体位对颈椎旋转手法整复神经根型颈椎病关节突关节骨错缝的有限元分析

doi:10.12307/2023.653

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (29): 4607-4611.doi: 10.12307/2023.653

• 骨与关节生物力学Bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

体位对颈椎旋转手法整复神经根型颈椎病关节突关节骨错缝的有限元分析

叶林强，陈超，刘源辉，李真，卢国樑

广州中医药大学东莞医院骨科，广东省东莞市 523000

收稿日期:2022-07-05 接受日期:2022-08-24 出版日期:2023-10-18 发布日期:2022-12-02
通讯作者: 卢国樑，主任中医师，硕士生导师，广州中医药大学东莞医院骨科，广东省东莞市 523000
作者简介:叶林强，男，1987年生，广东省东莞市人，汉族，博士，主治中医师，主要从事脊柱疾病的中西医诊治研究。
基金资助:
广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515110717)，项目负责人：叶林强；东莞市社会科技发展项目(202050715002180)，项目负责人：叶林强

Finite element analysis of position effects on reduction of facet joint displacement by cervical rotatory manipulation for cervical spondylotic radiculopathy

Ye Linqiang, Chen Chao, Liu Yuanhui, Li Zhen, Lu Guoliang

Department of Orthopedics, Dongguan Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Dongguan 523000, Guangdong Province, China

Received:2022-07-05 Accepted:2022-08-24 Online:2023-10-18 Published:2022-12-02
Contact: Lu Guoliang, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Dongguan Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Dongguan 523000, Guangdong Province, China
About author:Ye Linqiang, MD, Attending physician, Department of Orthopedics, Dongguan Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Dongguan 523000, Guangdong Province, China
Supported by:
Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation, No. 2019A1515110717 (to YLQ); Dongguan Science and Technology of Social Development Program, No. 202050715002180 (to YLQ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

神经根型颈椎病：主要是因为椎间盘后外侧突出或椎间孔狭窄挤压神经根和神经根的炎症反应，引起以颈肩部及患侧上肢放射性疼痛、麻木为主要症状的退变性颈椎疾病。神经根型颈椎病约占颈椎病的60%，是发病率最高的颈椎病类型，大多数神经根型颈椎病患者可以通过保守治疗改善症状。
关节突关节骨错缝：当椎间盘退变支撑力下降时，由于颈椎关节突关节面具有自前上向后下倾斜的解剖特点，上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向后下滑动而发生关节突关节半脱位，使椎间孔的前后径和上下径变小，神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝类似于这种关节突关节半脱位，所以颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病应使上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向前上滑动，最大限度恢复椎间孔的前后径和上下径。

背景：颈椎旋转手法的操作体位主要包括前屈位、中立位、后伸位和旋转方向，关于选用哪种体位实施颈椎旋转手法更有利于整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病，目前尚不清晰。
目的：比较不同体位实施颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病的生物力学差异。
方法：建立并验证C5-C6正常三维有限元模型，分别模拟前屈、中立、后伸体位往右侧旋转实施颈椎旋转手法，比较不同体位实施颈椎旋转手法时C5双侧下关节突的前后方向和上下方向位移分布。选取整复侧C5下关节突的相同结点作为位移值参考点，比较不同体位实施颈椎旋转手法时整复侧C5下关节突的前后方向和上下方向位移值。
结果与结论：①在前屈、中立和后伸3种体位实施颈椎旋转手法，旋转侧C5下关节突均向后下滑动，旋转对侧C5下关节突均向前上滑动，所以C5下关节突的滑动趋势与旋转方向有明显相关性，而与前屈、中立和后伸体位没有明显相关性；②在前屈、中立、后伸体位实施颈椎旋转手法，旋转对侧C5下关节突的向前位移值分别是1.32，1.22和0.77 mm，向上位移值分别是1.49，1.29和0.29 mm；③结果显示，前屈位实施颈椎旋转手法使旋转对侧下关节突的前上位移值最大，说明前屈位往健侧旋转实施颈椎旋转手法可能更有利于整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病。
https://orcid.org/0000-0002-9013-2247(叶林强)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 神经根型颈椎病, 颈部体位, 颈椎旋转手法, 三维有限元分析, 关节突关节骨错缝

