頸椎旋扳法對“骨錯縫”頸椎應(yīng)力作用的有限元分析

鄧真 詹紅生 李國中 廉由之 商海濱 王玉鵬 王輝昊△

“骨錯縫”是頸椎病的核心病機(jī)之一[1-3]，其直觀表現(xiàn)為X線或CT等影像學(xué)上棘突偏歪、不共線等異常狀態(tài)[4-5]。頸椎旋扳法是治療“骨錯縫”運(yùn)用最廣泛、最具特色的方法之一，其療效顯著，但操作的安全性一直受到廣大醫(yī)生、研究者和患者的關(guān)注和討論[6]。

傳統(tǒng)頸椎旋扳法的基礎(chǔ)研究不能獲得手法操作實(shí)時頸椎內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的直接數(shù)據(jù)參數(shù)，對該手法安全性的質(zhì)疑亦沒有直接證據(jù)。而交叉運(yùn)用有限元分析、動作捕捉和力學(xué)測量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)手法治療過程的數(shù)字化仿真模擬，彌補(bǔ)傳統(tǒng)研究的不足。本研究以頸椎有限元模型平臺為基礎(chǔ)，仿真模擬頸椎旋扳法對“骨錯縫”頸椎內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用的影響，為該手法在臨床的運(yùn)用及操作安全性提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取1例頸椎病患者(男，35歲，身高167 cm，體質(zhì)量72 kg)，臨床癥狀為頸部酸痛，經(jīng)頸部觸診檢查，發(fā)現(xiàn)患者C5棘突左偏，結(jié)合患者CT掃描數(shù)據(jù)，判定其為C5椎體“骨錯縫”，經(jīng)影像學(xué)測量，患者C5棘突偏離正中棘突連線11.32 mm。本實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)過上海市寶山區(qū)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院倫理委員會審查批準(zhǔn)。

1.2 有限元模型數(shù)據(jù)來源

本研究所運(yùn)用的正常人頸椎有限元模型為本團(tuán)隊(duì)前期經(jīng)過驗(yàn)證、有效的頸椎有限元研究平臺，詳見文獻(xiàn)[7]。數(shù)據(jù)采集自1位男健康志愿者(年齡30歲，身高170 cm，體質(zhì)量68 kg)。模型包括C1至T1椎體，包含椎體、椎間盤、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨等結(jié)構(gòu)。構(gòu)建頸椎“骨錯縫”有限元模型的數(shù)據(jù)來自上述臨床確診患者的頸部CT圖像。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件

GE Light Speed VCT 64層螺旋CT(GE公司)，Mimics18.0交互式醫(yī)學(xué)影像控制軟件(Materialise公司)；Geomagic12.0逆向工程軟件(Geomagic 公司)；Abaqus6.13有限元分析軟件(Abaqus 公司)。

1.4 方法

1.4.1旋扳法動力學(xué)數(shù)據(jù)來源 本研究頸椎旋扳法標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程為：以左側(cè)操作為例：受試者端坐，頸椎前屈15°左右，施術(shù)者立于其左后方，囑受試者左旋頸椎，施術(shù)者左前臂托其下頦右側(cè)，施術(shù)者右手拇指定點(diǎn)固定受試者C5棘突左側(cè)，緩慢轉(zhuǎn)動受試者頸椎至生理活動極限(扳機(jī)點(diǎn))后鎖定，隨后囑受試者放松肌肉并同時做小幅度短促旋轉(zhuǎn)動作，使受試者頭顱軌跡沿著頸椎縱軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，聽到“咔嗒”聲響，術(shù)畢。

本團(tuán)隊(duì)早期對該手法動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了客觀化研究，詳見文獻(xiàn)[8]，經(jīng)過對該手法參數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和處理，最終獲得的頸椎旋扳法有效數(shù)據(jù)為：頦結(jié)節(jié)扳動力為32 N，扳動時間為180 ms；C5棘突扳動力為63 N，扳動時間為150 ms。

1.4.2“骨錯縫”頸椎模型的建立 使用CT對受試者進(jìn)行枕骨底上2 mm至T1下2 mm部位掃描。獲取的CT數(shù)據(jù)以DICM格式導(dǎo)入Mimics軟件中，獲取全頸椎幾何圖形及空間位置坐標(biāo)，利用已有頸椎有限元模型平臺，根據(jù)受試者頸椎空間坐標(biāo)，調(diào)整已驗(yàn)證模型椎體和椎間盤在三維空間位置關(guān)系，從而構(gòu)建“骨錯縫”模型的三維空間坐標(biāo)(見圖1)，使用Geomagic12.0軟件構(gòu)成實(shí)體模型后，導(dǎo)入Abaqus6.13軟件中，進(jìn)行有限元分析。

