构建新鲜颈椎标本椎动脉流量测定模型：观察体位改变对椎动脉流量的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0249

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (15): 2373-2377.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0249

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

构建新鲜颈椎标本椎动脉流量测定模型：观察体位改变对椎动脉流量的影响

冯敏山^1，2，尹逊路¹，朱立国^1，2，张法尧^1，3，刘广伟²，展嘉文¹，银河¹，高春雨¹，李健⁴

¹中国中医科学院望京医院，北京市 100102；²中医正骨技术北京市重点实验室，北京市 100102；³齐齐哈尔市中医医院，黑龙江省齐齐哈尔市 161005；⁴北京理工大学自动化研究所，北京市 100102

出版日期:2018-05-28 发布日期:2018-05-28
通讯作者: 张法尧，博士，副主任医师，中国中医科学院望京医院，北京市 100102；齐齐哈尔市中医医院，黑龙江省齐齐哈尔市 161005
作者简介:冯敏山，男，1979年生，博士，主任医师，主要从事脊柱与相关疾病研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(81302992)

Construction of fresh cervical vertebral artery determination model: influence of variant positions on vertebral artery flow

Feng Min-shan^{1, 2}, Yin Xun-lu¹, Zhu Li-guo^{1, 2}, Zhang Fa-yao^{1, 3}, Liu Guang-wei², Zhan Jia-wen¹, Yin He¹, Gao Chun-yu¹, Li Jian⁴

¹Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; ²Beijing Key Laboratory of Palasy Technology, Beijing 100102, China; ³Hospital of Traditional Chinese Medicine of Qiqihaer, Qiqihaer 161005, Heilongjiang Province, China; ⁴School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100102, China

Online:2018-05-28 Published:2018-05-28
Contact: Zhang Fa-yao, M.D., Associate chief physician, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; Hospital of Traditional Chinese Medicine of Qiqihaer, Qiqihaer 161005, Heilongjiang Province, China
About author:Feng Min-shan, M.D., Chief physician, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; Beijing Key Laboratory of Palasy Technology, Beijing 100102, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81302992

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

椎动脉流量：是反映椎-基底动脉供血的一个关键指标，其流量减小是导致椎动脉型颈椎病患者发生眩晕症的重要因素。目前临床常采用经颅多普勒超声检查测定椎动脉流量，但该项检查需要患者卧位，而颈椎体位及位置的变化对椎动脉流速会产生一定的影响；同时患者自身神经调节也会影响该指标的测定。因此，如何准确、高效的测定椎动脉流量成为当前急需解决的问题。

人体颈椎新鲜离体标本：作为可靠的生物力学研究模型，为从椎动脉流量角度研究颈性眩晕发病机制提供了基础。目前国内外尚无既能模拟颈椎生理状态、实现复杂体位，又能进行椎动脉流量测量的离体颈椎模型报道。

摘要

背景：人体颈椎新鲜离体标本作为可靠的生物力学研究模型，为从椎动脉流量角度研究颈性眩晕发病机制提供了基础。目前国内外尚无既能模拟颈椎生理状态、实现复杂体位，又能进行椎动脉流量测量的离体颈椎模型报道。

目的：通过构建新鲜颈椎标本椎动脉测定模型，观察体外环境下新鲜人尸颈椎体位改变对椎动脉流量的影响。

方法：取6具新鲜人尸颈椎标本构建椎动脉流量测定模型，通过调节压力泵模拟人体椎动脉压力；采用数字动作捕捉系统动态测量容量瓶内生理盐水液面高度的变化，实现在旋转相关体位下椎动脉流量测定。

结果与结论：①6个模型中8条椎动脉通畅性完好；②自然位椎动脉流量明显大于对侧旋转复合前屈体位、同侧旋转复合后伸体位、对侧旋转复合后伸体位的椎动脉流量(P < 0.05)；③对侧旋转复合前屈体位及对侧旋转复合后伸体位的椎动脉流量明显小于自然位、同侧旋转体位及同侧旋转复合前屈体位的椎动脉流量 (P < 0.05)；④结果表明，成功构建了生理载荷下新鲜颈椎标本椎动脉循环模型，并实现了旋转相关体位下椎动脉流量的测量；不同的旋转体位对椎动脉流速有不同的影响。

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
ORCID: 0000-0002-7640-7494(张法尧)

关键词: 椎动脉流量, 模型, 颈椎体位, 试验研究, 组织工程实验造模, 体外实验, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: As a reliable biomechanical model, human fresh isolated cervical specimens provide the basis for studying the pathogenesis of cervical vertigo from the perspective of blood flow of vertebral artery. There is a lack of an in vitro cervical model that can simulate the physiological state of the cervical vertebrae and achieve complex posture, as well as can measure the blood flow of vertebral artery.

