頸椎間盤有限元模型分析旋轉手法髓核受力與體位的關系

劉建輝，朱建忠，潘福勤，張海峰，龐 胤

（1. 滄州醫學高等專科學校解剖教研室，河北 滄州 061001；2.滄州醫學高等專科學校口腔系）

隨著現代生活與工作方式的轉變以及老齡化社會的到來，頸椎疾病的發病率越來越高，已變成臨床常見病和多發病[1，2]。旋轉推拿手法是臨床治療頸椎病，尤其是神經根型頸椎病的主要保守療法之一，能夠迅速緩解疼痛和椎弓根壓迫，其有效性已得到大量臨床驗證[3，4]。然而，目前存在的旋轉推拿手法流派各異，操作規范缺乏統一標準，在適應癥方面也無科學的界定，加之手法不當引起脊椎節段損傷也時有發生，在安全性方面還存在爭議。頸椎圍繞在頸髓與脊膜四周，是多條重要神經與血管的匯流之處，同時也承載了頭部的主要運動功能。有學者指出[5]，由于結構復雜、活動頻繁，頸椎人體整個脊柱最容易受損的節段。本課題組在前期頸椎間盤有限元模型的研究工作中發現體位對推拿旋轉手法的作用力有影響，其中在前伸30°、中立位和后伸30°位3 個體位中，后伸30°位對頸椎間盤髓核損傷小，安全性相對較高，這對指導臨床操作具有重要指導意義。本次研究建立在前期研究的基礎上，從髓內壓和髓核位移這2 個參數入手，分析左側屈位和右側屈位時旋轉手法的作用效果。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

成年男性20 名，健康，頸椎生理曲度正常，無退變跡象，平均年齡25 歲，平均體重64kg，平均身高176cm。

1.2 實驗材料

硬件：飛利浦256 層Brilliance CT；GE Achieve 3.0TMRI；高性能電腦。軟件：交互式醫學影像控制系統Mimics 15.0 試用版；逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0；有限元分析軟件Ansys13.0。

2 實驗方法

2.1 有限元模型重建方法

2.1.1 根據CT 及MRI 原始數據建立三維椎體模型采 用256 層Brilliance CT 及Achieve 3.0T MRI 掃 描病人頸椎，圖像保存為DICOM 格式，以Mimics 15.0讀取圖像數據，篩選合適的圖像提取椎骨輪廓，生成骨性蒙板，經過一系列圖像后處理技術自動生成椎骨及髓核3D 模型。將3D 模型以STL 格式輸入逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0 對位組裝，使用橋梁工具、偏移工具、布爾運算等創建椎間盤整體外形，并生成終板、纖維環、縱韌帶、黃韌帶模型。

2.1.2 利用Ansys13.0 軟件生成有限元模型 在Ansys13.0 軟件中對3D 模型組件進行面網格和體網格劃分，以及材料屬性賦值等操作，通過改變材料賦值可模擬椎間盤的健康程度，分別建立健康的椎間盤模型和退變的椎間盤模型。進一步對各個結構之間是否相連，連接方式進行設定，最終建立起建立起三維有限元模型。

2.2 力學載荷處理方法

2.2.1 健康椎間盤有限元模型與實驗模型活動范圍的一致性驗證 給予正常模型C4 節段上表面80N預載荷模擬其以上部分的重量，并分別在C4 椎體前緣、后緣、側緣施加1.0Nm 力矩作用，對模型進行前屈、后伸、左右側屈和旋轉實驗，測量模型各節段的活動范圍。

2.2.2 退變椎間盤模型左側屈位和右側屈位的力學載荷 對退變模型C4 節段施加力學載荷，C4 椎體上端軸向負壓力80 N 模擬頭部重力，軸向正壓力200N 模擬牽引力，繞Z 軸勻速緩慢向左旋轉至25°，此時給予C4 棘突2.2Nm 的向右偏前方30°的旋轉力矩，然后快速旋轉15°，最后快速返回原體位。模擬并分析在頸椎左側屈30°和右側屈30°時進行旋轉的椎間盤形變、位移及等效應力變化。采用Solve 菜單進行計算求解，統計退變模型靜態生理狀態下、開始施壓時以及旋轉結束前三個時間點的髓內壓。

