頸椎病有限元分析的研究進(jìn)展

王曉偉,王曉丹,梁元政,井夫杰

(山東中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院,山東 濟(jì)南 250011)

頸椎病是以頸椎退行性改變?yōu)榛A(chǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的力學(xué)分析方法,不僅可以模擬頸椎骨性結(jié)構(gòu),也能有效體現(xiàn)頸椎周圍韌帶、肌肉、血管等組織[2]。有限元分析可以彌補(bǔ)基于動(dòng)物模型和尸體標(biāo)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?xiàng)l件下頸椎的生物力學(xué)特征。本文參考相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)頸椎病有限元分析的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,現(xiàn)總結(jié)報(bào)告如下。

1 頸椎病有限元模型的建立

目前對(duì)于正常頸椎有限元模型已有較為全面的數(shù)據(jù),從部分頸椎節(jié)段到全頸椎的有限元模型都有相關(guān)研究[3-4]。此外,除了單純的頸椎骨性結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)直接建立。張明才等[6]構(gòu)建的頸椎“骨錯(cuò)縫”有限元模型和譚蓓等[7]構(gòu)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(guān)結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)參數(shù)獲得相應(yīng)的頸椎病有限元模型。如翁汭等[8]以健康志愿者的數(shù)據(jù)構(gòu)建頸椎有限元模型后,將兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)重新“融合”并“分割”為對(duì)稱、中度、重度3個(gè)不同角度的模型,模擬頸椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)矢狀角不對(duì)稱的病理狀態(tài);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(diào)整椎體在矢狀面的前后距離得到對(duì)應(yīng)的頸椎病有限元模型。此外,也有研究者基于頸椎標(biāo)本建立頸椎有限元模型。Wang等[10]對(duì)上頸椎標(biāo)本進(jìn)行CT掃描后建立了上頸椎有限元模型,并通過對(duì)標(biāo)本韌帶進(jìn)行疲勞處理獲得了上頸椎不穩(wěn)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(diào)的特點(diǎn),是臨床治療頸椎病的常用方法。近年來(lái)有關(guān)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(jī)制方面。相關(guān)的研究主要通過觀察頸椎骨性結(jié)構(gòu)、椎間盤、脊髓的應(yīng)力和位移改變來(lái)研究手法治療頸椎病的作用機(jī)制。

2.1.1手法對(duì)頸椎骨性結(jié)構(gòu)的影響 葉林強(qiáng)等[11-12]的有限元分析發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)類手法可以使頸椎骨性結(jié)構(gòu)發(fā)生位移,擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)的椎間孔容積,解除頸椎病患者的頸椎骨性結(jié)構(gòu)的異常應(yīng)力狀態(tài),使兩側(cè)應(yīng)力恢復(fù)平衡。Chang等[13]的研究顯示,實(shí)施頸椎旋轉(zhuǎn)手法時(shí)頸椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的滑動(dòng)趨勢(shì)與旋轉(zhuǎn)方向有關(guān),旋轉(zhuǎn)側(cè)下關(guān)節(jié)突均向后下方滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)下關(guān)節(jié)突均向前上方滑動(dòng)。葉林強(qiáng)等[11]的研究表明,在不同體位實(shí)施頸椎旋轉(zhuǎn)手法時(shí),旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)下關(guān)節(jié)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(shí)療效更佳的原因。鄧真等[14]針對(duì)頸椎旋扳手法的有限元分析發(fā)現(xiàn),手法治療后頸椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)間的高應(yīng)力狀態(tài)被解除,兩側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力趨于平衡;目標(biāo)棘突及上下相鄰棘突的瞬時(shí)應(yīng)力增加明顯,但這種應(yīng)力改變并未跨越椎體。這提示定位旋轉(zhuǎn)扳法較非定位旋轉(zhuǎn)扳法整復(fù)更加精準(zhǔn),對(duì)非目標(biāo)椎體的影響更小。

此外,有限元分析也被用于驗(yàn)證手法治療頸椎病的安全性。曹盛楠等[15]針對(duì)三維平衡正脊手法的研究顯示,使用該手法治療時(shí)頸椎的應(yīng)力主要分布在下段頸椎的后部結(jié)構(gòu),而且最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于可導(dǎo)致椎體骨折的最小應(yīng)力。這提示三維平衡正脊手法的安全性較高,不會(huì)引起頸椎骨折。

