頸椎病有限元分析的研究進展

王曉偉,王曉丹,梁元政,井夫杰

(山東中醫藥大學針灸推拿學院,山東 濟南 250011)

頸椎病是以頸椎退行性改變為基礎的疾病,不合理的工作、生活方式使得該病的患病率不斷上升[1]。有限元分析是以計算機技術為基礎的力學分析方法,不僅可以模擬頸椎骨性結構,也能有效體現頸椎周圍韌帶、肌肉、血管等組織[2]。有限元分析可以彌補基于動物模型和尸體標本的頸椎病研究的諸多缺陷,幫助研究人員更好地了解生理和病理條件下頸椎的生物力學特征。本文參考相關文獻,對頸椎病有限元分析的研究進展進行了綜述,現總結報告如下。

1 頸椎病有限元模型的建立

目前對于正常頸椎有限元模型已有較為全面的數據,從部分頸椎節段到全頸椎的有限元模型都有相關研究[3-4]。此外,除了單純的頸椎骨性結構有限元模型,加入韌帶、肌肉組織的頸椎有限元模型也已被建立[5]。頸椎病的有限元模型可以基于頸椎病患者的數據直接建立。張明才等[6]構建的頸椎“骨錯縫”有限元模型和譚蓓等[7]構建的脊髓型頸椎病有限元模型就屬于此類。另外,也可通過改變正常頸椎有限元模型中相關結構的生物力學參數獲得相應的頸椎病有限元模型。如翁汭等[8]以健康志愿者的數據構建頸椎有限元模型后,將兩側關節突關節重新“融合”并“分割”為對稱、中度、重度3個不同角度的模型,模擬頸椎關節突關節矢狀角不對稱的病理狀態;沈知彼等[9]以頸椎曲度變直和頸椎反弓患者的矢狀位CT為參照,通過在正常頸椎有限元模型中調整椎體在矢狀面的前后距離得到對應的頸椎病有限元模型。此外,也有研究者基于頸椎標本建立頸椎有限元模型。Wang等[10]對上頸椎標本進行CT掃描后建立了上頸椎有限元模型,并通過對標本韌帶進行疲勞處理獲得了上頸椎不穩有限元模型。

2 常見頸椎病治療方法的有限元分析

2.1 手法治療頸椎病的有限元分析手法具有筋骨并調的特點,是臨床治療頸椎病的常用方法。近年來有關手法治療頸椎病的有限元分析,主要集中在手法治療的作用機制方面。相關的研究主要通過觀察頸椎骨性結構、椎間盤、脊髓的應力和位移改變來研究手法治療頸椎病的作用機制。

2.1.1手法對頸椎骨性結構的影響 葉林強等[11-12]的有限元分析發現,旋轉類手法可以使頸椎骨性結構發生位移,擴大旋轉對側的椎間孔容積,解除頸椎病患者的頸椎骨性結構的異常應力狀態,使兩側應力恢復平衡。Chang等[13]的研究顯示,實施頸椎旋轉手法時頸椎關節突關節的滑動趨勢與旋轉方向有關,旋轉側下關節突均向后下方滑動、旋轉對側下關節突均向前上方滑動。葉林強等[11]的研究表明,在不同體位實施頸椎旋轉手法時,旋轉對側下關節突的前上位移值在前屈位、中立位、后伸位依次減小。這很好地解釋了臨床中扳法等手法在前屈位操作時療效更佳的原因。鄧真等[14]針對頸椎旋扳手法的有限元分析發現,手法治療后頸椎關節突關節間的高應力狀態被解除,兩側關節突關節的應力趨于平衡;目標棘突及上下相鄰棘突的瞬時應力增加明顯,但這種應力改變并未跨越椎體。這提示定位旋轉扳法較非定位旋轉扳法整復更加精準,對非目標椎體的影響更小。

此外,有限元分析也被用于驗證手法治療頸椎病的安全性。曹盛楠等[15]針對三維平衡正脊手法的研究顯示,使用該手法治療時頸椎的應力主要分布在下段頸椎的后部結構,而且最大應力遠小于可導致椎體骨折的最小應力。這提示三維平衡正脊手法的安全性較高,不會引起頸椎骨折。