3 結果

3.1 三維有限元模型的建立

研究成功建立了頸椎C4/C6 有限元模型，該模型含19255 個節點，96275 個單元。無論是C4/C5 節段還是C5/C6 節段，其屈伸、側曲、旋轉力矩與實驗模型符合度超過90%（見圖1，表1）。

表1 不同力學加載條件下關節運動范圍

3.2 左側屈位和右側屈位旋轉手法對C4/C5、C5/C6髓內壓及位移的影響

無論是左側屈位還是右側屈位，椎間盤內在應力均集中在纖維環，受力纖維環對側和轉側均出現位移與形變，髓內壓、纖維環壓力及髓核位移的變化基本一致。左側屈位力學加載后C4/C5、C5/C6 髓內壓和髓核位移均小于右側屈位力學加載（見表2）。

表2 不同體位下推拿旋轉手法對C4/C5髓內壓的影響

4 討論

神經根型頸椎病的發病率約占所有頸椎病的60%～70%，椎間盤突出對神經根的機械壓迫是該病的主要機制[6，7]。現代醫學認為，頸部肌肉緊張、小關節紊亂、項部韌帶松弛是頸椎病的三個主要病理改變特點，其中退行性變后的一系列改變和繼發滑膜嵌頓、韌帶剝離常互為因果，加重了對頸椎生物力學平衡的破壞。推拿旋轉手法可迅速起到松解粘連、緩解壓迫的作用，在神經根型頸椎病的臨床治療中應用較為廣泛[8]。選擇恰當的體位是進行旋轉推拿的第一步，臨床上普遍采用患側側屈并向健側旋轉的方法，由于施力不當而引發脊椎損傷的情況偶有發生[9]。關于推拿旋轉手法治療神經根型頸椎病最佳體位尚無權威性報道，這主要是因為脊椎結構復雜，不同病人的病位與病情也存在或多或少的差異，受臨床條件限制，很難開展大樣本的前瞻對照組研究。有限元法也稱有限單元法，最早創立于1943 年，是一種基于彈性力學問題的數值求解方法[10]。通過有限元分析，可較為精準的模擬組織外部和內部結構在機械力作用下產生的細微形態學變化，并可重復利用，大大降低了研究成本[11]。頸椎間盤三維有限元模型的出現為腰椎和頸椎病的機制研究與治療評估提供了新方法[12～14]。

借助于頸椎間盤三維有限元模型，部分學者對推拿旋轉手法的安全體位展開了初步探討。如國內學者黃學成等以1 例25 歲健康成年女性志愿者的頸椎掃描成像結果為基礎，建立了C5/6 節段三維有限元模型，發現在前屈、中立、后伸三種體位下，中立位和后伸位的椎間盤和髓核位移偏小，安全性較高[15]。盡管臨床研究證實前屈位下推拿旋轉手法治療神經根型頸椎病松解效果最佳，但椎間盤損傷和髓核突出的風險也相應增加，因此其適應癥和禁忌癥還需要更加細致的科學界定。本研究在前期工作中借助于頸椎間盤三維有限元模型，分析了前屈位、后伸位和中立位下等同作用力對髓核位移的影響，證實后伸位對頸椎間盤髓核損傷小，安全性相對較高，與黃學成等研究結果基本一致。本實驗建立在前期研究的基礎上，分析左側屈和右側屈位下旋轉推拿手法對頸椎間盤有限元模型應力分布的影響。

本研究選取靜止生理狀態、開始施壓時與旋轉結束前3 個時間點，模擬頸椎旋轉手法的動態過程。研究結果顯示，無論是左側屈位還是右側屈位，椎間盤內在應力均集中在纖維環，受力纖維環對側和轉側均出現位移與形變，髓內壓、纖維環壓力及髓核位移的變化基本一致。左側屈位力學加載后C4/C5、C5/C6 髓內壓和髓核位移均小于右側屈位力學加載。說明在相同的作用力下，右側屈位進行推拿旋轉更容易松懈粘連，但同時也增加了椎間盤損傷和髓核突出的風險。