圖1 正常人頸椎模型和“骨錯縫”模型三維坐標(biāo)重疊圖(白色為正常人模型，彩色為“骨錯縫”模型)

1.4.3正常頭顱重力和頸椎活動載荷的加載 頸椎有限元模型的邊界條件設(shè)置為T1椎體下表面固定，自C1椎體幾何中心加載100 N頭顱重力載荷，隨后，重力載荷通過每個椎體幾何中心點(diǎn)連線自上向下傳遞。在頭顱載荷加載完成后，在C1頸椎幾何中心點(diǎn)，施加1 N·m的扭矩，使頸椎完成前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)共計(jì)六個活動度的模擬，正常頸椎模型和“骨錯縫”模型所有加載條件和邊界條件設(shè)置均保持一致。分析、計(jì)算和對比正常頸椎模型和“骨錯縫”模型的應(yīng)力云圖和相鄰兩節(jié)椎體的活動度(Range of Motion，ROM)。

1.4.4頸椎旋扳法在“骨錯縫”模型上的加載 在有限元分析軟件Abaqus6.13中根據(jù)受試者左側(cè)頦結(jié)節(jié)和C5棘突空間定位，分別建立2個參考點(diǎn)(RP1和RP2)，其中RP1與C1椎體上表面所有節(jié)點(diǎn)耦合，RP2與C5棘突左側(cè)表面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，使得加載在參考點(diǎn)上的載荷均勻分布在被耦合面的所有節(jié)點(diǎn)上，約束T1下終板所有節(jié)點(diǎn)的6個自由度作為邊界條件。

在頭顱載荷加載的前提下，根據(jù)手法參數(shù)，以有限元軟件X-Y-Z坐標(biāo)系統(tǒng)為參照，在RP1上施加X軸-32 N載荷，負(fù)號代表方向，在RP2上施加X軸63 N載荷，加載時長分別為180 ms和150 ms。選擇“骨錯縫”模型不同結(jié)構(gòu)的單元，計(jì)算其手法加載前、瞬時的應(yīng)力值，研究手法加載下“骨錯縫”模型所發(fā)生的應(yīng)力改變。

2 結(jié)果

2.1 正常人模型與“骨錯縫”模型在頭部重力載荷下應(yīng)力比較

按照1.4.3節(jié)中所述，對正常人模型和“骨錯縫”模型加載100 N頭部重力，觀察在頭顱載荷下兩種模型的應(yīng)力特點(diǎn)，見圖2。

圖2 正常人模型與“骨錯縫”模型在頭部重力載荷下的應(yīng)力云圖對比

由于T1下終板被設(shè)置為固定不動的邊界條件，在正常模型中，通過頸椎的正常力學(xué)傳遞，T1椎體承載了最大的應(yīng)力。而在模型中，由于“骨錯縫”的存在，正常的力學(xué)傳遞受到了影響，C5的椎體、椎弓、關(guān)節(jié)突部位應(yīng)力較正常模型明顯增大，C6和C7椎體、椎弓根、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)等部位應(yīng)力也明顯增大，并集中在解剖位置左側(cè)，且T1椎體應(yīng)力增大異常，模型反映的主要應(yīng)力承受椎體由T1擴(kuò)大為C7和T1。而C5椎體的上位椎體應(yīng)力相較于正常模型改變不大。C5～6和C6～7椎間盤的左后方應(yīng)力明顯大于右后方應(yīng)力，且均比正常模型高。結(jié)果提示，頸椎的“骨錯縫”狀態(tài)會導(dǎo)致病理部位的下位椎體應(yīng)力異常改變，加劇原本受力較大部位的應(yīng)力負(fù)擔(dān)，這種狀態(tài)如果長期保持，將會引起頸部的更多病理改變，應(yīng)力的異常承受和分布將加速頸椎退變過程。

2.2 正常人模型與“骨錯縫”模型ROM對比

通過對正常人模型和“骨錯縫”模型施加1 N·m的生理載荷，使有限元模型完成前屈、后伸、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)、左側(cè)彎、右側(cè)彎六種方向活動的模擬，計(jì)算兩節(jié)相鄰椎體的ROM，并對其進(jìn)行比較，見圖3。

