有限元软件三维动态图下缠丝劲手法旋转复位治疗颈椎小关节紊乱的应用研究

张增高 张新琪 丰 磊

颈椎小关节紊乱症是日常生活中常见的颈部疾患,不适当的运动和劳作,外伤及长期劳损或受凉等因素诱导而引起的"筋出槽,骨错缝"是造成颈椎损伤的主要原因,导致颈椎失稳,颈椎小关节超出正常的运动轨迹,从而导致颈椎小关节面之间发生微小的移动、错位,同时伴有椎体一定程度的旋转移位,使上、下关节突所组成的椎间孔的横、纵径减小,其主要的症状是引起患者颈椎紧张、疼痛及僵直,伴随颈椎活动受限,甚至部分重症患者出现上肢麻木、眩晕、恶心、失眠健忘、视力模糊及咽部异物感等[1-3].

目前,各种中医治疗手段被广泛应用于颈椎小关节紊乱症,尤其是中医缠丝劲手法旋转复位治疗,施法以螺旋缠绕的方式,达到力量贯于指掌的效果.由于螺旋缠绕的力量,具有极柔软和强渗透的双重特性力量作用于颈椎不至令患者感到突然和生硬,且费用低、疗效好、无不良反应等优点,被广泛应用于临床治疗.但常因操作者如何运用手法、角度及力度不具备定量标准和操作规范,对缠丝劲手法缺乏科学解释和阐述等问题一直是目前部分学者批评或质疑传统手法的原因.在循证医学不断得到重视的今天,应用先进的方法研究传统手法的作用机制显得非常重要,尤其是对其生物力学原理的研究意义更为突出[4].为此,本研究通过利用有限元分析法模拟缠丝劲的旋转复位手法的应力分布的科学计算,将其结果进行分析,并作为缠丝劲手法治疗颈椎小关节紊乱症力学依据和量化参考标准.

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2018年3月于青岛市胶州中心医院门诊接受治疗的1例颈椎病男性患者,年龄29岁,身高182 cm,体重83 kg,经X射线检查和动静态触诊确诊其颈椎C5节段发生后仰式错缝(错位),同时排除颈椎创伤、畸形、骨折、肿瘤、结核等异常.患者签署知情同意书.

1.2 仪器设备

采用SOMATOM Definition AS+64排螺旋CT扫描机(德国西门子);Ansys Workbench 15.0有限元分析软件(美国Ansys公司);Mimics 10.01医学图像处理软件(比利时Materialise公司);Geomagic Studio逆向工程软件(美国Geomagic公司).

1.3 扫描方法

采用64排螺旋CT扫描机进行螺旋扫描及断层图像处理获取CT扫描数据.扫描时患者取仰卧位,尽量保持扫描断面与身体长轴垂直.扫描参数:管电压120 kV,管电流200 mA,扫描范围颅底至C7节段下方以层厚1.0 mm进行扫描,得到CT断层扫描图像483张,扫描数据以医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine,DICOM)格式直接存储.

1.4 颈椎 C1~7节段三维有限元模型建立

将DICOM格式的CT扫描数据导入Mimics 10.01软件,将各节段椎骨连接部分手动分离并进行骨节缝隙填充,最后进行三维转换,形成颈椎椎骨面网格模型,再将生成的数据逐个导入软件自带的网格优化工具Magics中进行优化.参照文献[5-6]赋予各结构材料学参数,弹性模量(Young's modulus)和泊松比(Poisson's ratio)各参数见表1.

表1 颈椎病患者有限元模型的单元类型和材料参数

1.5 有限元仿真形变及应力计算

运用有限元法对物体的形变进行计算机建模,推导有限元法对物体形变的计算过程,创建颈椎小关节紊乱症旋转复位模型.计算机建模完成后对出现小关节紊乱椎骨节段应用有限元形变软件仿真模拟缠丝劲手法矫正颈椎错缝,由软件计算颈椎错缝形变过程中椎间盘和关节突关节在形变前后的应力变化.

1.6 观察指标

观察指标主要包括:①建立颈椎C4节段错缝有限元模型,观察错缝节段C4椎骨三维空间位移;②建立颈椎C4节段错缝有限元形变模型,对比错缝节段C4椎骨旋转复位前后位置关系;③分析颈椎C4节段旋转复位后关节突关节及椎间盘应力变化,观察错缝节段C4椎骨对相邻颈椎小关节及椎间盘的应力影响.