2.1.2手法對頸椎間盤的影響 椎間盤退變是頸椎病發生的重要因素。Chang等[13,16]的有限元分析顯示,實施頸椎旋轉手法時病變椎體上下兩個節段椎間盤纖維環和髓核應力最大;椎間盤應力集中在纖維環,受力纖維環對側和旋轉側均出現位移與形變;C4～5、C5～6椎間盤髓核內壓力和纖維環應力的變化基本相同。黃學成等[17]的研究顯示,應用旋轉手法治療神經根型頸椎病時,手法實施過程中應力集中在旋轉對側纖維環后部。這提示向健側旋頸時向患側側屈更有利于保護患側椎間盤。Wu等[18]針對頸椎有限元模型C4棘突實施拔伸右旋手法,拔伸過程中髓核應力和位移先減小后增大;在頸椎旋轉操作過程中,最高應力和最大位移均發生在C3～4髓核右上邊緣;旋轉后快速返回中立位過程中,因旋轉產生的髓核應力變化減小、髓核位移距離變小。黃學成等[19]的研究發現,在頸椎中立位和后伸位實施旋轉手法時,椎間盤和髓核的位移均小于前屈位。這可能是臨床中頸椎前屈位推拿發生椎間盤損傷和髓核突出的風險高于中立位與后伸位的原因。因此,臨床中使用旋轉類手法時應評估椎間盤狀態,選擇合理的旋轉方向與體位,防止發生醫源性損傷。

2.1.3手法對頸椎脊髓的影響 目前有關手法操作對頸椎脊髓影響的有限元分析研究相對較少。Xue等[20]研究發現,實施頸椎旋轉手法后最大應力發生在C1或C2段;在后伸位和中立位實施頸椎旋轉手法時,脊髓應力高于前屈位;在后伸位實施頸椎旋轉手法時,最大應力位于脊髓灰質。

2.2 牽引治療頸椎病的有限元分析牽引療法也是臨床常用的頸椎病非手術療法。有限元分析可以為牽引療法的改進提供生物力學證據。Wang等[21]比較了有頸部支撐和無頸部支撐下仰臥位牽引時相關組織的平均應力、拉伸力及屈曲時椎間盤后側纖維環的應力等指標,結果顯示有頸部支撐牽引時頸椎前凸角減小較少,無頸部支撐牽引下C4～5與C5～6后側纖維環最大應力均高于有頸部支撐牽引。這表明有頸部支撐的牽引治療更安全。此外,有限元分析也可為牽引設備的改良提供理論支撐。劉治華等[22]的研究發現,旋轉牽引過程中頸椎間盤內最大應力的變化與間歇式牽引類似;變角度牽引可使頸椎椎間隙和椎間孔增大,有利于椎間盤回納。這為應用旋轉牽引器材治療頸椎病提供了理論支持。張新酩等[23]還利用有限元分析驗證了其設計的牽引機器人的最佳牽引力、牽引角度與牽引體位。

2.3 手術治療頸椎病的有限元分析有限元分析可以為頸椎手術方案的改良提供生物力學證據。劉偉聰等[24]通過有限元分析探討了不同高度椎間盤假體對人工椎間盤置換術治療椎間盤源性頸椎病的效果,結果顯示在維持合適椎間高度的前提下,高度相對較低的假體與終板接觸面的平均應力更小,可降低術后異位骨化及鄰近節段退行性變的發生率。王鵬等[25]運用有限元分析探討了頸椎單開門椎板成形微型鈦板固定的穩定性,結果顯示C3椎板切除可有效減少單開門椎板成形微鈦板固定后中下段頸椎間盤的代償性應力增加,避免頸椎前凸丟失。

有限元分析也有助于臨床醫師確定最佳的頸椎病手術方案。Stoner等[26]利用有限元分析探討了常見的前路和后路減壓手術治療多節段脊髓型頸椎病的效果,結果顯示手術干預可導致相鄰節段應變增加,這種現象在頸椎前路減壓融合術后最為明顯。Ren等[27]利用有限元分析對比了頸椎前路減壓融合術和經皮后路內鏡下頸椎間盤切除術治療神經根型頸椎病的效果,結果顯示采用經皮后路內鏡下頸椎間盤切除術對頸椎生物力學性能和穩定性損傷更小。

3 小 結

有限元分析在頸椎病發病和治療機制研究方面具有其他研究方法無法替代的優勢,但也存在一些局限性。第一,有限元法是基于數學分析方法的計算機力學模擬技術,分析結果難免存在一定偏差;第二,現有頸椎有限元模型仍未涵蓋所有頸椎結構,骨性結構加軟組織的有限元研究模式仍處于發展階段;第三,目前國內缺乏頸椎相關組織的材料參數,相關數據和研究結果多來源于國外文獻[28]。今后應針對這些問題開展相應的基礎和臨床研究,進一步提高頸椎病有限元研究的價值。