2.1   中立位和定位牵引前后颈椎间孔纵径与面积分析   

中立位和定位牵引颈椎间孔纵径的动态变化：相较于中立位牵引，定位牵引在牵引前下颈椎的纵径都有明显增大，其中左侧比右侧增大的更明显，并且C4/5、C6/7颈椎间孔纵径比C5/6增大的更明显；两种牵引前后的颈椎间孔纵径差值C4/5、C5/6相差不大，C6/7颈椎间孔纵径差值中立位牵引变化更大，见表2，3。

中立位和定位牵引颈椎间孔面积的动态变化：相较于中立位牵引，定位牵引在牵引前下颈椎的颈椎间孔面积明显增大，其中左侧比右侧增大的更明显，并且C4/5、C6/7颈椎间孔面积比C5/6增大的更明显；两种牵引前后的面积差值C4/5、C5/6相差不大，C6/7颈椎间孔面积差值中立位牵引变化更大，见表4，5。



2.2   不同扳动力作旋提手法用下颈椎间孔纵径与面积分析   在定位条件下，使用50，150，250 N不同大小扳动力的旋提手法作用于标本，记录颈椎间孔纵径和颈椎间孔面积的动态变化。

不同扳动力下颈椎间孔纵径动态变化：由数据可知，手法扳动前颈椎间孔纵径差距不大，在不同的载荷作用下，50-150 N中颈椎间孔纵径差值变化较大，手法作用随着扳动力的增大作用明显增大，扳动力超过150 N之后，颈椎间孔纵径差值无明显变化，继续增加扳动力手法效果无明显变化，见表6-8。

不同扳动力下颈椎间孔面积动态变化：由数据可知，手法扳动前颈椎间孔面积差距不大，在不同的载荷作用下，C4/5的颈椎间孔面积差值随着扳动力的增大而增大，C5/6、C6/7的颈椎间孔面积差值随着扳动力的增加无明显变化，反而见有部分减少，见表9-11。

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旋提手法是治疗神经根型颈椎病的有效手段[1-2]，该手法具有降低颈椎髓核内压力、减轻患者痛苦的作用。已有研究从旋提手法的临床效果、安全性和影像学特征进行分析，这些研究手段多是对比患者治疗前后的特征。三维立体地观察手法作用时颈椎结构的变化进而对其机制研究是必要的。颈椎间孔狭窄在神经根型颈椎病的发病机制中具有重要意义[3-5]，因此分析旋提手法作用下颈椎间孔的结构变化有助于对该手法进行机制探讨。由于解剖结构的复杂性[6]，颈椎间孔的动态测量具有较大的难度，而研究高速度低振幅的旋提手法作用下颈椎间孔的空间结构变化技术难度更大。目前尚未见针对颈椎旋转手法前后的颈椎间孔变化的文献报道。此次研究拟借助虚拟现实互动技术实现动态的颈椎间孔测量[7-8]，从而对旋提手法作用下颈椎间孔结构变化进行测量分析，探讨该手法可能的作用机制。
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

1.1   设计   单一样本观察。
1.2   时间及地点   实验于2014年10月至2015年3月在南方医科大学解剖教研室完成。
1.3   材料   实验材料为1具颈椎尸体标本(C0-T1)，来自于广东南方医科大学解剖实验室。修整颈椎标本时尽可能剔除皮肤肌肉，保留颈椎诸韧带及小关节的完整。采用聚甲基丙烯酸甲酯(牙托粉)包埋，仅露出颈段(C1-C7)。将直径为1 mm的螺钉拧入C4-C7椎体内，每个椎体拧入3个，4个椎体共计12个，位置分别为各椎体前缘中点及双侧横突后结节处，见图1。实验方案经中国中医科学院中医基础理论研究所动物实验伦理委员会批准，批准号为#WJEC-KT-2012-005-P002。 

MTS生物力学材料实验机：型号MTS858.02，America. Minnesota. Company生产。

运动捕捉系统：由6台数字动作捕捉镜头(型号Hawk，Motion Analysis 公司制作，像素值为500万，最高采集频率为500帧/s，精度为0.01 mm)围绕于场地周边组成。

