有限元軟件三維動態(tài)圖下纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復位治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂的應(yīng)用研究

張增高 張新琪 豐 磊

頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥是日常生活中常見的頸部疾患,不適當?shù)倪\動和勞作,外傷及長期勞損或受涼等因素誘導而引起的"筋出槽,骨錯縫"是造成頸椎損傷的主要原因,導致頸椎失穩(wěn),頸椎小關(guān)節(jié)超出正常的運動軌跡,從而導致頸椎小關(guān)節(jié)面之間發(fā)生微小的移動、錯位,同時伴有椎體一定程度的旋轉(zhuǎn)移位,使上、下關(guān)節(jié)突所組成的椎間孔的橫、縱徑減小,其主要的癥狀是引起患者頸椎緊張、疼痛及僵直,伴隨頸椎活動受限,甚至部分重癥患者出現(xiàn)上肢麻木、眩暈、惡心、失眠健忘、視力模糊及咽部異物感等[1-3].

目前,各種中醫(yī)治療手段被廣泛應(yīng)用于頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥,尤其是中醫(yī)纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復位治療,施法以螺旋纏繞的方式,達到力量貫于指掌的效果.由于螺旋纏繞的力量,具有極柔軟和強滲透的雙重特性力量作用于頸椎不至令患者感到突然和生硬,且費用低、療效好、無不良反應(yīng)等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于臨床治療.但常因操作者如何運用手法、角度及力度不具備定量標準和操作規(guī)范,對纏絲勁手法缺乏科學解釋和闡述等問題一直是目前部分學者批評或質(zhì)疑傳統(tǒng)手法的原因.在循證醫(yī)學不斷得到重視的今天,應(yīng)用先進的方法研究傳統(tǒng)手法的作用機制顯得非常重要,尤其是對其生物力學原理的研究意義更為突出[4].為此,本研究通過利用有限元分析法模擬纏絲勁的旋轉(zhuǎn)復位手法的應(yīng)力分布的科學計算,將其結(jié)果進行分析,并作為纏絲勁手法治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥力學依據(jù)和量化參考標準.

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機選取2018年3月于青島市膠州中心醫(yī)院門診接受治療的1例頸椎病男性患者,年齡29歲,身高182 cm,體重83 kg,經(jīng)X射線檢查和動靜態(tài)觸診確診其頸椎C5節(jié)段發(fā)生后仰式錯縫(錯位),同時排除頸椎創(chuàng)傷、畸形、骨折、腫瘤、結(jié)核等異常.患者簽署知情同意書.

1.2 儀器設(shè)備

采用SOMATOM Definition AS+64排螺旋CT掃描機(德國西門子);Ansys Workbench 15.0有限元分析軟件(美國Ansys公司);Mimics 10.01醫(yī)學圖像處理軟件(比利時Materialise公司);Geomagic Studio逆向工程軟件(美國Geomagic公司).

1.3 掃描方法

采用64排螺旋CT掃描機進行螺旋掃描及斷層圖像處理獲取CT掃描數(shù)據(jù).掃描時患者取仰臥位,盡量保持掃描斷面與身體長軸垂直.掃描參數(shù):管電壓120 kV,管電流200 mA,掃描范圍顱底至C7節(jié)段下方以層厚1.0 mm進行掃描,得到CT斷層掃描圖像483張,掃描數(shù)據(jù)以醫(yī)學數(shù)字成像及通信(digital imaging and communication of medicine,DICOM)格式直接存儲.

1.4 頸椎 C1~7節(jié)段三維有限元模型建立

將DICOM格式的CT掃描數(shù)據(jù)導入Mimics 10.01軟件,將各節(jié)段椎骨連接部分手動分離并進行骨節(jié)縫隙填充,最后進行三維轉(zhuǎn)換,形成頸椎椎骨面網(wǎng)格模型,再將生成的數(shù)據(jù)逐個導入軟件自帶的網(wǎng)格優(yōu)化工具Magics中進行優(yōu)化.參照文獻[5-6]賦予各結(jié)構(gòu)材料學參數(shù),彈性模量(Young's modulus)和泊松比(Poisson's ratio)各參數(shù)見表1.