Abstract: BACKGROUND: Positions of cervical rotatory manipulation mainly include flexion, neutral, extension and rotation direction. It is still not clear which positions are more beneficial for cervical rotatory manipulation to reduce facet joint displacement in treatment of cervical spondylotic radiculopathy.
OBJECTIVE: To compare biomechanical effects of positions on reduction of facet joint displacement by cervical rotatory manipulation in treatment of cervical spondylotic radiculopathy.
METHODS: A three-dimensional finite element model of the normal C5-C6 was constructed and validated. Cervical rotatory manipulation was simulated with rotation to the right side in flexion, neutral and extension, respectively. Displacement distributions in forward-backward and upward-downward directions of C5 bilateral inferior articular processes were compared among cervical rotatory manipulation performed in different positions. The same node in C5 inferior articular process of the reduced side was selected as reference point for displacement value. Displacement values in forward-backward and upward-downward directions of C5 inferior articular process of the reduced side were compared among cervical rotatory manipulation performed in different positions.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) With cervical rotatory manipulation performed in flexion, neutral and extension, ipsilateral C5 inferior articular process of rotation moved backward and downward while contralateral C5 inferior articular process of rotation moved forward and upward. Thus, the sliding trend of C5 inferior articular process was significantly correlated with the direction of rotation, but not with positions of flexion, neutral and extension. (2) When cervical rotatory manipulation was performed in flexion, neutral and extension, forward displacement of contralateral C5 inferior articular process of rotation was 1.32, 1.22 and 0.77 mm, respectively, and upward displacement was 1.49, 1.29 and 0.29 mm, respectively. (3) The findings showed that forward-upward displacement of contralateral inferior articular process of rotation was maximum in flexion, indicating that rotation to the healthy side in flexion might be more beneficial for cervical rotatory manipulation to reduce facet joint displacement in treatment of cervical spondylotic radiculopathy.

Key words: cervical spondylotic radiculopathy, neck position, cervical rotatory manipulation, three-dimensional finite element analysis, facet joint displacement

中图分类号:

叶林强, 陈超, 刘源辉, 李真, 卢国樑. 体位对颈椎旋转手法整复神经根型颈椎病关节突关节骨错缝的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(29): 4607-4611.

Ye Linqiang, Chen Chao, Liu Yuanhui, Li Zhen, Lu Guoliang. Finite element analysis of position effects on reduction of facet joint displacement by cervical rotatory manipulation for cervical spondylotic radiculopathy[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(29): 4607-4611.

图/表（结果） 3

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引言

神经根型颈椎病主要是因为椎间盘后外侧突出或椎间孔狭窄挤压神经根和神经根的炎症反应，引起以颈肩部及患侧上肢放射性疼痛、麻木为主要症状的退变性颈椎疾病[1-2]。神经根型颈椎病约占颈椎病的60%，是发病率最高的颈椎病类型[3-5]，大多数神经根型颈椎病患者可以通过保守治疗改善症状[6-8]。中医认为“骨错缝、筋出槽”是慢性肌骨骼疾病的关键病机，是手法治疗慢性肌骨骼疾病的靶点，骨错缝是指关节间隙位置发生异常改变[9-10]。颈椎关节突关节骨错缝是椎间孔狭窄发生、神经根压迫加重的重要因素[11-13]。颈椎旋转手法可以整复关节突关节骨错缝、扩大椎间孔、解除神经根压迫性刺激，从而有效治疗神经根型颈椎病[14]。
当椎间盘退变支撑力下降时，由于颈椎关节突关节面具有自前上向后下倾斜的解剖特点，上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向后下滑动而发生关节突关节半脱位，使椎间孔的前后径和上下径变小[15-16]，神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝类似于这种关节突关节半脱位[12，17]，所以颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病应使上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向前上滑动，最大限度恢复椎间孔的前后径和上下径。颈椎旋转手法种类较多，多数流派旋转用力的共同点是将患者颈椎被动旋转至最大限度，再施加有控制的快速用力进行顺势扳动[18]。不同流派实施颈椎旋转手法的体位存在差异，主要包括前屈、中立、后伸和旋转方向[19]。关于选用哪种体位更有利于颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病，目前尚不清晰。此次研究拟采用三维有限元分析法比较不同体位实施颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病的生物力学差异，试图从生物力学角度明确哪种体位更有利于颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2021年1-12月在广州中医药大学东莞医院完成。
1.3 材料选择1名健康男性志愿者，年龄25岁，身高172 cm，体质量65 kg，排除脊柱创伤、严重退行性变、畸形、肿瘤。受试者对实验知情同意，并签署实验知情同意书。研究已通过广州中医药大学东莞医院伦理委员会的批准。由医学影像科技师，采用德国西门子公司生产的64排螺旋CT扫描机对志愿者的颈椎进行连续扫描，层厚为0.625 mm，扫描电压为120 kV，电流为205.50 mA，扫描矩阵为512×512，扫描数据以DICOM格式直接存储。
实验设备：计算机硬件Intel(R) Core(TM) i7-8700K CPU 3.70 GHz，32 G内存，NVIDIA GeForce RTX 2060显卡，Windows10 64位操作系统； Mimics 19.0医学图像处理软件(Materialis公司，比利时)；Geomagic Studio逆向工程软件(Geomagic公司，美国)；Solidwords 2017三维设计软件(Solidworks公司，美国)；Abaqus 6.12有限元分析软件(Abaqus公司，美国)。
1.4 方法
1.4.1 C5-C6正常三维有限元模型的建立利用Mimics 19.0软件读取DICOM格式颈椎图像文件，通过阈值分割、擦除、填充等功能提取C5-C6椎骨信息，通过三维重建功能重建C5-C6椎骨，以点云格式文件将模型输出。将C5-C6模型导入到Geomagic Studio 2013软件，将椎骨模型进行光滑处理，生成几何实体模型，以stp文件输出。将C5-C6模型导入Solidwords 2017软件中组成装配体，在C5-C6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、软骨终板和关节软骨的厚度分别为0.4 mm[20]、0.2 mm和0.5 mm[21-22]。髓核占整个椎间盘体积的40%[23-24]。纤维环的纤维体积约占纤维环体积的20%，纤维呈剪刀方式走行，平均与椎间盘平面成±25°[21，25-26]。韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊、棘间韧带及棘上韧带。在Abaqus 6.12软件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。皮质骨和关节软骨的单元类型定义为壳单元，后方骨性结构、松质骨、软骨终板、纤维环和髓核的单元类型定义为体单元，韧带、关节囊和纤维环纤维的单元类型定义为桁架单元。材料属性均定义为线性、均质、各向同性，材料属性参数均来源于参考文献[21，27-28]，见表1。关节突关节的相互关系设定摩擦系数为0.1[29]，其余各部分的相互关系设定为绑定。最后，C5-C6正常三维有限元模型由283 204结点和187 842单元组成，其中壳单元4 151、体单元182 994、桁架单元697，见图1。