圖3 正常人模型與骨錯縫模型六種工況下ROM對比

結(jié)果顯示：前屈時模型C2～C3節(jié)段ROM略大于正常人模型，而其他各節(jié)段ROM均明顯小于正常人模型；后伸時C1～C2節(jié)段ROM略大于正常人模型，其余節(jié)段ROM均小于正常人模型，其中C3～C6節(jié)段ROM減小最為明顯；左側(cè)彎時C6～C7，C7～T1節(jié)段ROM大于正常人模型，但其余節(jié)段ROM均小于正常人模型，且以C3～C6節(jié)段ROM減小最為明顯；右側(cè)彎時只有C7～T1節(jié)段ROM略小于正常人模型，其余節(jié)段ROM均明顯大于正常人模型；左旋轉(zhuǎn)時C4～C6節(jié)段ROM明顯小于正常人模型；右旋轉(zhuǎn)時C4～C6節(jié)段ROM明顯小于正常模型?？偨Y(jié)比較可以發(fā)現(xiàn)“骨錯縫”狀態(tài)明顯改變了與之相鄰椎體的活動度，整個頸椎的活動也受到了不同程度的影響，除右側(cè)彎時ROM增大以外，其余五種活動下，頸椎相鄰椎體之間ROM均明顯小于正常人模型，且以C4～C5和C5～C6節(jié)段ROM的改變最為明顯。這也反映了“骨錯縫”狀態(tài)導(dǎo)致頸椎活動度減小的這一病理結(jié)果。

2.3 “骨錯縫”模型在手法載荷下的應(yīng)力結(jié)果

2.3.1骨性結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布 “骨錯縫”模型在進(jìn)行手法仿真模擬時，各個節(jié)段頸椎棘突在手法加載前和加載瞬時，應(yīng)力分布見表1。

表1 各節(jié)段手法加載前及瞬時椎體應(yīng)力變化 (MPa)

結(jié)果顯示：手法瞬時“骨錯縫”模型各頸椎椎體棘突應(yīng)力均有一定改變，改變最為明顯的是C4～C6棘突，其中C5棘突作為手法的目標(biāo)棘突，承受了最大的應(yīng)力，手法作用瞬時較手法前增幅達(dá)到4.8倍；與之相鄰的椎體C4棘突應(yīng)力增幅為1.2倍，C6棘突應(yīng)力增幅為2.2倍；其余椎體棘突的應(yīng)力改變幅度不明顯?？梢钥闯觯撼鳛槭址ú僮鞯哪繕?biāo)棘突承受最大應(yīng)力外，相鄰的椎體棘突應(yīng)力同樣也有較大的改變，但這一改變并未跨越椎體。

2.3.2小關(guān)節(jié)應(yīng)力分布 “骨錯縫”模型在進(jìn)行手法仿真模擬時，各個節(jié)段頸椎兩側(cè)小關(guān)節(jié)在手法加載前和加載瞬時應(yīng)力分布見表2。

表2 手法加載前和瞬時各節(jié)段頸椎小關(guān)節(jié)應(yīng)力變化 (MPa)

結(jié)果顯示：在手法前，模型頸椎各椎體小關(guān)節(jié)之間應(yīng)力集中在左側(cè)C4～5、C5～6、C6～7和C7～T1節(jié)段，其中最大的是左側(cè)C4～5和C5～6小關(guān)節(jié)，即在發(fā)生“骨錯縫”狀態(tài)改變的C5椎體偏歪側(cè)上、下關(guān)節(jié)均有異常應(yīng)力集中現(xiàn)象。在手法瞬時，頸椎左側(cè)小關(guān)節(jié)的應(yīng)力均有明顯下降，右側(cè)小關(guān)節(jié)應(yīng)力有所上升，而且從下降程度而言，降幅最大發(fā)生在C4～5左側(cè)小關(guān)節(jié)，下降了37.7%；右側(cè)小關(guān)節(jié)瞬時的應(yīng)力增大則是因?yàn)槭址M由左向右調(diào)整，屬于正常的生理功能應(yīng)力增大，增幅最大發(fā)生在C4～5右側(cè)小關(guān)節(jié)，上升了101%。

