颈椎旋转手法的数字解剖和有限元分析

高卫星

[摘要] 目的 探讨颈椎牵引治疗椎动脉型颈椎病(CSA)的作用机制,为临床防治CSA提供依据。方法 通过对尸体颈段脊柱的数据测量,在计算机上建立完整颈段脊柱的三维有限元模型,并依据颈椎病(CSA)在颈椎生理曲度减小、变直、反曲三种曲度变化情况的侧位X线片建立二维平面有限元模型。模拟人体坐位颈椎牵引时的情况,在模型上进行一定大小、方向牵引力的加载。结果 (1)在头重情况下各颈椎的钩椎关节、椎间关节主要承受纵轴方向的压应力,且应力值从上到下逐渐加大,横突间相互靠拢;(2)在前屈位牵引时,钩椎关节、椎间关节应力值都随牵引力大小、角度的加大而加大,最大应力值随牵引角度的加大逐渐移向下位颈椎;(3)颈椎生理曲度呈减小、变直或反曲改变时,最大应力值随牵引角度的加大由上位颈椎移向下位颈椎的规律。结论 基底动脉在正常情况下左侧和右侧的椎动脉能互相调节血流量,以应付颈椎活动造成的压迫,使血流正常供应给脑组织。

[关键词] 颈椎病;椎基底动脉;生物力学

[中图分类号] R681.55 [文献标识码] A[文章编号] 1673-9701(2009)34-08-02

椎动脉型颈椎病是以椎动脉受压迫或痉挛引起的椎底动脉供血不足为主要症状的一型颈椎病,其发病率仅次于神经根型颈椎病[1]。其发病年龄多在45岁以上,以50～60岁为多见,其症状多表现为眩晕、头痛、恶心呕吐、吞咽困难、猝倒、持物落地等,严重影响患者的生存和生活质量。其发病机制目前还不十分明确,主要有机械压迫学说和颈交感神经受刺激学说。目前颈椎牵引是较为有效的治疗法之一,但其力值、角度、时间现在仍无定论,临床因牵引不当而导致CSA症状无缓解或加重的情况时有发生,因此研究牵引治疗CSA的生物力学原理,提出合理的牵引方式,用以防治CSA很有必要[2]。本文通过对尸体颈椎及X线片的观察测量,建立颈段脊柱三维及二维有限元模型,探讨牵引治疗CSA的作用机制,并提出合理的牵引方式。

1有限元计算的原理

有限元分析方法是现代工程力学中较常用的计算方法,它作为一种生物力学的分析手段已在医学领域中得到了广泛的应用,而被引入骨科生物力学领域则在20世纪70年代。

2实验材料

防腐成人尸体一具、PⅡ计算机一台、清华紫光扫描仪一台、SUPER-SAP93有限元软件一套、千分尺测量仪、量角仪、X线片。

3实验方法

3.1三维有限元模型建立

从尸体上截取完整的颈段脊柱(C1～T1),剔除肌肉、韧带等软组织制成标本,并拍摄颈椎正侧位X线片,以排除病理标本并确保模型曲度符合正常人体,根据其解剖形态建立C1～T1的三维有限元模型,节点坐标用千分尺测量并记录,依据有限元原则,构建三维单元,其坐标轴以额状轴向左为Y轴正方向,以矢状轴向后为X轴正方向,垂直轴向上为Z轴正方向。模型采用8节点6面体单元,共有647个节点,276个单元,每个节点都有沿XYZ三个方向平移和绕三轴旋转的六个自由度[3,4]。

模型的具体单元体及节点的划分方法如下:①节点的安排是按逆时针方向,由下到上排序,上下对应;②每个椎体分上下三层共有16个单元,椎间盘分一层共有8单元,上下小关节划分为3个单元,椎弓根、横突、椎板各划分为1个单元;③边界条件的设定:为了最大可能的减少由于直接加载造成的误差,本模型将T1椎体上端固定在XY平面上;④在计算机上先建立C1～T1左侧的颈段脊柱模型,然后利用软件的对称翻转功能,在右侧建立完全对称的模型,避免了人工输入造成的误差:⑤模型建立后,将各部位的参数输入,模型各材料系数见表1。

3.2二维有限元模型的建立

选取颈椎生理曲度有改变的三位CSA患者(男性,年龄50～55岁,诊断标准按照全国第二届颈椎病专题会议制定)的侧位X线片。由于正常颈段脊柱是以C4～C5的生理前突来支持头部重力,依据Borden测量法来决定曲度的改变,正常颈椎弧的顶点在C4～C5椎体后缘,正常弧的高度为(12±5)mm,>17mm为弧度变大,<7mm为弧度变小,负值为反曲。具体的测量方法:拍摄患者中立位的X线侧位片,自C2齿突后上缘到C7椎体后下缘做直线,做C4椎体到此直线的垂直距离。三位患者颈椎的颈曲弧度为5、0、-2mm,分别代表颈椎曲度的变小、变直和反曲。以三张X线片为样本,按照1:1比例描绘在坐标纸上,并按照平面四节点单元的原则在计算机内输入坐标,计算机按照有限离散原则自动划分单元和节点,建立二维有限元模型,模型坐标系采用平面直角坐标系,以垂直轴向上为Z轴正方向,矢状轴向后为Y轴正方向。将模型的C7前下缘定为坐标(1,1),具体数值如下:颈曲减小模型有2590个节点及2320个单元;变直模型有1834个节点及1694单元;反曲模型有1812个节点及1636个单元。模型的材料系数同上。