1.4.2 C5-C6正常三维有限元模型的验证完全固定C6下终板，在C5上终板施加垂直向下73.6 N载荷模拟头部重力，同时在各解剖平面(横断面、矢状面和冠状面)分别施加1.8 N•m扭矩模拟前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转活动，计算模型的运动范围，与相同边界条件下的体外生物力学实验和三维有限元分析结果相比较以验证模型的有效性[22，30]。
1.4.3 模拟不同体位实施颈椎旋转手法的有限元运算分析模型边界和加载条件：①完全固定C6下终板，即约束C6下终板X、Y、Z 3个方向的自由度；②在C5上终板中心施加载荷73.6 N，压力方向垂直向下，模拟人体的头部重力；③在C5上终板中心绕X轴分别施加转角3°、0°和-3°，模拟颈椎旋转手法的前屈、中立和后伸体位；④在C5上终板中心绕Z轴施加转角-2°，模拟颈椎旋转手法向右旋转达固定位；⑤在C5上终板中心绕Z轴施加转角-1°，模拟颈椎旋转手法向右顺势扳动。通过耦合的方式使载荷和转角均匀分布在C5上终板的表面。使用Abaqus 6.12有限元分析软件进行分析运算。
1.5 主要观察指标 ①比较不同体位实施颈椎旋转手法下，C5双侧下关节突的前后方向和上下方向位移分布；②选取整复侧C5下关节突的相同结点作为整复侧下关节突位移值参考点，比较不同体位实施颈椎旋转手法的整复侧C5下关节突的前后方向和上下方向位移值。