Cortex分析软件：Motion Analysis 公司开发，用于动作捕捉数据的分析和三维图像重建。

螺旋CT：型号Philips/Brilliance 6，飞利浦公司生产。

Mimics 10.01软件：比利时Materialise公司设计。

Autodesk Maya 2009版软件：美国Autodesk公司设计。
1.4   实验方法   
1.4.1   模拟牵引和旋提手法   采用MTS生物力学材料实验机模拟牵引和旋提手法，同时采用运动捕捉技术测量模拟过程中下颈椎体的三维运动，见图2，3。

中立位牵引是在颈椎无旋转的情况下进行牵引加载，定位牵引是模拟旋提手法旋转70°、前屈10°的定位角度下进行牵引。模拟手法不同扳动力加载时，先给予150 N缓慢上牵持续5 s，模拟预牵引过程，然后给予设定的加载力在0.11 s内快速向上扳动，加载数据见表1。 

1.4.2   对颈椎标本进行CT薄层扫描   采用螺旋CT对C1-C7沿横断面连续扫描，扫描条件：选择骨组织窗，电压120 kV，像素大小0.264 mm，层距0.4 mm，共412层，扫描数据以Dicom 格式直接存入光盘备用。
1.4.3   应用Mimics 10.01软件进行颈椎三维实体建模   Mimics软件直接读取Dicom格式的螺旋CT断层图像。采用阈值选取功能，界定阈值在226-436 CT值单位，定位图像后自动显示骨组织窗图像，见图4。接着采用选择性编辑功能将骨组织窗图像进行除噪及补洞处理，去除冗余数据，同时确认及标记每个椎体的螺钉位置，见图5。然后，采用三维区域增长功能及三维计算功能，将已修正的骨组织窗图像进行三维成像，见图6，从而建立下颈椎几何模型以及植入螺钉与模型的空间关系。

1.4.4   运动捕捉数据与三维模型的配准   采用excel打开运动捕捉数据，选定某一虚拟marker点的三维运动数据(X轴，Y轴，Z轴)另存为后缀为.txt文件。接着打开Autodesk maya软件，在软件程序中运行附带脚本，将后缀为.txt文件导入Autodesk maya程序并创建一个骨骼点。该骨骼点的动作就是运动捕捉数据中所选定虚拟marker点的三维运动过程。其他骨骼点的创建方法同上。当12个虚拟marker点均创建到同一文件中，运动捕捉数据就完成了数据导入，并转化为Autodesk maya的可执行文件，见图7。然后，将Mimics建立的下颈椎三维模型(binary STL格式文件)导入该程序中。将下颈椎三维模型的螺钉位置与运动捕捉数据的虚拟marker点进行三维配准及绑定，实现颈椎体与三维模型的精确立体定位。最后形成基于真实骨性结构反映旋提手法操作过程的下颈椎运动数据，见图8，并保存为后缀名.mb的maya文件。

1.4.5   颈椎间孔的测量   椎间孔的测量通常包括椎间孔纵径、横径及面积，旋提手法主要是垂直方向的提扳，对椎间孔纵径和面积影响较大，因此主要测量颈椎间孔纵径和颈椎间孔面积。采用Autodesk maya软件打开已配准的具有真实骨性结构的下颈椎运动数据，将部分颈椎体及横突进行切割舍弃，达到可直观双侧颈椎间孔的目的，见图9A。对颈椎三维模型的运动数据进行动态分析，然后在同一视角下将直视下的椎间孔图像进行截图，先后导入Photoshop软件及ImageJ软件进行测量。

颈椎间孔纵径测量方法：打开ImageJ软件，导入图像，采用软件中直线测量工具测量椎间孔的纵径。颈椎间孔纵径的测量方法为上下椎弓根缘中点的连线，见图9B。

颈椎间孔面积测量方法：打开Photoshop软件，导入图像，采用磁性套索功能对椎间孔周缘进行描边，随后将描边内图像另存为新图层，然后采用魔棒功能选定新图层，通过直方图获取椎间孔图像的像素；该像素值即为颈椎间孔面积，最后根据比例将像素值换算为实际大小，见图9C。