2.1.2手法對(duì)頸椎間盤的影響 椎間盤退變是頸椎病發(fā)生的重要因素。Chang等[13,16]的有限元分析顯示,實(shí)施頸椎旋轉(zhuǎn)手法時(shí)病變椎體上下兩個(gè)節(jié)段椎間盤纖維環(huán)和髓核應(yīng)力最大;椎間盤應(yīng)力集中在纖維環(huán),受力纖維環(huán)對(duì)側(cè)和旋轉(zhuǎn)側(cè)均出現(xiàn)位移與形變;C4～5、C5～6椎間盤髓核內(nèi)壓力和纖維環(huán)應(yīng)力的變化基本相同。黃學(xué)成等[17]的研究顯示,應(yīng)用旋轉(zhuǎn)手法治療神經(jīng)根型頸椎病時(shí),手法實(shí)施過程中應(yīng)力集中在旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)纖維環(huán)后部。這提示向健側(cè)旋頸時(shí)向患側(cè)側(cè)屈更有利于保護(hù)患側(cè)椎間盤。Wu等[18]針對(duì)頸椎有限元模型C4棘突實(shí)施拔伸右旋手法,拔伸過程中髓核應(yīng)力和位移先減小后增大;在頸椎旋轉(zhuǎn)操作過程中,最高應(yīng)力和最大位移均發(fā)生在C3～4髓核右上邊緣;旋轉(zhuǎn)后快速返回中立位過程中,因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的髓核應(yīng)力變化減小、髓核位移距離變小。黃學(xué)成等[19]的研究發(fā)現(xiàn),在頸椎中立位和后伸位實(shí)施旋轉(zhuǎn)手法時(shí),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(fā)生椎間盤損傷和髓核突出的風(fēng)險(xiǎn)高于中立位與后伸位的原因。因此,臨床中使用旋轉(zhuǎn)類手法時(shí)應(yīng)評(píng)估椎間盤狀態(tài),選擇合理的旋轉(zhuǎn)方向與體位,防止發(fā)生醫(yī)源性損傷。

2.1.3手法對(duì)頸椎脊髓的影響 目前有關(guān)手法操作對(duì)頸椎脊髓影響的有限元分析研究相對(duì)較少。Xue等[20]研究發(fā)現(xiàn),實(shí)施頸椎旋轉(zhuǎn)手法后最大應(yīng)力發(fā)生在C1或C2段;在后伸位和中立位實(shí)施頸椎旋轉(zhuǎn)手法時(shí),脊髓應(yīng)力高于前屈位;在后伸位實(shí)施頸椎旋轉(zhuǎn)手法時(shí),最大應(yīng)力位于脊髓灰質(zhì)。

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(shù)療法。有限元分析可以為牽引療法的改進(jìn)提供生物力學(xué)證據(jù)。Wang等[21]比較了有頸部支撐和無(wú)頸部支撐下仰臥位牽引時(shí)相關(guān)組織的平均應(yīng)力、拉伸力及屈曲時(shí)椎間盤后側(cè)纖維環(huán)的應(yīng)力等指標(biāo),結(jié)果顯示有頸部支撐牽引時(shí)頸椎前凸角減小較少,無(wú)頸部支撐牽引下C4～5與C5～6后側(cè)纖維環(huán)最大應(yīng)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(shè)備的改良提供理論支撐。劉治華等[22]的研究發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)牽引過程中頸椎間盤內(nèi)最大應(yīng)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(yīng)用旋轉(zhuǎn)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(yàn)證了其設(shè)計(jì)的牽引機(jī)器人的最佳牽引力、牽引角度與牽引體位。

2.3 手術(shù)治療頸椎病的有限元分析有限元分析可以為頸椎手術(shù)方案的改良提供生物力學(xué)證據(jù)。劉偉聰?shù)萚24]通過有限元分析探討了不同高度椎間盤假體對(duì)人工椎間盤置換術(shù)治療椎間盤源性頸椎病的效果,結(jié)果顯示在維持合適椎間高度的前提下,高度相對(duì)較低的假體與終板接觸面的平均應(yīng)力更小,可降低術(shù)后異位骨化及鄰近節(jié)段退行性變的發(fā)生率。王鵬等[25]運(yùn)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(wěn)定性,結(jié)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(yīng)力增加,避免頸椎前凸丟失。

有限元分析也有助于臨床醫(yī)師確定最佳的頸椎病手術(shù)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(shù)治療多節(jié)段脊髓型頸椎病的效果,結(jié)果顯示手術(shù)干預(yù)可導(dǎo)致相鄰節(jié)段應(yīng)變?cè)黾?這種現(xiàn)象在頸椎前路減壓融合術(shù)后最為明顯。Ren等[27]利用有限元分析對(duì)比了頸椎前路減壓融合術(shù)和經(jīng)皮后路內(nèi)鏡下頸椎間盤切除術(shù)治療神經(jīng)根型頸椎病的效果,結(jié)果顯示采用經(jīng)皮后路內(nèi)鏡下頸椎間盤切除術(shù)對(duì)頸椎生物力學(xué)性能和穩(wěn)定性損傷更小。

3 小 結(jié)

有限元分析在頸椎病發(fā)病和治療機(jī)制研究方面具有其他研究方法無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì),但也存在一些局限性。第一,有限元法是基于數(shù)學(xué)分析方法的計(jì)算機(jī)力學(xué)模擬技術(shù),分析結(jié)果難免存在一定偏差;第二,現(xiàn)有頸椎有限元模型仍未涵蓋所有頸椎結(jié)構(gòu),骨性結(jié)構(gòu)加軟組織的有限元研究模式仍處于發(fā)展階段;第三,目前國(guó)內(nèi)缺乏頸椎相關(guān)組織的材料參數(shù),相關(guān)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果多來(lái)源于國(guó)外文獻(xiàn)[28]。今后應(yīng)針對(duì)這些問題開展相應(yīng)的基礎(chǔ)和臨床研究,進(jìn)一步提高頸椎病有限元研究的價(jià)值。