旋轉手法中側屈方向對頸椎間盤位移、內在應力的影響及意義

黃學成，葉林強，江曉兵，王千里，余偉波，梁德(1廣州中醫藥大學第一臨床醫學院，廣州510405；廣州中醫藥大學第一附屬醫院)

神經根型頸椎病(CSR)是以神經根受累為主要表現的頸椎病[1]。椎間盤突出對神經根的機械壓迫及由此引起的炎癥因子刺激是CSR發病的主要機制[2]。旋轉手法是治療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，也可導致頸椎間盤突出加重、癥狀加劇[3，4]。頸椎體位是實施旋轉手法的第一步，合理的體位是順利實施手法的基礎，更是影響療效和安全性的重要因素。目前，應用旋轉手法治療CSR時向患側側屈并向健側旋轉是臨床中最常用的頸椎體位[5,6]。生物力學和三維有限元實驗證實，向健側旋轉可增加患側椎間盤與受累神經根的相對位移，從而減輕神經根受壓，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、右側屈位下行旋轉手法，探討該手法在不同方向側屈體位下對頸椎間盤位移及內在應力的影響。

1 臨床資料

選擇2016年11月來自廣州中醫藥大學的1名成年健康女性志愿者，年齡25歲，身高165 cm，體質量55 kg。排除脊柱創傷、嚴重退行性變、畸形、腫瘤等。本研究通過廣州中醫藥大學第一附屬醫院醫學倫理委員會審核，志愿者簽署知情同意書。

2 方法與結果

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。將幾何實體文件導入到Solidworks2014軟件，在C5/6椎體輪廓的基礎上進行皮質骨、纖維環、髓核、軟骨終板、關節突關節軟骨及韌帶建模。皮質骨和軟骨終板的厚度均為0.4 mm，關節突關節軟骨的厚度為0.5 mm，髓核占整個椎間盤體積的43%[9]，纖維環的纖維體積約占纖維環體積的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、黃韌帶及關節囊，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中導入以上模型，進行裝配、材料屬性賦予、相互關系定義和網格劃分。皮質骨、松質骨、終板、關節突關節軟骨、纖維環和髓核的單元類型定義為四面體實體單元，韌帶、關節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、各向同性[12～14]。C5/6有限元模型的材料屬性見表1。結果顯示，最終所建頸椎C5/6三維有限元模型共有194 842個節點，119 268個單元，高度模擬了頸椎C5/6的結構與材料特性。

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 關節突關節摩擦系數設定為0.1，其余各部分的相互關系設定為綁定。完全固定C6下終板，在C5上終板持續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、側屈及軸向旋轉。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]和尸體生物力學實驗[15]結果進行比較，以驗證模型的有效性。結果顯示，本研究C5/6三維有限元模型在前屈+后伸、側屈、軸向旋轉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果(8.4°、1.7°、2.2°)、Moroney等[15]的尸體生物力學實驗結果(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、右側屈體位下頸椎旋轉手法對椎間盤位移和內在應力的影響 左、右側屈體位下頸椎旋轉手法的模擬和加載：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3°、-3°，以模擬手法治療之前的左側屈、右側屈體位；③Z 軸順時針方向(向右)旋轉3°，以模擬手法治療前向右旋轉達固定位；④在0.15 s內，Z軸順時針方向(向右)旋轉1°，以模擬手法順勢扳動。結果顯示，在左、右側屈體位下，C5/6三維有限元模型纖維環左側的后部均出現向左、向前、拉伸回縮變形，其中Y軸向前回縮位移明顯，左側屈位(0.93 mm)小于右側屈位(1.12 mm)；纖維環右側的后部均出現向左、向后、壓縮膨出變形，其中Y軸向后膨出位移明顯，左側屈位(0.36 mm)小于右側屈位(0.43 mm)。椎間盤內在應力的變化趨勢與位移一致，左側屈位時椎間盤內在應力集中于纖維環右側后部，最大達7.00 MPa，右側屈位時椎間盤內在應力集中于纖維環左側后部，最大達8.19 MPa。髓核的位移與應力均較小，其位移、應力與椎間盤整體的變化趨勢一致。

3 討論

關于旋轉手法治療CSR的機制，目前研究多認為可能與旋轉手法可改變突出物與神經根的位置關系，從而減輕神經根受壓、松解局部組織粘連、緩解疼痛等癥狀有關[16，17]。三維有限元分析法在頸椎生物力學中的應用是指運用影像學和數學方法還原頸椎的結構形狀，定義載荷邊界條件及附加材料屬性等，通過改變參數來觀察其對頸椎結構力學特性的影響，并與生理狀態下頸椎的力學特性進行比較，從而解釋病理過程對頸椎力學特性的影響。該方法能夠提供椎體、椎間盤、韌帶、軟骨應力等方面的詳細數據，有可重復實驗、節約實驗材料成本等優勢。隨著技術的發展，目前已可建成復雜的全頸椎模型[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。

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

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，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段所承受的應力比正常的更大[20,21]，位移的數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、右側屈體位下旋轉手法對頸椎間盤位移和應力的變化，椎間盤的屬性和邊界條件等組間基準資料是一致的。因此，用正常的椎間盤模擬和預測病理狀態下的手法操作，對于椎間盤整體運動趨勢的影響是一致的。

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