1.5   主要观察指标   不同牵引状态下，牵引前后，左右两侧C4/5、C5/6、C6/7颈椎间孔纵径及颈椎间孔面积。

3.1   颈椎间孔测量的难点及研究概况   颈椎间孔狭窄在神经根型颈椎病的发病机制中具有重要意义[9-11]，颈椎间孔的测量随之成为研究的热点。颈椎间孔是相邻的椎弓间切迹构成的骨性管道，是一个三维结构，呈漏斗型[12]，由于解剖结构的复杂性，颈椎间孔的准确测量具有一定的难度。目前有关颈椎间孔测量的报道多属于静态测量，主要方法包括游标卡尺直接测量法、探针法、模型法、影像学测量等[13-14]。采用游标卡尺或探针法在尸体标本上进行实体测量，测量手段比较粗糙，多为线性测量高度，精度较差，文献报道的结果相差较大。双斜位X射线摄片是临床上用于评估颈椎间孔是否狭窄及狭窄程度最常用的手段，但颈椎间孔的显示受投照角度的影响较大[15-17]。MRI检查可以很好地显示椎间孔周围软组织和神经根的情况，但对骨结构的显示不敏感，可能会高估椎间孔的面积[18-20]。CT检查可以很好地显示椎间孔的大小以及判断骨性狭窄的原因，采用三维CT重建技术可以通过切割方法，多角度展现椎间孔的形状及其与相邻结构的解剖关系，能较容易地断定病变的程度和范围，提供更丰富的信息[21]。但上述方法均不能实现动态的颈椎间孔测量。近年，杨睿等[22]提出了椎间孔多平面动态测量法，即采用激光扫描三维重建、三维配准及模拟退变的方法实现颈椎间孔三维空间的动态分析，但该实验未能实现基于椎间孔真实运动过程的动态测量和分析。回顾文献发现，目前国内尚未见针对旋转手法前后颈椎间孔变化的文献报道。
3.2   虚拟现实互动技术的的原理及其对于颈椎间孔测量的优势   为了实现颈椎旋提手法前后颈椎间孔变化的动态测量和分析，此次项目采用了虚拟现实互动技术进行研究。虚拟现实技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效模拟人在自然环境中各种感知系统行为的高级人机交互技术[23-24]。简单的说，虚拟现实就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统[25]。虚拟现实技术有3个基本特征，即想象、交互和沉浸。虚拟现实已经被人们公认为是21世纪重要发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。在医学上，虚拟现实技术主要用于虚拟人体(解剖)、虚拟实验室和虚拟手术等[26-28]，但尚未见采用该方法进行中医手法的研究。

根据虚拟现实技术的理论，通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果可以进行颈椎间孔的测量和分析。但要实现在旋转手法作用前后颈椎间孔的动态测量需要解决3个主要难点：第一，需要真实记录手法操作过程颈椎间孔的变化；第二，颈椎模型的三维重建；第三，虚拟与现实的三维配准。为了突破上述难点，此次研究分别采用了运动捕捉技术、Mimics三维重建技术及多模医学图像配准技术。运动捕捉技术是一项在国际上广泛应用的高新技术，该项技术最大的优点在于实现了动态精确地三维空间运动测量。Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，具有将影像图片转化成三维实体的功能。Mimics能输入CT扫描的数据，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的计算机辅助设计、有限元分析，快速成型格式，实现大规模数据的计算机转换处理[29]。医学图像配准技术是医学图像处理的一个重要分支，就是实现人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。常用的空间几何变换有刚体变换和非刚体变换两类，其中非刚体变换又可分为仿射变换、投影变换和非线性变换3种[30-31]。具体实现方法如下：首先，通过高精度的运动捕捉技术获取旋提手法操作过程颈椎结构(标记于骨性结构的虚拟点)的动态变化；然后，通过颈椎薄层三维CT扫描、Mimics三维重建的方法实现基于真实颈椎三维结构的还原；最后，通过Maya软件对安放于颈椎标本骨性结构的标记点与运动捕捉数据中的虚拟点进行刚体交换，实现断层扫描图像(CT)及时序图像(运动捕捉数据)的配准问题。采用该方法不仅实现了旋提手法操作过程中颈椎间孔结构变化的动态仿真，还可以从不同角度根据不同目的进行空间结构的分析，获取更丰富更全面的实验结果。
3.3   研究的局限性   鉴于研究只测量了1具颈椎标本的数值，因此无法进行统计学分析。上述数据分析是根据数值大小以及数据间趋势进行推测，有待扩大样本量后进一步验证。再者，研究尚未对该实验方法的精度进行评价，也有待进一步探讨。
3.4   实验结果分析及其临床意义   中立位牵引前的下颈椎颈椎间孔纵径在0.449-1.032 cm之间，颈椎间孔面积在0.131-0.502 cm2，且颈椎间孔纵径及面积呈由上向下递减的趋势。观察此次研究中下颈椎标本的三维立体图像可见，下颈椎间孔以近似椭圆型为主，左侧C5/6颈椎间孔面积最小，呈细长型，原因在于颈椎退变、椎体缘及钩椎关节周缘骨赘增生造成椎间孔的骨性狭窄。此次研究所获得的椎间孔数据与既往文献报道较为一致[32]，提示此次研究方法用于测量颈椎间孔是可行的。

