不同体位下颈椎旋转手法对颈椎间盘位移和内在应力的影响①

黄学成，叶林强，江晓兵，余伟波，梁德

不同体位下颈椎旋转手法对颈椎间盘位移和内在应力的影响①

黄学成1,2，叶林强2，江晓兵2，余伟波1,2，梁德2

目的利用三维有限元模拟颈椎在前屈、中立、后伸三种体位下行颈椎旋转手法，探讨该手法在不同体位下对颈椎间盘位移和内在应力的影响。方法2016年11月对1例25岁健康成年女性志愿者的颈椎进行CT扫描成像，应用Mimics 10.01、Geomagic Studio、Solidworks 14.0等软件建立颈椎C5-6实体CAD模型，然后将模型导入Ansys Workbench 14.5软件进行有效性验证及手法模拟。在颈椎前屈、中立、后伸三种体位下进行手法分解，把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。即时显示手法作用时颈椎间盘的位移和内在应力的变化。结果在三种体位下，纤维环旋转对侧的后部均出现向前回缩变形，前屈位最大，中立位次之，后伸位最小；纤维环旋转侧的后部均出现向后膨出变形，前屈位最小，中立位次之，后伸位最大；椎间盘内在应力在三种体位下分别集中于旋转对侧后部、旋转对侧和旋转侧后部，其中前屈位最大，后伸位次之，中立位最小。结论从椎间盘安全性角度出发，颈椎旋转手法治疗神经根型颈椎病时，建议向健侧旋转，体位首选中立位，若疗效欠佳再考虑使用前屈位。颈椎管狭窄的患者不宜使用颈椎旋转手法治疗。

颈椎旋转手法；神经根型颈椎病；体位；位移；应力

颈椎旋转手法是治疗神经根型颈椎病(cervical spondylotic radiculopathy,CSR)重要的保守疗法之一，它能迅速缓解根性疼痛，改善症状，因其疗效显著而广泛应用于临床[1]。对于颈椎旋转手法治疗CSR的起效机制，目前研究[2-3]多认为颈椎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。但如果手法操作不当，也可导致颈椎间盘突出加重，症状加剧。体位是实施手法的基础，对于患者颈椎体位究竟选择前屈位、中立位还是后伸位，更有利于颈椎旋转手法的有效和安全施行，学界尚有争论[4-7]。

本研究采用三维有限元模拟在前屈、中立、后伸三种不同体位下，颈椎旋转手法对颈椎间盘位移和内在应力的影响，为颈椎旋转手法的有效性和安全性进一步提供依据。

1 材料与方法

1.1 C5-6功能节段三维有限元模型的建立及验证

2016年11月广州中医药大学成年健康女性志愿者1例，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，签署知情同意书。本研究通过广州中医药大学第一附属医院伦理委员会审查。

采用64排螺旋CT(德国西门子公司)扫描志愿者颈椎，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Mimics 10.01软件读取DICOM格式图像文件，然后通过阈值分割、擦除、填充等功能提取C5-6椎骨信息，最后通过三维重建功能重建C5-6椎骨。将模型以点云格式文件从Mimics 10.01软件输出，导入到Geomagic 2012逆向工程软件，光滑处理椎骨模型，生成几何实体，输出为stp文件。把几何实体文件导入到SolidWorks 2014软件，在C5-6椎骨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的建模。皮质骨和软骨终板厚度均为0.4 mm，关节突关节软骨厚度0.5 mm，髓核占整个椎间盘体积43%[8]，纤维环的纤维体积约占纤维环体积的20%[9]，纤维成剪刀方式走行，并与椎间盘平面平均成15°～45°[10](图1)。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。在有限元分析软件Ansys Workbench 14.5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。所建模型赋予的材料属性[10-12]见表1。

图1 颈椎C5-6椎间盘纤维环基质及纤维环纤维的三维有限元模型

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载荷73.6 N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模拟前屈、后伸、侧屈及旋转，计算模型在各个工况下的三维运动范围，与相同边界条件下的尸体生物力学实验和三维有限元分析实验结果[13-14]相比较以验证模型的有效性。

表1 颈椎C5-6有限元模型的材料属性

1.2 不同体位下颈椎旋转手法的模拟和加载

模型加载条件：①C6椎体底部固定；②C5椎体上端垂直向下压缩载荷50 N模拟重力；③C5-6有限元模型绕X轴分别旋转5°、0°、-5°，模拟手法治疗之前的前屈、中立、后伸体位；④Z轴顺时针方向(向右)旋转3°，模拟手法治疗前向右旋转达固定位；⑤C5椎体上端在前屈、中立、后伸三种体位下分别施加垂直向上牵引力100 N；⑥Z轴顺时针方向(向右)旋转1°模拟手法顺势扳动；⑦C5-6撤销牵引力并恢复至中立位。