表1 頸椎病患者有限元模型的單元類型和材料參數(shù)

1.5 有限元仿真形變及應(yīng)力計算

運用有限元法對物體的形變進行計算機建模,推導有限元法對物體形變的計算過程,創(chuàng)建頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥旋轉(zhuǎn)復位模型.計算機建模完成后對出現(xiàn)小關(guān)節(jié)紊亂椎骨節(jié)段應(yīng)用有限元形變軟件仿真模擬纏絲勁手法矯正頸椎錯縫,由軟件計算頸椎錯縫形變過程中椎間盤和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)在形變前后的應(yīng)力變化.

1.6 觀察指標

觀察指標主要包括:①建立頸椎C4節(jié)段錯縫有限元模型,觀察錯縫節(jié)段C4椎骨三維空間位移;②建立頸椎C4節(jié)段錯縫有限元形變模型,對比錯縫節(jié)段C4椎骨旋轉(zhuǎn)復位前后位置關(guān)系;③分析頸椎C4節(jié)段旋轉(zhuǎn)復位后關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及椎間盤應(yīng)力變化,觀察錯縫節(jié)段C4椎骨對相鄰頸椎小關(guān)節(jié)及椎間盤的應(yīng)力影響.

2 結(jié)果

2.1 纏絲勁手法的模擬

本研究試驗?zāi)M對頸椎向右側(cè)進行坐位拔伸旋轉(zhuǎn)手法,按照手法的操作及要求設(shè)置坐位時頭部對頸椎的壓力為100 N以模擬頭部重力,然后0.5 s內(nèi)逐漸給予其連續(xù)的0~220 N流線狀變化的牽引力模擬纏絲勁手法的拔伸動作.之后,模擬纏絲扳頸時不斷地旋轉(zhuǎn)扳頸角度,旋扳角度設(shè)置范圍為15°~20°.

2.2 椎體C4節(jié)段錯縫有限元仿真模型建立

對頸椎病患者進行頸椎X射線拍片,拍片顯示C4椎體呈現(xiàn)錯縫(見圖1),C3~4節(jié)段棘突間距大于C4~5棘突間距;將DICOM格式的圖像(483幅)數(shù)據(jù)讀入三維重建軟件,在軟件界面上操作分割出C3~5節(jié)段DICOM數(shù)據(jù)圖像38~186層,共149幅.

圖1 頸椎病患者頸椎X射線圖像

依據(jù)DICOM數(shù)據(jù)對錯縫節(jié)段的C3~5椎體和椎間盤按前述方法進行有限元模型的三維重建,得到椎骨錯縫有限元仿真模型,見圖2.

圖2 椎骨錯縫有限元仿真模型

三維有限元模型觀察結(jié)果表明,三維有限元仿真模型從三維角度反映了錯縫椎骨C4與相鄰椎骨之間的位置關(guān)系,即C4椎體錯縫的空間位移是:下平移0.7 mm,繞X軸逆時針旋轉(zhuǎn)6°.

2.3 C4節(jié)段錯縫有限元形變模型建立

基于上述有限元模型,應(yīng)用有限元形變軟件仿真模擬纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)C4節(jié)段至正常位置.本例患者上平移0.7 mm,繞X軸順時針旋轉(zhuǎn)6°.旋轉(zhuǎn)復位前后C4節(jié)段位置對照見圖3.