2.3.3椎間盤應(yīng)力分布 以椎間盤幾何中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立水平X-Y軸，參照坐標(biāo)系象限分布將椎間盤劃分為四個纖維環(huán)區(qū)域(A1，A2，A3，A4)和4個髓核區(qū)域(N1，N2，N3，N4)共8個區(qū)域?！肮清e縫”模型在進(jìn)行手法仿真模擬時，不同節(jié)段頸椎間盤在手法加載前和加載瞬時應(yīng)力分布見表3。

表3 手法加載前和瞬時各椎間盤不同部位應(yīng)力變化 (MPa)

結(jié)果顯示：在手法加載前，“骨錯縫”模型椎間盤纖維環(huán)和髓核應(yīng)力最大的部位在C4～5和C5～6兩個節(jié)段，自上而下呈現(xiàn)中段頸椎間盤應(yīng)力大，兩端頸椎間盤應(yīng)力小的趨勢。在手法加載瞬時，椎間盤纖維環(huán)和髓核的應(yīng)力改變非常明顯：C2～3節(jié)段纖維環(huán)和髓核應(yīng)力均減?。籆3～4節(jié)段，纖維環(huán)A1和A2應(yīng)力減小，A3和A4應(yīng)力增大，髓核N1和N2應(yīng)力減小，N3和N4應(yīng)力增大；C4～5節(jié)段，纖維環(huán)A1和A2減小，A3和A4應(yīng)力增大，髓核N1～N4應(yīng)力均減??；C5～6節(jié)段，纖維環(huán)A1和A2應(yīng)力增大，而A3和A4應(yīng)力顯著增大，其中A4增大最為明顯，增大572%，髓核N1和N2應(yīng)力增大，N3和N4應(yīng)力顯著增大，且N4增大最明顯，增大391%；C6～7節(jié)段，纖維環(huán)A1～A4應(yīng)力增大，其中A3和A4增大更明顯，髓核N1～N4應(yīng)力也明顯增大；C7～T1節(jié)段，纖維環(huán)A1～A4應(yīng)力均增大，A3和A4更明顯，髓核N1～N4應(yīng)力均增大，且N3和N4更明顯。

3 討論

2020年11月中國衛(wèi)生健康委員會、中國中醫(yī)藥管理局在修訂的新版《中醫(yī)病證分類與代碼》中新增了“骨錯縫”這一中醫(yī)學(xué)術(shù)語，使其成為國際通用的診療術(shù)語。事實(shí)上，“骨錯縫”一直是中醫(yī)骨傷手法治療慢性脊柱疾病的核心理論和治療關(guān)鍵指征[6]?！肮清e縫”可以發(fā)生于任何骨關(guān)節(jié)部位，但脊柱是其易發(fā)部位之一，尤其易發(fā)于頸段脊柱[4-5，9]。而有效矯正“骨錯縫”這一病理狀態(tài)，是臨床療效和轉(zhuǎn)歸的關(guān)鍵指標(biāo)[10-12]，誠如《醫(yī)宗金鑒·正骨心法要旨》中所云：“夫手法者，謂以兩手安置所傷之筋骨，使仍復(fù)于舊也。”手法治療的目的就是要使“骨入縫”或“骨合縫”。

頸椎旋扳法是中醫(yī)骨傷科臨床治療頸椎病運(yùn)用最為廣泛，也是最具特色的技術(shù)之一，其臨床有效性已得到普遍認(rèn)同，但其安全性一直在中醫(yī)和西醫(yī)等不同學(xué)科之間飽受爭議，支持者認(rèn)為可以通過頸椎旋扳法針對性糾正“骨錯縫”的病理結(jié)構(gòu)，改善異常應(yīng)力狀態(tài)，并且能夠降低椎間盤內(nèi)壓力，甚至在一定程度上縮小突出的髓核，從而改善或解決臨床癥狀[13-17]；反對者認(rèn)為該手法會造成原有退變、損傷部位的進(jìn)一步惡化和加重，同時會導(dǎo)致頸椎椎間盤突出的加劇，甚至發(fā)生嚴(yán)重的不良事件[18-21]。因此，通過有限元分析技術(shù)克服傳統(tǒng)臨床實(shí)驗(yàn)和離體實(shí)驗(yàn)的缺陷，在接近真實(shí)反映臨床治療過程的同時，獲得人體頸椎各個組織結(jié)構(gòu)的實(shí)時應(yīng)力數(shù)據(jù)，嘗試揭示頸椎旋扳法對病理頸椎的生物力學(xué)作用效應(yīng)，進(jìn)而探討該手法的安全性和有效性，對該手法的臨床應(yīng)用具有重要意義。

