黃學(xué)成，葉林強，江曉兵，王千里，余偉波，梁德(1廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣州510405；廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院)

神經(jīng)根型頸椎病(CSR)是以神經(jīng)根受累為主要表現(xiàn)的頸椎病[1]。椎間盤突出對神經(jīng)根的機械壓迫及由此引起的炎癥因子刺激是CSR發(fā)病的主要機制[2]。旋轉(zhuǎn)手法是治療CSR的重要保守療法之一，能迅速緩解根性疼痛、改善癥狀,但若操作不當(dāng)，也可導(dǎo)致頸椎間盤突出加重、癥狀加劇[3，4]。頸椎體位是實施旋轉(zhuǎn)手法的第一步，合理的體位是順利實施手法的基礎(chǔ)，更是影響療效和安全性的重要因素。目前，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)手法治療CSR時向患側(cè)側(cè)屈并向健側(cè)旋轉(zhuǎn)是臨床中最常用的頸椎體位[5,6]。生物力學(xué)和三維有限元實驗證實，向健側(cè)旋轉(zhuǎn)可增加患側(cè)椎間盤與受累神經(jīng)根的相對位移，從而減輕神經(jīng)根受壓，松解局部組織粘連，緩解疼痛癥狀[7,8]。2017年5～8月，本研究利用三維有限元模擬頸椎分別于左、右側(cè)屈位下行旋轉(zhuǎn)手法，探討該手法在不同方向側(cè)屈體位下對頸椎間盤位移及內(nèi)在應(yīng)力的影響。

1 臨床資料

選擇2016年11月來自廣州中醫(yī)藥大學(xué)的1名成年健康女性志愿者，年齡25歲，身高165 cm，體質(zhì)量55 kg。排除脊柱創(chuàng)傷、嚴(yán)重退行性變、畸形、腫瘤等。本研究通過廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核，志愿者簽署知情同意書。

2 方法與結(jié)果

2.1 C5/6三維有限元模型建立 采用德國西門子公司生產(chǎn)的64排螺旋CT掃描儀掃描志愿者的頸椎，掃描層厚和層間距均為0.625 mm，掃描圖像以DICOM格式保存。利用Mimics10.01軟件讀取DICOM格式圖像文件，通過閾值分割、擦除、填充等功能提取C5/6椎體信息，通過三維重建功能重建C5/6椎體。將模型以點云格式文件從Mimics10.01軟件輸出，導(dǎo)入到Geomagic2012逆向工程軟件，光滑處理椎體模型，生成幾何實體，輸出為stp文件。將幾何實體文件導(dǎo)入到Solidworks2014軟件，在C5/6椎體輪廓的基礎(chǔ)上進(jìn)行皮質(zhì)骨、纖維環(huán)、髓核、軟骨終板、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨及韌帶建模。皮質(zhì)骨和軟骨終板的厚度均為0.4 mm，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨的厚度為0.5 mm，髓核占整個椎間盤體積的43%[9]，纖維環(huán)的纖維體積約占纖維環(huán)體積的20%[10]，纖維呈剪刀方式走行，并與椎間盤平面呈15°～45°[11]。三維有限元模型的韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、黃韌帶及關(guān)節(jié)囊，韌帶的起始點參考解剖書上描述的附著點。在三維有限元分析軟件Ansys Workbench14.5中導(dǎo)入以上模型，進(jìn)行裝配、材料屬性賦予、相互關(guān)系定義和網(wǎng)格劃分。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)軟骨、纖維環(huán)和髓核的單元類型定義為四面體實體單元，韌帶、關(guān)節(jié)囊和纖維定義為桁架單元，只承受拉力，不承受壓力和剪切力，材料屬性定義為線性、均質(zhì)、各向同性[12～14]。C5/6有限元模型的材料屬性見表1。結(jié)果顯示，最終所建頸椎C5/6三維有限元模型共有194 842個節(jié)點，119 268個單元，高度模擬了頸椎C5/6的結(jié)構(gòu)與材料特性。