讨论

3.1 神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝(半脱位)与椎间孔狭窄相关性分析 LU等[15]研究发现，颈椎椎间隙塌陷与椎间孔狭窄具有明显相关性，他们分析认为颈椎关节突关节半脱位是椎间隙塌陷导致椎间孔狭窄的重要病理特征。部分学者考虑到颈椎关节突关节半脱位是椎间孔狭窄的重要原因，采用关节突关节撑开融合术治疗神经根型颈椎病，扩大了椎间孔，获得了满意疗效[31-35]。张明才等[12]通过观察神经根型颈椎病患者的X射线片分析椎间孔狭窄的主要骨性原因，结果发现，在引起椎间孔狭窄的各种骨性因素中，关节突关节骨错缝的发生率最高，又可与钩椎关节骨质增生、关节突关节骨质增生、椎间隙狭窄等骨性原因共同导致椎间孔狭窄。此外，张明才等[14]还发现颈椎旋转手法可以整复关节突关节骨错缝、扩大椎间孔，从而有效治疗关节突关节骨错缝致椎间孔狭窄的神经根型颈椎病。最近，他们对比神经根型颈椎病患者和健康受试者的关节突关节骨错缝和椎间盘突出发生率，结果发现神经根型颈椎病患者的关节突关节骨错缝和椎间盘突出发生率均明显高于健康受试者，说明关节突关节骨错缝和椎间盘突出均为神经根型颈椎病患者神经根压迫性刺激的主要诱因[13]。因此，颈椎关节突关节骨错缝是椎间孔狭窄的重要原因，是引起神经根型颈椎病患者的神经根压迫性刺激的重要因素，整复关节突关节骨错缝可以扩大椎间孔，解除神经根压迫性刺激，从而有效治疗神经根型颈椎病。
3.2 神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝潜在发生机制分析作者把神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝潜在发生机制概括为以下两方面：一是椎间盘突出或关节囊损伤致椎间关节失稳，关节突关节运动超出正常范围，受到周围关节囊、韧带等软组织保护性紧张的限制，关节突关节处于骨错缝病理状态，很难自行复位，或由于关节突关节的异常运动所产生的关节腔内负压将滑膜及关节囊吸入关节腔内而发生嵌顿，使其更难以自动复位[12]；二是椎间盘长期退变，椎间隙塌陷，关节突关节因椎间隙塌陷而发生移位[15-16]。椎间隙塌陷引起的关节突关节骨错缝，发生机制与椎间关节结构改变有关，属于结构改变引起的关节突关节骨错缝。相对于结构改变引起的关节突关节骨错缝，椎间盘突出或关节囊损伤引起的关节突关节骨错缝，发生机制主要与椎间关节失稳、关节突关节运动超出正常范围有关，属于非结构改变引起的关节突关节骨错缝。非结构改变引起的关节突关节骨错缝可能更适合手法整复，结构改变引起的关节突关节骨错缝可能需要手术矫正。但神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝潜在发生机制目前大多处于科学假说阶段，相关的生物力学证据仍然较少。
3.3 体位对颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病的生物力学影响因为颈椎间盘退变好发于C5-C6节段，所以此次研究单独建立C5-C6三维有限元模型进行研究[36-38]。与既往有限元分析和体外生物力学实验结果对比，模型验证结果显示该文建立的C5-C6正常三维有限元模型能够模拟C5-C6脊柱功能单元的生理活动，可用于进一步实验[22，30]。因为神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝表现为上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向后下滑动而发生关节突关节半脱位[15-16]，所以颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病，应使上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向前上滑动，因此，此次研究主要观察C5下关节突的前后方向和上下方向位移。C5双侧下关节突位移分布结果显示，在前屈、中立和后伸3种体位实施颈椎旋转手法，旋转侧C5下关节突均向后下滑动，旋转对侧C5下关节突均向前上滑动，所以C5下关节突的滑动趋势与旋转方向有明显相关性，而与前屈、中立和后伸体位没有明显相关性，说明实施颈椎旋转手法往健侧旋转可能有利于整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病，往患侧旋转可能会加重神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝。旋转对侧C5下关节突位移值结果显示，在前屈、中立、后伸体位实施颈椎旋转手法，旋转对侧C5下关节突的前上位移值从大到小分别是前屈位、中立位和后伸位，说明相对于中立和后伸体位实施颈椎旋转手法，前屈位实施颈椎旋转手法可能更有利于整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病。
综上所述，神经根型颈椎病的关节突关节骨错缝以上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向后下滑动为特征，颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病，应使上位椎骨的下关节突沿着关节突关节面向前上滑动。此次研究结果显示，颈椎旋转手法使旋转对侧和旋转侧下关节突分别向前上滑动和后下滑动，在前屈、中立、后伸体位实施颈椎旋转手法，旋转对侧下关节突的前上位移值从大到小分别是前屈位、中立位和后伸位，所以在前屈位往健侧旋转实施颈椎旋转手法可能更有利于整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病。研究存在一定的局限性：第一，将脊柱材料属性定义为均质、线性和各向同性，与真实人体存在一定差异；第二，该研究的颈椎旋转手法模拟是虚拟的加载条件，不是颈椎旋转手法作用于人体后真实的颈部运动轨迹和参数，加载真实的颈部运动轨迹和参数可能会对该研究结果有一定影响，必要时将来还需进一步探讨；第三，该研究的模型未涉及肌肉建模，所以肌肉对颈椎旋转手法整复关节突关节骨错缝治疗神经根型颈椎病的影响尚不清晰。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

体位对颈椎旋转手法整复神经根型颈椎病关节突关节骨错缝的有限元分析

Finite element analysis of position effects on reduction of facet joint displacement by cervical rotatory manipulation for cervical spondylotic radiculopathy

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