颈椎间盘有限元模型分析旋转手法髓核受力与体位的关系

刘建辉，朱建忠，潘福勤，张海峰，庞 胤

（1. 沧州医学高等专科学校解剖教研室，河北 沧州 061001；2.沧州医学高等专科学校口腔系）

随着现代生活与工作方式的转变以及老龄化社会的到来，颈椎疾病的发病率越来越高，已变成临床常见病和多发病[1，2]。旋转推拿手法是临床治疗颈椎病，尤其是神经根型颈椎病的主要保守疗法之一，能够迅速缓解疼痛和椎弓根压迫，其有效性已得到大量临床验证[3，4]。然而，目前存在的旋转推拿手法流派各异，操作规范缺乏统一标准，在适应症方面也无科学的界定，加之手法不当引起脊椎节段损伤也时有发生，在安全性方面还存在争议。颈椎围绕在颈髓与脊膜四周，是多条重要神经与血管的汇流之处，同时也承载了头部的主要运动功能。有学者指出[5]，由于结构复杂、活动频繁，颈椎人体整个脊柱最容易受损的节段。本课题组在前期颈椎间盘有限元模型的研究工作中发现体位对推拿旋转手法的作用力有影响，其中在前伸30°、中立位和后伸30°位3 个体位中，后伸30°位对颈椎间盘髓核损伤小，安全性相对较高，这对指导临床操作具有重要指导意义。本次研究建立在前期研究的基础上，从髓内压和髓核位移这2 个参数入手，分析左侧屈位和右侧屈位时旋转手法的作用效果。

1 材料与方法

1.1 实验对象

成年男性20 名，健康，颈椎生理曲度正常，无退变迹象，平均年龄25 岁，平均体重64kg，平均身高176cm。

1.2 实验材料

硬件：飞利浦256 层Brilliance CT；GE Achieve 3.0TMRI；高性能电脑。软件：交互式医学影像控制系统Mimics 15.0 试用版；逆向工程软件Geomagic Studio 12.0；有限元分析软件Ansys13.0。

2 实验方法

2.1 有限元模型重建方法

2.1.1 根据CT 及MRI 原始数据建立三维椎体模型采 用256 层Brilliance CT 及Achieve 3.0T MRI 扫 描病人颈椎，图像保存为DICOM 格式，以Mimics 15.0读取图像数据，筛选合适的图像提取椎骨轮廓，生成骨性蒙板，经过一系列图像后处理技术自动生成椎骨及髓核3D 模型。将3D 模型以STL 格式输入逆向工程软件Geomagic Studio 12.0 对位组装，使用桥梁工具、偏移工具、布尔运算等创建椎间盘整体外形，并生成终板、纤维环、纵韧带、黄韧带模型。

2.1.2 利用Ansys13.0 软件生成有限元模型 在Ansys13.0 软件中对3D 模型组件进行面网格和体网格划分，以及材料属性赋值等操作，通过改变材料赋值可模拟椎间盘的健康程度，分别建立健康的椎间盘模型和退变的椎间盘模型。进一步对各个结构之间是否相连，连接方式进行设定，最终建立起建立起三维有限元模型。

2.2 力学载荷处理方法

2.2.1 健康椎间盘有限元模型与实验模型活动范围的一致性验证 给予正常模型C4 节段上表面80N预载荷模拟其以上部分的重量，并分别在C4 椎体前缘、后缘、侧缘施加1.0Nm 力矩作用，对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和旋转实验，测量模型各节段的活动范围。

2.2.2 退变椎间盘模型左侧屈位和右侧屈位的力学载荷 对退变模型C4 节段施加力学载荷，C4 椎体上端轴向负压力80 N 模拟头部重力，轴向正压力200N 模拟牵引力，绕Z 轴匀速缓慢向左旋转至25°，此时给予C4 棘突2.2Nm 的向右偏前方30°的旋转力矩，然后快速旋转15°，最后快速返回原体位。模拟并分析在颈椎左侧屈30°和右侧屈30°时进行旋转的椎间盘形变、位移及等效应力变化。采用Solve 菜单进行计算求解，统计退变模型静态生理状态下、开始施压时以及旋转结束前三个时间点的髓内压。