表1 C5/6有限元模型的材料屬性

2.2 C5/6三維有限元模型驗證 關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，其余各部分的相互關(guān)系設(shè)定為綁定。完全固定C6下終板，在C5上終板持續(xù)施加垂直向下的載荷73.6 N，以模擬自身重力。同時在各解剖平面(矢狀面、冠狀面和橫斷面)分別施加扭矩1.8 Nm，以模擬前屈、后伸、側(cè)屈及軸向旋轉(zhuǎn)。計算模型在各個動作下的三維運動范圍，并與相同邊界條件和加載條件下的三維有限元分析實驗[14]和尸體生物力學(xué)實驗[15]結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證模型的有效性。結(jié)果顯示，本研究C5/6三維有限元模型在前屈+后伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)加載條件下的運動范圍分別為8.9°、2.5°、2.8°，與Ganbat等[14]的三維有限元分析實驗結(jié)果(8.4°、1.7°、2.2°)、Moroney等[15]的尸體生物力學(xué)實驗結(jié)果(5.3°～12.9°、1.7°～7.7°、1.2°～2.5°)基本相同。證實該C5/6三維有限元模型是有效的。

2.3 左、右側(cè)屈體位下頸椎旋轉(zhuǎn)手法對椎間盤位移和內(nèi)在應(yīng)力的影響 左、右側(cè)屈體位下頸椎旋轉(zhuǎn)手法的模擬和加載：①固定C6椎體下終板；②將C5/6三維有限元模型繞Y 軸分別旋轉(zhuǎn)3°、-3°，以模擬手法治療之前的左側(cè)屈、右側(cè)屈體位；③Z 軸順時針方向(向右)旋轉(zhuǎn)3°，以模擬手法治療前向右旋轉(zhuǎn)達(dá)固定位；④在0.15 s內(nèi)，Z軸順時針方向(向右)旋轉(zhuǎn)1°，以模擬手法順勢扳動。結(jié)果顯示，在左、右側(cè)屈體位下，C5/6三維有限元模型纖維環(huán)左側(cè)的后部均出現(xiàn)向左、向前、拉伸回縮變形，其中Y軸向前回縮位移明顯，左側(cè)屈位(0.93 mm)小于右側(cè)屈位(1.12 mm)；纖維環(huán)右側(cè)的后部均出現(xiàn)向左、向后、壓縮膨出變形，其中Y軸向后膨出位移明顯，左側(cè)屈位(0.36 mm)小于右側(cè)屈位(0.43 mm)。椎間盤內(nèi)在應(yīng)力的變化趨勢與位移一致，左側(cè)屈位時椎間盤內(nèi)在應(yīng)力集中于纖維環(huán)右側(cè)后部，最大達(dá)7.00 MPa，右側(cè)屈位時椎間盤內(nèi)在應(yīng)力集中于纖維環(huán)左側(cè)后部，最大達(dá)8.19 MPa。髓核的位移與應(yīng)力均較小，其位移、應(yīng)力與椎間盤整體的變化趨勢一致。

3 討論

關(guān)于旋轉(zhuǎn)手法治療CSR的機制，目前研究多認(rèn)為可能與旋轉(zhuǎn)手法可改變突出物與神經(jīng)根的位置關(guān)系，從而減輕神經(jīng)根受壓、松解局部組織粘連、緩解疼痛等癥狀有關(guān)[16，17]。三維有限元分析法在頸椎生物力學(xué)中的應(yīng)用是指運用影像學(xué)和數(shù)學(xué)方法還原頸椎的結(jié)構(gòu)形狀，定義載荷邊界條件及附加材料屬性等，通過改變參數(shù)來觀察其對頸椎結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，并與生理狀態(tài)下頸椎的力學(xué)特性進(jìn)行比較，從而解釋病理過程對頸椎力學(xué)特性的影響。該方法能夠提供椎體、椎間盤、韌帶、軟骨應(yīng)力等方面的詳細(xì)數(shù)據(jù)，有可重復(fù)實驗、節(jié)約實驗材料成本等優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已可建成復(fù)雜的全頸椎模型[18]，運用有限元分析法可對該模型行精確的定量及定性分析。

