黄学成，叶林强，江晓兵，王千里，余伟波，梁德(1广州中医药大学第一临床医学院，广州510405；广州中医药大学第一附属医院)

神经根型颈椎病(CSR)是以神经根受累为主要表现的颈椎病[1]。椎间盘突出对神经根的机械压迫及由此引起的炎症因子刺激是CSR发病的主要机制[2]。旋转手法是治疗CSR的重要保守疗法之一，能迅速缓解根性疼痛、改善症状,但若操作不当，也可导致颈椎间盘突出加重、症状加剧[3，4]。颈椎体位是实施旋转手法的第一步，合理的体位是顺利实施手法的基础，更是影响疗效和安全性的重要因素。目前，应用旋转手法治疗CSR时向患侧侧屈并向健侧旋转是临床中最常用的颈椎体位[5,6]。生物力学和三维有限元实验证实，向健侧旋转可增加患侧椎间盘与受累神经根的相对位移，从而减轻神经根受压，松解局部组织粘连，缓解疼痛症状[7,8]。2017年5～8月，本研究利用三维有限元模拟颈椎分别于左、右侧屈位下行旋转手法，探讨该手法在不同方向侧屈体位下对颈椎间盘位移及内在应力的影响。

1 临床资料

选择2016年11月来自广州中医药大学的1名成年健康女性志愿者，年龄25岁，身高165 cm，体质量55 kg。排除脊柱创伤、严重退行性变、畸形、肿瘤等。本研究通过广州中医药大学第一附属医院医学伦理委员会审核，志愿者签署知情同意书。

2 方法与结果

2.1 C5/6三维有限元模型建立 采用德国西门子公司生产的64排螺旋CT扫描仪扫描志愿者的颈椎，扫描层厚和层间距均为0.625 mm，扫描图像以DICOM格式保存。利用Mimics10.01软件读取DICOM格式图像文件，通过阈值分割、擦除、填充等功能提取C5/6椎体信息，通过三维重建功能重建C5/6椎体。将模型以点云格式文件从Mimics10.01软件输出，导入到Geomagic2012逆向工程软件，光滑处理椎体模型，生成几何实体，输出为stp文件。将几何实体文件导入到Solidworks2014软件，在C5/6椎体轮廓的基础上进行皮质骨、纤维环、髓核、软骨终板、关节突关节软骨及韧带建模。皮质骨和软骨终板的厚度均为0.4 mm，关节突关节软骨的厚度为0.5 mm，髓核占整个椎间盘体积的43%[9]，纤维环的纤维体积约占纤维环体积的20%[10]，纤维呈剪刀方式走行，并与椎间盘平面呈15°～45°[11]。三维有限元模型的韧带包括前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、黄韧带及关节囊，韧带的起始点参考解剖书上描述的附着点。在三维有限元分析软件Ansys Workbench14.5中导入以上模型，进行装配、材料属性赋予、相互关系定义和网格划分。皮质骨、松质骨、终板、关节突关节软骨、纤维环和髓核的单元类型定义为四面体实体单元，韧带、关节囊和纤维定义为桁架单元，只承受拉力，不承受压力和剪切力，材料属性定义为线性、均质、各向同性[12～14]。C5/6有限元模型的材料属性见表1。结果显示，最终所建颈椎C5/6三维有限元模型共有194 842个节点，119 268个单元，高度模拟了颈椎C5/6的结构与材料特性。

表1 C5/6有限元模型的材料属性

2.2 C5/6三维有限元模型验证 关节突关节摩擦系数设定为0.1，其余各部分的相互关系设定为绑定。完全固定C6下终板，在C5上终板持续施加垂直向下的载荷73.6 N，以模拟自身重力。同时在各解剖平面(矢状面、冠状面和横断面)分别施加扭矩1.8 Nm，以模拟前屈、后伸、侧屈及轴向旋转。计算模型在各个动作下的三维运动范围，并与相同边界条件和加载条件下的三维有限元分析实验[14]和尸体生物力学实验[15]结果进行比较，以验证模型的有效性。结果显示，本研究C5/6三维有限元模型在前屈+后伸、侧屈、轴向旋转加载条件下的运动范围分别为8.9°、2.5°、2.8°，与Ganbat等[14]的三维有限元分析实验结果(8.4°、1.7°、2.2°)、Moroney等[15]的尸体生物力学实验结果(5.3°～12.9°、1.7°～7.7°、1.2°～2.5°)基本相同。证实该C5/6三维有限元模型是有效的。

