)生一定的位移(錯(cuò)縫),但就是這微小位移即可造成頸椎在正常載荷下出現(xiàn)了異常活動(dòng)變形.本研究顯示,錯(cuò)縫節(jié)段C4不僅存在著一定的后仰式位移,而且C4節(jié)段還對(duì)相鄰節(jié)段C3~4、C4~5的頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力.在這種異常應(yīng)力作用下,頸椎小關(guān)節(jié)會(huì)脫離正常的運(yùn)動(dòng)軌道,久而久之則會(huì)加重"錯(cuò)縫"節(jié)段關(guān)節(jié)的錯(cuò)位程度,從而加深頸椎節(jié)段性失穩(wěn).隨著節(jié)段性失穩(wěn)愈發(fā)加重對(duì)頸椎周圍韌帶、血管、肌腱及神經(jīng)的刺激,從而出現(xiàn)臨床癥狀.而纏絲勁正骨手法正是通過糾正"錯(cuò)縫椎骨"對(duì)頸椎的異常應(yīng)力,重建頸椎穩(wěn)定性而達(dá)到對(duì)頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的有效治療.

"椎骨錯(cuò)縫"會(huì)對(duì)頸椎周圍血管、神經(jīng)及韌帶產(chǎn)生機(jī)械性壓迫而引發(fā)臨床癥狀,纏絲勁手法機(jī)制在于旋轉(zhuǎn)復(fù)位"椎骨錯(cuò)縫",解除機(jī)械性壓迫;但這一學(xué)說很難解釋那些病例"椎骨錯(cuò)縫"未明顯糾正,而臨床癥狀卻治愈的現(xiàn)象,因此對(duì)于手法矯正"椎骨錯(cuò)縫"的機(jī)制認(rèn)識(shí),除了考慮"矯正錯(cuò)縫,解除機(jī)械壓迫"外,還應(yīng)重視手法調(diào)整關(guān)節(jié)或軟組織應(yīng)力等角度的研究.本研究認(rèn)為,錯(cuò)縫節(jié)段會(huì)給相鄰節(jié)段的頸椎小關(guān)節(jié)或椎間盤等關(guān)節(jié)帶來異常應(yīng)力.本研究發(fā)現(xiàn),椎骨發(fā)生后仰式錯(cuò)縫,會(huì)對(duì)下位頸椎小關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,且應(yīng)力主要集中在頸椎小關(guān)節(jié),有限元仿真纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復(fù)位錯(cuò)縫椎骨后,頸椎小關(guān)節(jié)應(yīng)力發(fā)生明顯改變.有研究證實(shí),頸椎小關(guān)節(jié)是維持頸椎穩(wěn)定性的主要解剖結(jié)構(gòu),頸椎小關(guān)節(jié)異常應(yīng)力受到損害,則會(huì)引起頸椎穩(wěn)定性的破壞,使頸椎周圍神經(jīng)、血管受到刺激而引發(fā)臨床癥狀[10-13].而中醫(yī)纏絲勁手法正骨治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的關(guān)鍵是,通過手法旋轉(zhuǎn)復(fù)位錯(cuò)縫椎骨關(guān)節(jié)對(duì)頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤間的應(yīng)力進(jìn)行改善,恢復(fù)椎骨關(guān)節(jié)的正常功能活動(dòng),重建其力學(xué)平衡,同時(shí),纏絲勁手法可以將皮毛肉筋揉起,具有溫經(jīng)通絡(luò)、活血化瘀的作用.因此,雖然有些頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥經(jīng)纏絲勁手法治療后,椎骨錯(cuò)縫未見明顯改善,但其臨床癥狀卻得到了治愈,其原因主要是在于有效調(diào)整了頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的異常應(yīng)力,恢復(fù)椎骨關(guān)節(jié)的功能活動(dòng),解除頸部肌腱、韌帶痙攣,重建頸椎力學(xué)平衡[14].

通過三維有限元軟件建立頸椎模型,能更好地模擬纏絲勁手法的臨床狀態(tài),可以達(dá)到和生物力學(xué)試驗(yàn)大致相同的結(jié)果,運(yùn)用計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)將結(jié)果直觀、動(dòng)態(tài)的顯示出來,為研究纏絲勁手法治療機(jī)制及其生物力學(xué)特性提供了很好的技術(shù)手段[15].

應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)的先進(jìn)技術(shù)從形態(tài)學(xué)、生物力學(xué)方面對(duì)纏絲勁手法進(jìn)行研究,推測(cè)纏絲勁手法正骨治療機(jī)制,將計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)影像、有限元分析方法和傳統(tǒng)纏絲勁手法正骨治療相結(jié)合,從而能夠準(zhǔn)確的反映頸椎的生物力學(xué)特性,使研究的結(jié)果更加精確.