2 结果

2.1 颈椎C5-6三维有限元模型的建立

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结构与材料特性，所建颈椎C5-6实体CAD模型及三维有限元模型见图2。

2.2 颈椎C5-6三维有限元模型的验证

在本研究中予以颈椎C5-6节段与以往研究相同的边界条件和加载，发现本实验结果与以往研究结果[13-14]基本相同。见表2。

表2 以往研究与本实验颈椎C5-6模型活动度(°)

图2 颈椎C5-6三维有限元模型

2.3 椎间盘位移和内在应力

前屈、中立、后伸三种体位下，纤维环旋转对侧的后部出现向左、向前、拉伸回缩变形(图3第1排)，其中Y轴向前回缩位移明显，分别为0.953 mm、0.648 mm、0.216 mm；纤维环旋转侧的后部均出现向左、向后、压缩膨出变形(图3第1排)，其中Y轴向后膨出位移明显，分别为0.264 mm、0.569 mm、0.947 mm。

椎间盘内在应力(图3第3排)的变化与位移一致(图3第2排)。前屈位，椎间盘内在应力集中于旋转对侧后部和旋转侧的前部，旋转对侧后部较大，最大达到8.119 MPa；中立位，椎间盘内在应力集中于旋转两侧，旋转对侧较大，最大达到5.855 MPa；后伸位，椎间盘内在应力集中于旋转侧后部和旋转对侧前部，旋转侧后部较大，最大达到6.943 MPa。

髓核的位移与应力较小，其位移与应力和椎间盘的分布趋势一致。

图3 不同体位下颈椎旋转手法对椎间盘位移和内在应力的改变

3 讨论

CSR的主要症状为根性痛[15]，而椎间盘突出对神经根的机械压迫及由此引起的炎症因子的刺激则是CSR发病的主要机制[16]。颈椎旋转手法在治疗CSR方面，能迅速缓解根性疼痛，其疗效甚佳[17-18]。关于颈椎旋转手法治疗CSR的起效机制，目前主要存在两种学说，包括“髓核还纳”学说和“松解粘连”学说[2]。郭伟等[19]通过磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)复查，测量并对比手法治疗前后髓核突出的大小变化，发现手法治疗后患者症状改善，但突出的髓核并没有因此而减少，手法并不能使突出的髓核回纳。更有研究指出[20]，在颈椎旋转手法过程中，牵拉上提颈部动作的时候髓核内压力降低，但在旋转扳动时髓核内压力是升高的。因此，“髓核还纳”学说难以接受。

目前研究多认为[2-3,21]，颈椎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。因此，“松解粘连”学说得到普遍认同[22-23]。但对于患者颈椎体位的选择，目前尚未统一，究竟选择前屈位[24]、中立位[25]还是后伸位[4]，更有利于颈椎旋转手法的安全和有效施行？既往基础及临床研究证实，前屈位下行颈椎旋转手法治疗CSR对缓解根性痛效果优于中立位和后伸位，他们认为前屈位可以扩大椎间孔及椎管容积，有利于神经根的松解[24,26-27]。邬黎平等[4]在尸体研究中发现，在前屈位进行颈椎旋转手法时，髓核内压力最大，中立位次之，后伸位最小，建议在颈部小幅度后伸位下行颈椎旋转手法，以降低髓核突出的风险。但李义凯等[5]在尸体研究中发现，纤维环后部在过伸旋转体位时均有轻度凸出，并随颈椎左右旋转而左右移动，前屈旋转时纤维环无明显凸出。

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；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。本研究通过三维有限元模拟颈椎旋转手法，发现手法实施时，旋转对侧后部的纤维环发生向外、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。但在手法过程中，我们也发现旋转侧后部纤维环向内、向后、向下压缩膨出变形，旋转侧后部的椎间盘有压迫神经根甚至脊髓的风险。通过模拟不同体位下进行颈椎旋转手法，发现旋转对侧后部的椎间盘向前的回缩变形在前屈位最大，中立位次之，后伸位最小；而旋转侧后部的椎间盘向后的膨出变形在前屈位最小，中立位次之，后伸位最大。椎间盘内在应力在前屈、中立、后伸位下分别集中于纤维环旋转对侧后部、旋转对侧和旋转侧后部，其中前屈位的最大，后伸位次之，中立位最小。由此可见，即使是正常的椎间盘，颈椎旋转手法的操作对它也有风险。