2.3 左、右侧屈体位下颈椎旋转手法对椎间盘位移和内在应力的影响 左、右侧屈体位下颈椎旋转手法的模拟和加载：①固定C6椎体下终板；②将C5/6三维有限元模型绕Y 轴分别旋转3°、-3°，以模拟手法治疗之前的左侧屈、右侧屈体位；③Z 轴顺时针方向(向右)旋转3°，以模拟手法治疗前向右旋转达固定位；④在0.15 s内，Z轴顺时针方向(向右)旋转1°，以模拟手法顺势扳动。结果显示，在左、右侧屈体位下，C5/6三维有限元模型纤维环左侧的后部均出现向左、向前、拉伸回缩变形，其中Y轴向前回缩位移明显，左侧屈位(0.93 mm)小于右侧屈位(1.12 mm)；纤维环右侧的后部均出现向左、向后、压缩膨出变形，其中Y轴向后膨出位移明显，左侧屈位(0.36 mm)小于右侧屈位(0.43 mm)。椎间盘内在应力的变化趋势与位移一致，左侧屈位时椎间盘内在应力集中于纤维环右侧后部，最大达7.00 MPa，右侧屈位时椎间盘内在应力集中于纤维环左侧后部，最大达8.19 MPa。髓核的位移与应力均较小，其位移、应力与椎间盘整体的变化趋势一致。

3 讨论

关于旋转手法治疗CSR的机制，目前研究多认为可能与旋转手法可改变突出物与神经根的位置关系，从而减轻神经根受压、松解局部组织粘连、缓解疼痛等症状有关[16，17]。三维有限元分析法在颈椎生物力学中的应用是指运用影像学和数学方法还原颈椎的结构形状，定义载荷边界条件及附加材料属性等，通过改变参数来观察其对颈椎结构力学特性的影响，并与生理状态下颈椎的力学特性进行比较，从而解释病理过程对颈椎力学特性的影响。该方法能够提供椎体、椎间盘、韧带、软骨应力等方面的详细数据，有可重复实验、节约实验材料成本等优势。随着技术的发展，目前已可建成复杂的全颈椎模型[18]，运用有限元分析法可对该模型行精确的定量及定性分析。

以往关于颈椎的生物力学研究，大多涉及一个或较少的运动节段[19]。因本研究主要探讨CSR，而C5/6节段又是CSR的高发节段，故单独建立颈椎C5/6模型进行研究。本研究建立三维有限元模型并分别在左、右侧屈位下向右旋转，以模拟颈椎旋转手法；结果发现，实施手法时椎间盘左侧后部的纤维环均发生向外、向前、向上的拉伸回缩变形，有利于椎间盘和神经根发生相对位移，从而达到松解粘连的目的。但在手法操作过程中，椎间盘右侧后部的纤维环均发生向内、向后、向下压缩膨出变形，提示旋转侧后部的椎间盘有压迫神经根甚至脊髓的风险。本研究通过模拟左、右侧屈体位下进行旋转手法，发现左侧屈位时椎间盘左侧后部纤维环向前的回缩变形程度小于右侧屈位，且左侧屈位时椎间盘右侧后部纤维环向后的膨出变形程度也小于右侧屈位；说明颈椎同样是向右旋转，在左侧屈位时神经根松解粘连的效果不如右侧屈位，但左侧屈位时椎间盘右侧后部的纤维环向后膨出的风险小于右侧屈位。另外本研究结果显示，左侧屈位时椎间盘内在应力小于右侧屈位，并且集中在旋转对侧纤维环的后部，而非旋转侧纤维环的后部；说明颈椎向右旋转时，向左侧屈更有利于保护同侧椎间盘，降低因手法操作造成颈椎间盘医源性损伤的风险。因此，若使用旋转手法治疗CSR，向健侧旋颈时应向患侧侧屈，这样可在缓解症状的同时，降低患侧椎间盘二次损伤的风险。

本研究建立的是正常颈椎的三维有限元模型，椎间盘没有发生退行性改变，未能完全模拟CSR患者退变的椎间盘。但椎间盘位移的变化趋势是本研究的关键，无论是正常椎间盘还是退变的椎间盘，都属于黏弹性物质，属性一致。在同样边界的手法模拟作用下，尽管退变的椎间盘及邻近节段所承受的应力比正常的更大[20,21]，位移的数值也与正常椎间盘不一致，但椎间盘的整体位移趋势是一致的。另外，本研究是探讨左、右侧屈体位下旋转手法对颈椎间盘位移和应力的变化，椎间盘的属性和边界条件等组间基准资料是一致的。因此，用正常的椎间盘模拟和预测病理状态下的手法操作，对于椎间盘整体运动趋势的影响是一致的。

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