以往關(guān)于頸椎的生物力學(xué)研究，大多涉及一個或較少的運動節(jié)段[19]。因本研究主要探討CSR，而C5/6節(jié)段又是CSR的高發(fā)節(jié)段，故單獨建立頸椎C5/6模型進(jìn)行研究。本研究建立三維有限元模型并分別在左、右側(cè)屈位下向右旋轉(zhuǎn)，以模擬頸椎旋轉(zhuǎn)手法；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實施手法時椎間盤左側(cè)后部的纖維環(huán)均發(fā)生向外、向前、向上的拉伸回縮變形，有利于椎間盤和神經(jīng)根發(fā)生相對位移，從而達(dá)到松解粘連的目的。但在手法操作過程中，椎間盤右側(cè)后部的纖維環(huán)均發(fā)生向內(nèi)、向后、向下壓縮膨出變形，提示旋轉(zhuǎn)側(cè)后部的椎間盤有壓迫神經(jīng)根甚至脊髓的風(fēng)險。本研究通過模擬左、右側(cè)屈體位下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)手法，發(fā)現(xiàn)左側(cè)屈位時椎間盤左側(cè)后部纖維環(huán)向前的回縮變形程度小于右側(cè)屈位，且左側(cè)屈位時椎間盤右側(cè)后部纖維環(huán)向后的膨出變形程度也小于右側(cè)屈位；說明頸椎同樣是向右旋轉(zhuǎn)，在左側(cè)屈位時神經(jīng)根松解粘連的效果不如右側(cè)屈位，但左側(cè)屈位時椎間盤右側(cè)后部的纖維環(huán)向后膨出的風(fēng)險小于右側(cè)屈位。另外本研究結(jié)果顯示，左側(cè)屈位時椎間盤內(nèi)在應(yīng)力小于右側(cè)屈位，并且集中在旋轉(zhuǎn)對側(cè)纖維環(huán)的后部，而非旋轉(zhuǎn)側(cè)纖維環(huán)的后部；說明頸椎向右旋轉(zhuǎn)時，向左側(cè)屈更有利于保護(hù)同側(cè)椎間盤，降低因手法操作造成頸椎間盤醫(yī)源性損傷的風(fēng)險。因此，若使用旋轉(zhuǎn)手法治療CSR，向健側(cè)旋頸時應(yīng)向患側(cè)側(cè)屈，這樣可在緩解癥狀的同時，降低患側(cè)椎間盤二次損傷的風(fēng)險。

本研究建立的是正常頸椎的三維有限元模型，椎間盤沒有發(fā)生退行性改變，未能完全模擬CSR患者退變的椎間盤。但椎間盤位移的變化趨勢是本研究的關(guān)鍵，無論是正常椎間盤還是退變的椎間盤，都屬于黏彈性物質(zhì)，屬性一致。在同樣邊界的手法模擬作用下，盡管退變的椎間盤及鄰近節(jié)段所承受的應(yīng)力比正常的更大[20,21]，位移的數(shù)值也與正常椎間盤不一致，但椎間盤的整體位移趨勢是一致的。另外，本研究是探討左、右側(cè)屈體位下旋轉(zhuǎn)手法對頸椎間盤位移和應(yīng)力的變化，椎間盤的屬性和邊界條件等組間基準(zhǔn)資料是一致的。因此，用正常的椎間盤模擬和預(yù)測病理狀態(tài)下的手法操作，對于椎間盤整體運動趨勢的影響是一致的。

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