OBJECTIVE: To study the influence of variant position of human fresh isolated cervical vertebrae on the blood flow of vertebral artery in vitro through constructing the fresh specimen of cervical vertebral artery determination model.

METHODS: Six human fresh isolated cervical specimens were selected for constructing the vertebral artery determination model. The pressure of human vertebra artery was simulated by pressure pump. The change of normal saline height was measured by digital motion capture system dynamically under different positions.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Eight vertebral arteries in the six models were in good condition. (2) The vertebral artery flow under neutral position was significantly richer than that under contralateral rotation-anteflexion and ipsilateral/contralateral rotation-postexion (P < 0.05). (3) The vertebral artery flow under contralateral rotation-anteflexion and rotation-postexion was significantly poorer than that under natural position, ipsilateral rotation and ipsilateral rotation-anteflexion (P < 0.05). (4) In summary, the cervical vertebral artery determination model is constructed successfully that can simulate the influence of the position on vertebral artery flow. Additionally, different positions of rotation make a different effect on vertebral artery flow.

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

Key words: Vertebral Artery, Posture, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

冯敏山，尹逊路，朱立国，张法尧，刘广伟，展嘉文，银河，高春雨，李健. 构建新鲜颈椎标本椎动脉流量测定模型：观察体位改变对椎动脉流量的影响[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(15): 2373-2377.

Feng Min-shan, Yin Xun-lu, Zhu Li-guo, Zhang Fa-yao, Liu Guang-wei, Zhan Jia-wen, Yin He, Gao Chun-yu, Li Jian . Construction of fresh cervical vertebral artery determination model: influence of variant positions on vertebral artery flow

[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(15): 2373-2377.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 离体颈椎模型建立及椎动脉流量测量实验。

1.2 材料 6具标本来自北京解剖协会，年龄(53.0±12.5)岁；男4例，女2例；基础疾病不详。

主要实验设备：膜盒压力表(富阳市宏盛仪表厂，浙制01830145)；流量定量控制仪(中江节能电子有限公司，ZJ-LCD-M)；多方向力学加载装置(中医正骨技术北京市重点实验室)；14台数字动作捕捉镜头(型号Prime13，美国Optitrack公司生产，象素值为130万，精度0.01 mm)围绕于场地周边组成数字动作捕捉系统；Motive body分析软件(美国Optitrack公司开发)用于动作捕捉数据的分析。

1.3 方法

1.3.1 标本处理取新鲜人尸体标本6具，置于自然位，防止过伸、屈位，尤其避免旋转；标本以双层保鲜膜包裹密封，置于-20 ℃低温冰箱保鲜、保湿待用。在该温度下，保存人体新鲜标本3个月内，骨与软组织的生物力学特性无明显改变。实验前1 d取出标本置于冰箱的冷藏层内过夜，标本自然解冻。

1.3.2 模型制作截取颅底至T₁椎体段，修整标本，保留颅底至C₇椎体及其附属韧带及其表层肌肉。解剖出颅内椎基底动脉，于汇合前剪断，形成2处椎动脉颅内段开口，于颈椎下端前外侧找到椎动脉断端，分别用头皮针软管连接上述血管断端，丝线固定，注入生理盐水，证实其通畅性；然后将头皮针软管及椎动脉套入粗软管内，并将周围肌肉组织与粗软管口缝合，保护椎动脉。

将标本上端的颅底和下端的T₁椎体，分别置入塑形容器，用聚甲基丙烯酸甲酯(牙托粉)包埋，仅露出颈段结构(C₁-C₆)及上下端椎动脉血管。固定后再次注射生理盐水证实椎动脉通畅。

1.3.3 实验步骤

(1)建立模拟椎动脉流速系统：①将制备好的颈椎标本置于多方向力学加载试验台上，台钳水平固定颈椎下端模块，将连接椎体外段椎动脉(入口端)软管通过输液器连接生理盐水容器、膜盒压力表、流量定量控制仪；②将方向控制装置及3 kg砝码固定于颅骨端模块上，颅内端椎动脉(出口端)软管置入量筒内(图1)。量筒内预盛生理盐水，并在液面上安放一个Marker点；③控制压力表输出压力读数为10 kPa，模拟人体椎动脉生理压力值^[6]。随着通过椎动脉的流量增加，量筒内Marker点水位上移，通过运动捕捉技术动态测量量筒内Marker点水位上移的速度，即可计算出椎动脉流量。