2 结果

2.1 缠丝劲手法的模拟

本研究试验模拟对颈椎向右侧进行坐位拔伸旋转手法,按照手法的操作及要求设置坐位时头部对颈椎的压力为100 N以模拟头部重力,然后0.5 s内逐渐给予其连续的0~220 N流线状变化的牵引力模拟缠丝劲手法的拔伸动作.之后,模拟缠丝扳颈时不断地旋转扳颈角度,旋扳角度设置范围为15°~20°.

2.2 椎体C4节段错缝有限元仿真模型建立

对颈椎病患者进行颈椎X射线拍片,拍片显示C4椎体呈现错缝(见图1),C3~4节段棘突间距大于C4~5棘突间距;将DICOM格式的图像(483幅)数据读入三维重建软件,在软件界面上操作分割出C3~5节段DICOM数据图像38~186层,共149幅.

图1 颈椎病患者颈椎X射线图像

依据DICOM数据对错缝节段的C3~5椎体和椎间盘按前述方法进行有限元模型的三维重建,得到椎骨错缝有限元仿真模型,见图2.

图2 椎骨错缝有限元仿真模型

三维有限元模型观察结果表明,三维有限元仿真模型从三维角度反映了错缝椎骨C4与相邻椎骨之间的位置关系,即C4椎体错缝的空间位移是:下平移0.7 mm,绕X轴逆时针旋转6°.

2.3 C4节段错缝有限元形变模型建立

基于上述有限元模型,应用有限元形变软件仿真模拟缠丝劲手法旋转C4节段至正常位置.本例患者上平移0.7 mm,绕X轴顺时针旋转6°.旋转复位前后C4节段位置对照见图3.

图3 仿真模拟缠丝劲手法旋转C4复位

2.4 C4节段旋转复位后颈椎小关节及椎间盘应力变化

根据上述原理中所提方法计算节点位移向量a,由公式算出应力,主要包括了具体应力张量大小和方向.结果表明,错缝节段C4对相邻节段C3~4、C4~5的椎间盘和颈椎小关节都产生了明显的应力,对本研究实验而言,发生的应力主要是旋转力和压力的合力;其中相邻节段受到的应力分布相比,C4~5颈椎小关节和椎间盘的压力旋转力均显著大于C3~4椎间盘和颈椎小关节受到的压力;同一节段应力分布情况中,C4~5节段的扭矩力主要分布于两侧颈椎小关节和椎间盘后缘,以X轴向为主;C4~5节段的压力主要分布于两侧颈椎小关节,其次是椎间盘后缘,压力以X轴和Z轴方向为主.

3 讨论

有研究显示,中医学认为颈椎病的发病机理是"气血滞、筋出槽、骨错缝",许多研究已将计算机技术、有限元分析法与传统的中医手法相结合,利用有限元分析法模拟手法作用时,观察作用部位应力-应变以及生物力学特性的改变情况,并且可以使用图像、图形等技术手段对计算数据和结果进行直观、动态的表达,尤其可以将所建模型内部生物力学特性和应力-应变的变化过程通过动态的方式更加直观的展示出来,这也是其他传统手段无法达到的,较使用普通生物力学方法来测量外在的应力-应变变化情况更具临床意义.缠丝劲手法治疗颈椎小关节紊乱的有效病例的复查CT扫描也充分证实缠丝劲手法可以有效地旋转复位错缝椎骨关节[7].