本研究所構(gòu)建的“骨錯縫”模型在與正常人模型進(jìn)行頭部載荷和頸椎活動對比顯示，“骨錯縫”狀態(tài)會導(dǎo)致病理部位的下位頸椎在椎體、小關(guān)節(jié)、椎間盤部位的應(yīng)力異常增大，且明顯減小了病理節(jié)段相鄰椎體之間的活動度，這一結(jié)果與其他研究結(jié)果一致[22-25]。說明“骨錯縫”狀態(tài)不僅導(dǎo)致了頸椎的結(jié)構(gòu)異常，也導(dǎo)致了頸椎的功能異常，由此導(dǎo)致整體頸椎生物力學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，加速頸椎組織結(jié)構(gòu)的退變，進(jìn)而引發(fā)相關(guān)臨床癥狀。

而頸椎旋扳手法仿真研究結(jié)果顯示：在手法的目標(biāo)棘突及上下相鄰棘突，受到的瞬時應(yīng)力增加明顯，但并不跨越椎體，通過手法調(diào)整，使“骨錯縫”狀態(tài)下小關(guān)節(jié)之間的高應(yīng)力狀態(tài)得以降低，從數(shù)值上看，調(diào)整后左側(cè)各節(jié)段小關(guān)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)與未調(diào)整前右側(cè)各節(jié)段小關(guān)節(jié)應(yīng)力大小接近，這證實(shí)了手法可以有效調(diào)節(jié)頸椎應(yīng)力狀態(tài)，促使頸椎兩側(cè)小關(guān)節(jié)應(yīng)力趨于平衡。

在椎間盤的應(yīng)力改變上，在手法作用瞬時，目標(biāo)椎體上位椎間盤的前部應(yīng)力減小，后部應(yīng)力稍有增大，但髓核應(yīng)力均減小，而目標(biāo)椎體下位椎間盤應(yīng)力不同程度增大，其規(guī)律在于椎間盤的后部應(yīng)力(A3，A4，N3，N4)增大更為明顯，尤其是C5～6椎間盤的A4和 N4部位，在手法作用瞬時，短時間內(nèi)應(yīng)力劇增，該結(jié)果與李義凱教授用尸體實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果一致[17]。所以，在旋扳法操作瞬時，會明顯增加目標(biāo)椎體下位椎間盤后部的應(yīng)力，由此推測，如該部位結(jié)構(gòu)存在明顯的髓核突出、纖維環(huán)破裂現(xiàn)象，反復(fù)地進(jìn)行與突出或損傷方向一致的旋扳法，可能導(dǎo)致這一損傷加重。然而，該手法在操作瞬時，可以明顯降低目標(biāo)椎體上位椎間盤的應(yīng)力，尤其是髓核組織的應(yīng)力。

本研究提示頸椎旋扳法確實(shí)能改善“骨錯縫”狀態(tài)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力異常狀態(tài)，能降低手法目標(biāo)椎體上位頸椎間盤應(yīng)力，但卻會增加目標(biāo)椎體下位頸椎間盤應(yīng)力。同時，經(jīng)過對椎間盤髓核單元手法前后計(jì)算，并沒有發(fā)現(xiàn)髓核單元發(fā)生形變、體積變小的情況，因而本實(shí)驗(yàn)不能證實(shí)該手法可以縮小突出的髓核。但是，該手法導(dǎo)致目標(biāo)椎體下位椎間盤應(yīng)力的增加，證實(shí)該手法確實(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，這提示在手法操作時，要完善影像學(xué)檢查，明確診斷，手法操作精準(zhǔn)定位，合理操作，避免造成醫(yī)源性損害。有限元分析技術(shù)雖然有著無法替代的優(yōu)勢，但仍然不能完全等同于真實(shí)情況，本研究以“骨錯縫”為切入點(diǎn)，但沒有將“骨錯縫”導(dǎo)致的“筋出槽”添加到模型的構(gòu)建和仿真計(jì)算中，本研究還忽略了肌肉的影響，今后將嘗試構(gòu)建包含頸部主要肌群的有限元模型，在驗(yàn)證后針對“骨錯縫筋出槽”這一整體病機(jī)進(jìn)行更深入的研究。