(2)测量不同体位下椎动脉流量：通过多方向力学加载装置采用1 N•m力矩模拟颈椎自然(直立)体位、同侧旋转体位、对侧旋转体位、同侧旋转复合前屈体位、对侧旋转复合前屈体位、同侧旋转复合后伸体位及对侧旋转复合后伸体位等7个体位，测量椎动脉流量(图2)。

1.4 主要观察指标 ①构建人颈椎标本椎动脉流量测定模型，通过调节压力泵模拟人体椎动脉压力；②采用数字动作捕捉系统动态测量容量瓶内生理盐水液面高度的变化，在旋转相关体位下测定椎动脉流量。

1.5 统计学分析 采用SPSS 21.0统计软件进行数据统计分析。通过单因素方差分析及组间比较方法分析各组间椎动脉流量的差异。

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

讨论

椎动脉的流量和结构改变是导致颈性眩晕病的重要病理基础，而颈椎生物力学模型是研究该病的重要方法之一。根据生物力学模型的用途可将其分为体外模型、体内模型、物理模型和计算机模型等。体内模型又分为动物模型和人体模型，而动物模型所研究的对象多为爬行类动物，其结构、功能等均与人不同。刘静等^[6]通过对2例颈椎动脉患者在正常体位下，即保证研究对象没有向前或向后发生椎动脉过度拉伸或弯曲的情况下，采集临床CT血管成像图像，应用三维重构方法构建体外人体真实椎动脉，并应用计算流体力学方法进行血流动力学数值模拟，比较不同研究对象椎动脉的血流动力学参数，分析椎动脉狭窄与血流动力学的关系。然而，人体活体模型容易被受试者的主观意识和中枢神经系统所影响，无法准确模拟颈椎生理和病理过程，从而影响了测试数据的准确性。物理学模型是由人工合成材料模拟的脊柱标本，其与离体标本相比，不具有人体的解剖学和生物学特性。计算机模拟实验可在持续性研究中重复及改变任何质量与性质变化，同时提供了局部以及内部的机制反应，这些结果都是其他实验技术无法获得的。王辉昊等^[7]基于1名正常女性颈椎(C₀-T₁)及双侧椎动脉三维有限元模型，模拟颈椎前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转，观察颈椎活动对VA血管壁应力的影响，并通过流固耦合计算血管壁与流体相互作用，获取血流动力学参数。虽然在理论上有限元法适用于任何复杂结构，但其研究的最终目的是为临床提供生物力学基础和理论依据，因此，该模型的计算结果还需与体内外实验进行比较并结合使用，必要时结合动物实验和临床观察来进行分析^[8]。

新鲜尸体标本有良好的人体代表性。活体颈椎交感神经刺激可导致椎动脉的痉挛收缩，而新鲜尸体标本可排除活体心理、痛阈、依从性及交感神经等因素的影响，故能客观地反映出颈椎体位对血流量的影响。刘兵等^[9]使用选取2具成年新鲜尸体标本，结扎两侧椎动脉起始部，摘除大脑、小脑，在延髓脑桥沟处切断脑干，双侧椎动脉颅内段置引流管(采用硅胶脑室引流管)2支，丝线结扎固定。尸体平卧位，在两侧椎动脉起始部分别置入8号输液器针头。在相同压力、相同输液速度下输入生理盐水，模拟旋转手法，观察不同角度、不同弯曲度时双侧椎动脉内液体流速的改变。刘奎^[10]取出完整颈椎骨骼标本，用相应材料还原成近似人颈椎直颈位和前曲10°位、30°位的颈椎模型，用粗细合适新鲜猪肱动脉当模拟颈椎椎动脉，在120 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)压力和相同输液速度下输液管内输入生理盐水，对颈椎进行有限旋转，测得相应椎动脉管内滴度。上述实验虽然均进行了离体颈椎标本的椎动脉流速测量，但仍未较好地模拟颈椎椎动脉的生理状态及功能。此次实验采用颈椎标本原有椎动脉作为实验对象，并按照生理状态模拟血压和血液流动方向进行条件加载，较好地还原出颈椎椎动脉的生理状态及功能。此外，此实验首次采用动态捕捉技术对椎动脉流量进行测定，从而更加真实的测定血液在人体椎动脉内的流量变化情况。