3.3颈椎及颈椎牵引的力学分析

图1为正常颈椎的受力分析及力学模型,以C4～C5为瞬时旋转中心,设头颈部重量为W,力矩为LW,颈部伸肌对头部的拉力为F,力矩为LF,颈椎所受的压力为M,颈前倾角(颈轴线与垂线夹角)为θ,根据力矩平衡原理求得,F×LF=W×LW,其中设LF=3cm,LW=12cm,故F=4W。颈椎所受的压力为头部重力W在颈轴方向上的分力与颈部肌肉为维持头部平衡所施加的拉力之和F,即M=F+Wsinθ=W(LW/LF+sinθ)。对于确定姿势的人来讲,其LF和LW是固定的,由此可知正常人颈椎所受的压力与颈椎前倾角θ有关,并和体重(头重)成正比。即在一定范围之内,头部的前倾角度越大(头埋得越深)颈椎所受的压力越大,就更易造成颈椎增生等疾病[5]。据此,我们认为颈椎局部的应力异常是产生颈椎病的主要原因之一。同时表明椎体的主要受力与头重及头颈部的前倾角度有关,牵引克服了头部重力,而颈部周围肌肉群对颈椎的压力即能够消除,同时被拉紧的肌肉对颈椎的约束作用,有调节颈椎不稳的功效。

3.4加载方法

本实验将颈段脊柱简化为上段自由,下段固定的弹性曲杆,根据人体颈部正常重力线,将加载点定为寰枕关节面,平齿突处。牵引方向在矢状面内向上,又据医学统计学可知,正常人头重约为体重的7%,设正常成年人体重为60kg,则其头部重量为60×7%=4.2kg,牵引力值依据体重的5%、10%、15%、20%,选择常用的3、6、9、12kg,分析牵引时颈椎主要受到头部重力、牵引力、前后纵韧带的作用力等。依据头颈屈伸的角度不同,将牵引力F分解为X轴上的Fsinθ和Z轴上的Fcosθ,考虑到头部重力W,则X、Z轴上的加载力分别为Fsinθ、Fcosθ-W,改变加载点力值大小,研究正常人体钩椎关节、椎间关节在不同牵引重量、及头颈部中立位、及前屈、后伸各10°、15°、20°、25°、30°共11种体位下的应力及椎体横突纵轴间的距离改变情况。

4讨论

CSA的发病机制至今仍然不十分清楚,但主要有机械压迫学说和交感神经受刺激学说,可以从以下几点解释:

(1)颈椎骨性病变及骨赘压迫:当横突孔周围有骨质增生时,将压迫椎动脉,引起CSA[6]。

(2)钩椎关节与CSA的关系:临床发现钩椎关节增生相当常见,占88%,认为与UTAC的功能变迁有关,即上下椎体之间,正常椎间盘能够起到吸收,缓和冲击能量的作用,从而改善相邻椎体表面的应力分布,而当椎间盘发生退变变薄时,钩突接近上位椎体,此时钩突成为应力集中区,其应力将水平高于椎体的任何部位。

(3)椎动脉和颈椎的正常关系被破坏:由于颈椎间盘发生退行性变性椎间隙必然变狭窄,甚至完全消失。椎间盘退化变薄,必使颈椎的高度缩短,椎动脉相对延长;随着年龄的增加,富有弹性回缩力的动脉发生变性,动脉弹力减弱是继发的次要因素。

[参考文献]

[1] 张云凌. 针刺单穴(悬钟)治疗神经根型颈椎病的临床观察[J]. 福建中医学院,2006,17(6):324.

[2] 冯世庆,杨明杰,孔晓红,等. 椎动脉型颈椎病血浆内皮素变化[J]. 中华骨科杂志,1997,17(6):387.

[3] 邵建萍. 颈椎病牵引体位初探[J]. 中国中医骨伤科,1989,5(6):54.

[4] 周章武,王金富. 颈椎病牵引位置的探讨[J]. 中国中医骨伤科,1996, 4(1):35-36.

[5] 吴弢,高翔,施杞,等. 针灸配合地黄饮子加减方治疗脊髓型颈椎病30例[J]. 上海针灸杂志,2004,3:306.

[6] 李凯. 针灸加穴位注射治疗椎动脉型颈椎病的临床研究[J]. 湖北中医学院,2006,26(2):156.

(收稿日期:2009-07-09)