根据本研究我们推测如下。①颈椎旋转手法治疗CSR时，向健侧旋转可使患侧椎间盘发生向前的回缩位移[28-29]，有助于与神经根之间“松解粘连”，但健侧椎间盘同时也有向后膨出的风险。②前屈位使旋转对侧椎间盘向前方产生较大位移，有利于松解神经根粘连和解除压迫，但应力较大，说明椎间盘损伤风险高；后伸位使旋转侧椎间盘向后方产生较大位移，存在挤压神经根的风险，同时应力也较大，说明椎间盘损伤风险也高；中立位的位移和应力均匀分布于椎间盘，说明中立位疗效差于前屈位，但安全性高于前屈位。

因此，对于治疗CSR，从疗效角度出发，在行颈椎旋转手法时，保持颈椎适当前屈并向健侧旋转，更有助于患侧神经根的松解。这可以证实Jason等[24,26-27]的临床研究结论，即前屈体位下施行颈椎旋转手法治疗CSR对缓解根性痛优于中立位及后伸位。但相比中立位和后伸位，手法在前屈位操作时更容易损伤纤维环[30]。

本研究只针对颈椎单节段，对于颈椎整体曲度的变化对前屈位颈椎旋转手法的影响尚未可知，例如颈椎反弓的CSR患者脊髓前方和神经根的张力增高[31]，在前屈位时脊髓前方容易受压[32]，是否适合在前屈位下行颈椎旋转手法需行进一步探讨。从安全性角度出发，手法治疗首选中立位，若疗效欠佳，再考虑使用前屈位。对于颈椎管狭窄患者，应避免使用颈椎旋转手法。

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Effect of Cervical Rotatory Manipulation on Displacement and Intra-stress of Cervical Disc in Different Positions

HUANG Xue-cheng1,2,YE Lin-qiang2,JIANG Xiao-bing2,YU Wei-bo1,2,LIANG De2
1.First School of Clinical Medicine,Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou,Guangdong 510405,China;2.Department of Spinal Surgery,The First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou,Guangdong 510405,China

LIANG De.E-mail:spinedrjxb@sina.com

A和R通过合成算子进行模糊运算得到评价向量

B反映评价对象对评语等级的隶属程度，根据隶属度分级法得出评价结果。

ObjectiveTo simulate the cervical rotatory manipulation(CRM)in flexion,neutral and extension positions using three-dimensional finite element,so as to investigate the effect of this manipulation on the displacement and intra-stress of cervical disc in different positions.MethodsBy using the method of reverse engineering with Mimics 10.01,Geomagic Studio and Solidworks 14.0,a three-dimensional geometric CAD model of C5-6was developed from the CT scan images of a normal adult female aged 25 years.The model was imported into Ansys Workbench 14.5,and a three-dimensional finite element model was verified and simulated the CRM.The CRM was decomposed by principium of manipulation in flexion,neutral and extension,respectively.The parameter of mechanics was analyzed with the finite element system.The change of displacement and intra-stress distribution in cervical disc simultaneous were displayed during simulating the manipulation.ResultsThe posterior part of opposite rotary side of annulus fibers was all retracted,and the displacement was toward anterior,maximal in flexion position,followed as neutral position and minimal in extension position.In the meantime,the posterior part of the rotary side of annulus fibers was expanded into posterior,minimal in flexion position,followed as neutral position and maximal in extension position.The intra-stress in cervical disc was focused on posterior part of opposite rotary side,opposite rotary side and posterior part of the rotary side in flexion position,neutral position and extension position,respectively,maximal in flexion position,followed as extension position and minimal in neutral position.ConclusionTo treat with cervical spondylotic radiculopathy in the perspective of safety of cervical disc,the CRM should rotate to the unaffected side,first in neutral position,second in flexion position if with poor efficacy.Patients with cervical spinal stenosis should not be treated with the CRM.

cervical rotatory manipulation;cervical spondylotic radiculopathy;position;displacement;stress

R681.5

A

1006-9771(2017)12-1470-06

[本文著录格式]黄学成，叶林强，江晓兵，等.不同体位下颈椎旋转手法对颈椎间盘位移和内在应力的影响[J].中国康复理论与实践,2017,23(12):1470-1475.

广州中医药大学第一附属医院岭南特色诊疗技艺应用与推广项目(No.2016JY03)。

1.广州中医药大学第一临床医学院，广东广州市510405；2.广州中医药大学第一附属医院脊柱骨科，广东广州市510405。作者简介：黄学成(1988-)，男，汉族，广东台山市人，博士研究生，主要研究方向：脊柱伤病的基础与临床。通讯作者：梁德，教授，博士生导师。E-mail:spinedrjxb@sina.com。

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.12.019

CITED AS:Huang XC,Ye LQ,Jiang XB,et al.Effect of cervical rotatory manipulation on displacement and intra-stress of cervical disc in different positions[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(12):1470-1475.

2017-04-28

2017-06-05)