颈椎活动度受多种因素的影响，其活动范围一般为前屈40°-60°，后伸50°-80°，左右侧弯30°-55°，左右旋转45°-70°^[11]。使用运动加载实验台可以在生理活动范围内达到并保持颈椎的极限体位，从而避免了椎动脉、颈椎间盘和韧带等结构的损伤。Piper等^[12]通过尸体标本内的椎动脉植入压晶体管测量头颈在不同位置的瞬间椎动脉张力变化，证实椎动脉受到最大张力发生在头颈部运动过程中，而不是最后的临界体位。但最大椎动脉张力与椎动脉流速是否有线性关系，晶体管的植入位置是否会对测量结果产生影响，仍有待于进一步研究。

此模型实现了在3 kg生理载荷下^[13]，针对颈椎旋转相关杂体位下的椎动脉流量的测量。实验中采用动态捕捉系统对量杯内液面高度进行动态实时测量的方法计算椎动脉的实时流量，具有灵敏度好、精度高、易操作的优点。通常情况下，人正常椎动脉的流量是102-301 mL/min，由于在收缩期及舒张期血流量是动态变化的。周兢等^[14]应用多普勒彩色超声技术研究发现，脑后循环缺血的患者椎动脉流量多低于200 mL/min，而非后循环缺血的患者椎动脉流量多高于 200 mL/min，此研究选择200 mL/min为椎动脉近心端提供恒定的流量，压力计监测控制，确保入椎动脉压力和流量的条件恒定，在稳定的临界体位下测量，更具有可控性。

颈部旋转类手法操作过程中，也会引起椎动脉流量的相应变化。尽管临床观察及基础研究都已证实规范的旋提手法操作安全性很高^[15-20]，但是初学者的颈椎旋转手法操作，尤其是不规范的旋转手法操作会存在一定的风险。文献报道，不当的颈椎旋转手法可以引起恶心、呕吐、头晕、寰枢椎脱位、脑卒中等^[21-25]。颈性眩晕多发生于颈部旋转相关体位，诱发眩晕的转颈试验^[26]，以及在治疗颈性眩晕的临床疗效确切的中医正骨手法也都有旋转加载动作，据统计超过30%的颈部推拿使用旋转手法^[27]。因此，研究各旋转体位对椎动脉的流速和结构改变对颈部悬转手法的推广和应用具有极其重要的意义。

Machaly等^[28]通过多普勒测量颈部正位和旋转60°时的流速发现，颈椎退变组和眩晕组患者头部旋转时，对侧椎动脉血流速度下降更加明显，甚至导致眩晕发作。而Quesnele等^[29]通过对10个健康男性头部包括旋转在内的4个条件下椎动脉流量和流速的测量，发现对于健康人头部的位置或颈椎手法按摩时椎动脉血流没有差异。由于人体神经体液因素的调节，生活习惯及依从性的限制，并不能更客观的反应体位单一因素对椎动脉结构进而对流速的影响，并且体位相对有限。因此，在此次实验过程中，采用6个旋转相关极限体位，这对于颈性眩晕的发生、旋颈试验和多种颈椎手法的研究更加具有针对性。

此次测量结果显示，与自然位相比较，对侧旋转复合前屈体位、同侧旋转复合后伸体位、对侧旋转复合后伸体位均会引起椎动脉流量减少；对侧旋转复合前屈体位及对侧旋转复合后伸体位的椎动脉流量明显小于自然位、同侧旋转体位及同侧旋转复合前屈体位的椎动脉流量。该结果提示不同的旋转体位对椎动脉流速有影响，特别是后伸旋转运动可引起双侧椎动脉流量减少。Thomas等^[30]通过20例受试者在中立位、左旋、右旋等3个体位磁共振下对椎动脉及颈内动脉测测量，发现与中立位相比，对侧旋转极限体位会导致颈内动脉和椎动脉血流速的明显下降，这与此次实验获得的结果一致。

新鲜尸体标本椎动脉流量测定模型虽然不能全面反映出活体时椎动脉的真实情况和动态表现，但其排除了心理、痛阈、依从性及交感神经等因素对椎动脉流量的影响，故能客观的反映体位因素的作用。此外，该研究存在成本较高、样本量较小等不足，使其应用推广受到一定影响。

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