本研究初步探讨如何从生物力学实验角度来进一步证实颈椎"椎骨错缝"是颈椎小关节紊乱症的主要病理环节之一,以及缠丝劲手法旋转复位治疗方法针对这一病理环节对颈椎小关节紊乱症预防的生物力学机制所在.为了解决这一问题,本研究选择1例触诊和X射线检查提示发生颈椎"骨错缝"的颈椎小关节紊乱症患者,CT扫描颈椎部位,对错缝节段椎节C3、C5建立三维有限元模型,再运用软件对错缝椎体C4进行了仿真缠丝劲手法矫正,应用有限元分析软件观测了旋转复位前后C4椎体对C3~4、C4~5节段的颈椎小关节和椎间盘的应力变化情况.结果显示,错缝节段C4对相邻节段C3~4、C4~5的颈椎小关节和椎间盘都产生了明显的应力,本研究中发生的应力主要是旋转力和压力的合力.其中,同一节段应力分布情况为:①C4~5节段的压力主要分布于颈椎两侧小关节和椎间盘后缘,且以X轴和Z轴方向为主;②C4~5节段的旋转力主要分布于两侧小关节和椎间盘后缘,以X轴向为主;③相邻节段受到的应力分布相比,C4~5颈椎小关节和椎间盘的旋转力和压力均明显大于C3~4颈椎小关节和椎间盘受到的旋转力和压力.

颈椎小关节和椎间盘都是颈椎的重要构成结构,颈椎小关节通过向前剪切载荷、对抗压缩以及导向控制保持椎体的稳定性[8].而颈椎的稳定性反映了载荷与其作用下所发生位移之间的关系[9].载荷一定时,位移越大,稳定性就越差.而"椎骨错缝"即是颈椎小关节发生一定的位移(错缝),但就是这微小位移即可造成颈椎在正常载荷下出现了异常活动变形.本研究显示,错缝节段C4不仅存在着一定的后仰式位移,而且C4节段还对相邻节段C3~4、C4~5的颈椎小关节和椎间盘都产生了明显的应力.在这种异常应力作用下,颈椎小关节会脱离正常的运动轨道,久而久之则会加重"错缝"节段关节的错位程度,从而加深颈椎节段性失稳.随着节段性失稳愈发加重对颈椎周围韧带、血管、肌腱及神经的刺激,从而出现临床症状.而缠丝劲正骨手法正是通过纠正"错缝椎骨"对颈椎的异常应力,重建颈椎稳定性而达到对颈椎小关节紊乱症的有效治疗.

"椎骨错缝"会对颈椎周围血管、神经及韧带产生机械性压迫而引发临床症状,缠丝劲手法机制在于旋转复位"椎骨错缝",解除机械性压迫;但这一学说很难解释那些病例"椎骨错缝"未明显纠正,而临床症状却治愈的现象,因此对于手法矫正"椎骨错缝"的机制认识,除了考虑"矫正错缝,解除机械压迫"外,还应重视手法调整关节或软组织应力等角度的研究.本研究认为,错缝节段会给相邻节段的颈椎小关节或椎间盘等关节带来异常应力.本研究发现,椎骨发生后仰式错缝,会对下位颈椎小关节产生较大的应力,且应力主要集中在颈椎小关节,有限元仿真缠丝劲手法旋转复位错缝椎骨后,颈椎小关节应力发生明显改变.有研究证实,颈椎小关节是维持颈椎稳定性的主要解剖结构,颈椎小关节异常应力受到损害,则会引起颈椎稳定性的破坏,使颈椎周围神经、血管受到刺激而引发临床症状[10-13].而中医缠丝劲手法正骨治疗颈椎小关节紊乱症的关键是,通过手法旋转复位错缝椎骨关节对颈椎小关节和椎间盘间的应力进行改善,恢复椎骨关节的正常功能活动,重建其力学平衡,同时,缠丝劲手法可以将皮毛肉筋揉起,具有温经通络、活血化瘀的作用.因此,虽然有些颈椎小关节紊乱症经缠丝劲手法治疗后,椎骨错缝未见明显改善,但其临床症状却得到了治愈,其原因主要是在于有效调整了颈椎小关节和椎间盘的异常应力,恢复椎骨关节的功能活动,解除颈部肌腱、韧带痉挛,重建颈椎力学平衡[14].

通过三维有限元软件建立颈椎模型,能更好地模拟缠丝劲手法的临床状态,可以达到和生物力学试验大致相同的结果,运用计算机医学影像技术将结果直观、动态的显示出来,为研究缠丝劲手法治疗机制及其生物力学特性提供了很好的技术手段[15].

应用现代科学的先进技术从形态学、生物力学方面对缠丝劲手法进行研究,推测缠丝劲手法正骨治疗机制,将计算机医学影像、有限元分析方法和传统缠丝劲手法正骨治疗相结合,从而能够准确的反映颈椎的生物力学特性,使研究的结果更加精确.