圖3 仿真模擬纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)C4復位

2.4 C4節(jié)段旋轉(zhuǎn)復位后頸椎小關(guān)節(jié)及椎間盤應(yīng)力變化

根據(jù)上述原理中所提方法計算節(jié)點位移向量a,由公式算出應(yīng)力,主要包括了具體應(yīng)力張量大小和方向.結(jié)果表明,錯縫節(jié)段C4對相鄰節(jié)段C3~4、C4~5的椎間盤和頸椎小關(guān)節(jié)都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力,對本研究實驗而言,發(fā)生的應(yīng)力主要是旋轉(zhuǎn)力和壓力的合力;其中相鄰節(jié)段受到的應(yīng)力分布相比,C4~5頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的壓力旋轉(zhuǎn)力均顯著大于C3~4椎間盤和頸椎小關(guān)節(jié)受到的壓力;同一節(jié)段應(yīng)力分布情況中,C4~5節(jié)段的扭矩力主要分布于兩側(cè)頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤后緣,以X軸向為主;C4~5節(jié)段的壓力主要分布于兩側(cè)頸椎小關(guān)節(jié),其次是椎間盤后緣,壓力以X軸和Z軸方向為主.

3 討論

有研究顯示,中醫(yī)學認為頸椎病的發(fā)病機理是"氣血滯、筋出槽、骨錯縫",許多研究已將計算機技術(shù)、有限元分析法與傳統(tǒng)的中醫(yī)手法相結(jié)合,利用有限元分析法模擬手法作用時,觀察作用部位應(yīng)力-應(yīng)變以及生物力學特性的改變情況,并且可以使用圖像、圖形等技術(shù)手段對計算數(shù)據(jù)和結(jié)果進行直觀、動態(tài)的表達,尤其可以將所建模型內(nèi)部生物力學特性和應(yīng)力-應(yīng)變的變化過程通過動態(tài)的方式更加直觀的展示出來,這也是其他傳統(tǒng)手段無法達到的,較使用普通生物力學方法來測量外在的應(yīng)力-應(yīng)變變化情況更具臨床意義.纏絲勁手法治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂的有效病例的復查CT掃描也充分證實纏絲勁手法可以有效地旋轉(zhuǎn)復位錯縫椎骨關(guān)節(jié)[7].

本研究初步探討如何從生物力學實驗角度來進一步證實頸椎"椎骨錯縫"是頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的主要病理環(huán)節(jié)之一,以及纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復位治療方法針對這一病理環(huán)節(jié)對頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥預防的生物力學機制所在.為了解決這一問題,本研究選擇1例觸診和X射線檢查提示發(fā)生頸椎"骨錯縫"的頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥患者,CT掃描頸椎部位,對錯縫節(jié)段椎節(jié)C3、C5建立三維有限元模型,再運用軟件對錯縫椎體C4進行了仿真纏絲勁手法矯正,應(yīng)用有限元分析軟件觀測了旋轉(zhuǎn)復位前后C4椎體對C3~4、C4~5節(jié)段的頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的應(yīng)力變化情況.結(jié)果顯示,錯縫節(jié)段C4對相鄰節(jié)段C3~4、C4~5的頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力,本研究中發(fā)生的應(yīng)力主要是旋轉(zhuǎn)力和壓力的合力.其中,同一節(jié)段應(yīng)力分布情況為:①C4~5節(jié)段的壓力主要分布于頸椎兩側(cè)小關(guān)節(jié)和椎間盤后緣,且以X軸和Z軸方向為主;②C4~5節(jié)段的旋轉(zhuǎn)力主要分布于兩側(cè)小關(guān)節(jié)和椎間盤后緣,以X軸向為主;③相鄰節(jié)段受到的應(yīng)力分布相比,C4~5頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的旋轉(zhuǎn)力和壓力均明顯大于C3~4頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤受到的旋轉(zhuǎn)力和壓力.

頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤都是頸椎的重要構(gòu)成結(jié)構(gòu),頸椎小關(guān)節(jié)通過向前剪切載荷、對抗壓縮以及導向控制保持椎體的穩(wěn)定性[8].而頸椎的穩(wěn)定性反映了載荷與其作用下所發(fā)生位移之間的關(guān)系[9].載荷一定時,位移越大,穩(wěn)定性就越差.而"椎骨錯縫"即是頸椎小關(guān)節(jié)發(fā)生一定的位移(錯縫),但就是這微小位移即可造成頸椎在正常載荷下出現(xiàn)了異常活動變形.本研究顯示,錯縫節(jié)段C4不僅存在著一定的后仰式位移,而且C4節(jié)段還對相鄰節(jié)段C3~4、C4~5的頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力.在這種異常應(yīng)力作用下,頸椎小關(guān)節(jié)會脫離正常的運動軌道,久而久之則會加重"錯縫"節(jié)段關(guān)節(jié)的錯位程度,從而加深頸椎節(jié)段性失穩(wěn).隨著節(jié)段性失穩(wěn)愈發(fā)加重對頸椎周圍韌帶、血管、肌腱及神經(jīng)的刺激,從而出現(xiàn)臨床癥狀.而纏絲勁正骨手法正是通過糾正"錯縫椎骨"對頸椎的異常應(yīng)力,重建頸椎穩(wěn)定性而達到對頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的有效治療.

"椎骨錯縫"會對頸椎周圍血管、神經(jīng)及韌帶產(chǎn)生機械性壓迫而引發(fā)臨床癥狀,纏絲勁手法機制在于旋轉(zhuǎn)復位"椎骨錯縫",解除機械性壓迫;但這一學說很難解釋那些病例"椎骨錯縫"未明顯糾正,而臨床癥狀卻治愈的現(xiàn)象,因此對于手法矯正"椎骨錯縫"的機制認識,除了考慮"矯正錯縫,解除機械壓迫"外,還應(yīng)重視手法調(diào)整關(guān)節(jié)或軟組織應(yīng)力等角度的研究.本研究認為,錯縫節(jié)段會給相鄰節(jié)段的頸椎小關(guān)節(jié)或椎間盤等關(guān)節(jié)帶來異常應(yīng)力.本研究發(fā)現(xiàn),椎骨發(fā)生后仰式錯縫,會對下位頸椎小關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,且應(yīng)力主要集中在頸椎小關(guān)節(jié),有限元仿真纏絲勁手法旋轉(zhuǎn)復位錯縫椎骨后,頸椎小關(guān)節(jié)應(yīng)力發(fā)生明顯改變.有研究證實,頸椎小關(guān)節(jié)是維持頸椎穩(wěn)定性的主要解剖結(jié)構(gòu),頸椎小關(guān)節(jié)異常應(yīng)力受到損害,則會引起頸椎穩(wěn)定性的破壞,使頸椎周圍神經(jīng)、血管受到刺激而引發(fā)臨床癥狀[10-13].而中醫(yī)纏絲勁手法正骨治療頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥的關(guān)鍵是,通過手法旋轉(zhuǎn)復位錯縫椎骨關(guān)節(jié)對頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤間的應(yīng)力進行改善,恢復椎骨關(guān)節(jié)的正常功能活動,重建其力學平衡,同時,纏絲勁手法可以將皮毛肉筋揉起,具有溫經(jīng)通絡(luò)、活血化瘀的作用.因此,雖然有些頸椎小關(guān)節(jié)紊亂癥經(jīng)纏絲勁手法治療后,椎骨錯縫未見明顯改善,但其臨床癥狀卻得到了治愈,其原因主要是在于有效調(diào)整了頸椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的異常應(yīng)力,恢復椎骨關(guān)節(jié)的功能活動,解除頸部肌腱、韌帶痙攣,重建頸椎力學平衡[14].

通過三維有限元軟件建立頸椎模型,能更好地模擬纏絲勁手法的臨床狀態(tài),可以達到和生物力學試驗大致相同的結(jié)果,運用計算機醫(yī)學影像技術(shù)將結(jié)果直觀、動態(tài)的顯示出來,為研究纏絲勁手法治療機制及其生物力學特性提供了很好的技術(shù)手段[15].

應(yīng)用現(xiàn)代科學的先進技術(shù)從形態(tài)學、生物力學方面對纏絲勁手法進行研究,推測纏絲勁手法正骨治療機制,將計算機醫(yī)學影像、有限元分析方法和傳統(tǒng)纏絲勁手法正骨治療相結(jié)合,從而能夠準確的反映頸椎的生物力學特性,使研究的結(jié)果更加精確.