根据左侧C5/6椎间孔结构变化可见，在同一外力作用下颈椎间孔的纵径与面积变化并不一致，纵径的增加并不一定伴随面积的增加。颈椎间孔面积的变化受到颈椎间孔纵径、横径以及运动方向等多因素的影响，因此，单纯分析椎间孔的纵径变化不能充分解释椎间孔结构变化的临床意义。

分析模拟150 N扳动力的旋提手法操作前后下颈椎间孔结构的变化可以发现，旋提手法操作后双侧椎间孔的纵径及面积均有一定程度的增加，其中对侧椎间孔的面积变化要大于同侧椎间孔，提示旋提手法对颈椎间孔结构有一定的影响，尤其对于对侧椎间孔的影响较大，可能有助于松解粘连的神经根，从而缓解神经根性刺激症状。模拟50 N扳动力旋提手法操作前后下颈椎间孔的纵径及面积变化均小于模拟150 N及模拟250 N扳动力旋提手法的数据，提示扳动力越小对于下颈椎间孔的影响也越小。但是比较模拟150 N扳动力旋提手法与模拟250 N扳动力旋提手法操作前后下颈椎间孔结构变化，并未发现“扳动力越大对下颈椎间孔的影响越大”的趋势，可能与软组织刚度随作用力增大而急剧增高有关。分析模拟150 N扳动力的旋提手法前后下颈颈椎间孔纵径数值变化时发现，C6/7的变化最小，提示C6/7节段受到模拟150 N扳动力旋提手法的力学影响小于C4/5及C5/6节段，说明模拟150 N扳动力的旋提手法的作用力主要集中于C4/5及C5/6节段。
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文题释义：
旋提手法：是一种定位牵引的颈椎治疗手法，患者在治疗前经过适度的颈部放松，在医生的指导下自主完成极限位的旋转-屈曲-再旋转，使颈椎处于关节绞索状态，医生使用手臂固定患者头部，依靠自身力量迅速完成预牵引、提扳等动作，以达到颈椎治疗的目的。
运动捕捉：是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的技术，其工作原理是在运动物体的关键部位设置跟踪器(Marker点)，经计算机处理得到三维运动数据，具有精度高、可实现动态三维运动分析的特点，被广泛应用于虚拟现实、人体工程学、模拟训练、生物力学、运动学等研究方面。

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旋提手法是治疗神经根型颈椎病的有效手段，该手法具有降低颈椎髓核内压力、减轻患者痛苦的作用。已有研究多从其临床效果、安全性和影像学特征进行分析，这些研究手段多是对比患者治疗前后的特征，三维立体的观察手法作用时颈椎结构的变化进而对其机制研究是必要的。颈椎间孔狭窄在神经根型颈椎病的发病机理中具有重要意义。因此，分析旋提手法作用下颈椎间孔的结构变化有助于对该手法进行机制探讨。由于解剖结构的复杂性，颈椎间孔的动态测量具有较大的难度。而研究高速度低振幅的旋提手法作用下颈椎间孔的空间结构变化技术难度更大。目前尚未见针对颈椎旋转手法前后的颈椎间孔变化的文献报道。此次研究拟借助虚拟现实互动技术实现动态的颈椎间孔测量，从而对旋提手法作用下颈椎间孔结构变化进行测量分析，探讨该手法可能的作用机制。

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

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