3 结果

3.1 三维有限元模型的建立

研究成功建立了颈椎C4/C6 有限元模型，该模型含19255 个节点，96275 个单元。无论是C4/C5 节段还是C5/C6 节段，其屈伸、侧曲、旋转力矩与实验模型符合度超过90%（见图1，表1）。

表1 不同力学加载条件下关节运动范围

3.2 左侧屈位和右侧屈位旋转手法对C4/C5、C5/C6髓内压及位移的影响

无论是左侧屈位还是右侧屈位，椎间盘内在应力均集中在纤维环，受力纤维环对侧和转侧均出现位移与形变，髓内压、纤维环压力及髓核位移的变化基本一致。左侧屈位力学加载后C4/C5、C5/C6 髓内压和髓核位移均小于右侧屈位力学加载（见表2）。

表2 不同体位下推拿旋转手法对C4/C5髓内压的影响

4 讨论

神经根型颈椎病的发病率约占所有颈椎病的60%～70%，椎间盘突出对神经根的机械压迫是该病的主要机制[6，7]。现代医学认为，颈部肌肉紧张、小关节紊乱、项部韧带松弛是颈椎病的三个主要病理改变特点，其中退行性变后的一系列改变和继发滑膜嵌顿、韧带剥离常互为因果，加重了对颈椎生物力学平衡的破坏。推拿旋转手法可迅速起到松解粘连、缓解压迫的作用，在神经根型颈椎病的临床治疗中应用较为广泛[8]。选择恰当的体位是进行旋转推拿的第一步，临床上普遍采用患侧侧屈并向健侧旋转的方法，由于施力不当而引发脊椎损伤的情况偶有发生[9]。关于推拿旋转手法治疗神经根型颈椎病最佳体位尚无权威性报道，这主要是因为脊椎结构复杂，不同病人的病位与病情也存在或多或少的差异，受临床条件限制，很难开展大样本的前瞻对照组研究。有限元法也称有限单元法，最早创立于1943 年，是一种基于弹性力学问题的数值求解方法[10]。通过有限元分析，可较为精准的模拟组织外部和内部结构在机械力作用下产生的细微形态学变化，并可重复利用，大大降低了研究成本[11]。颈椎间盘三维有限元模型的出现为腰椎和颈椎病的机制研究与治疗评估提供了新方法[12～14]。

借助于颈椎间盘三维有限元模型，部分学者对推拿旋转手法的安全体位展开了初步探讨。如国内学者黄学成等以1 例25 岁健康成年女性志愿者的颈椎扫描成像结果为基础，建立了C5/6 节段三维有限元模型，发现在前屈、中立、后伸三种体位下，中立位和后伸位的椎间盘和髓核位移偏小，安全性较高[15]。尽管临床研究证实前屈位下推拿旋转手法治疗神经根型颈椎病松解效果最佳，但椎间盘损伤和髓核突出的风险也相应增加，因此其适应症和禁忌症还需要更加细致的科学界定。本研究在前期工作中借助于颈椎间盘三维有限元模型，分析了前屈位、后伸位和中立位下等同作用力对髓核位移的影响，证实后伸位对颈椎间盘髓核损伤小，安全性相对较高，与黄学成等研究结果基本一致。本实验建立在前期研究的基础上，分析左侧屈和右侧屈位下旋转推拿手法对颈椎间盘有限元模型应力分布的影响。

本研究选取静止生理状态、开始施压时与旋转结束前3 个时间点，模拟颈椎旋转手法的动态过程。研究结果显示，无论是左侧屈位还是右侧屈位，椎间盘内在应力均集中在纤维环，受力纤维环对侧和转侧均出现位移与形变，髓内压、纤维环压力及髓核位移的变化基本一致。左侧屈位力学加载后C4/C5、C5/C6 髓内压和髓核位移均小于右侧屈位力学加载。说明在相同的作用力下，右侧屈位进行推拿旋转更容易松懈粘连，但同时也增加了椎间盘损伤和髓核突出的风险。