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[摘要] 目的 探讨颈椎牵引治疗椎动脉型颈椎病(CSA)的作用机制,为临床防治CSA提供依据。方法 通过对尸体颈段脊柱的数据测量,在计算机上建立完整颈段脊柱的三维有限元模型,并依据颈椎病(CSA)在颈椎生理曲度减小、变直、反曲三种曲度变化情况的侧位X线片建立二维平面有限元模型。模拟人体坐位颈椎牵引时的情况,在模型上进行一定大小、方向牵引力的加载。结果 (1)在头重情况下各颈椎的钩椎关节、椎间关节主要承受纵轴方向的压应力,且应力值从上到下逐渐加大,横突间相互靠拢;(2)在前屈位牵引时,钩椎关节、椎间关节应力值都随牵引力大小、角度的加大而加大,最大应力值随牵引角度的加大逐渐移向下位颈椎;(3)颈椎生理曲度呈减小、变直或反曲改变时,最大应力值随牵引角度的加大由上位颈椎移向下位颈椎的规律。结论 基底动脉在正常情况下左侧和右侧的椎动脉能互相调节血流量,以应付颈椎活动造成的压迫,使血流正常供应给脑组织。
[关键词] 颈椎病;椎基底动脉;生物力学
[中图分类号] R681.55 [文献标识码] A[文章编号] 1673-9701(2009)34-08-02
椎动脉型颈椎病是以椎动脉受压迫或痉挛引起的椎底动脉供血不足为主要症状的一型颈椎病,其发病率仅次于神经根型颈椎病[1]。其发病年龄多在45岁以上,以50～60岁为多见,其症状多表现为眩晕、头痛、恶心呕吐、吞咽困难、猝倒、持物落地等,严重影响患者的生存和生活质量。其发病机制目前还不十分明确,主要有机械压迫学说和颈交感神经受刺激学说。目前颈椎牵引是较为有效的治疗法之一,但其力值、角度、时间现在仍无定论,临床因牵引不当而导致CSA症状无缓解或加重的情况时有发生,因此研究牵引治疗CSA的生物力学原理,提出合理的牵引方式,用以防治CSA很有必要[2]。本文通过对尸体颈椎及X线片的观察测量,建立颈段脊柱三维及二维有限元模型,探讨牵引治疗CSA的作用机制,并提出合理的牵引方式。
1有限元计算的原理
有限元分析方法是现代工程力学中较常用的计算方法,它作为一种生物力学的分析手段已在医学领域中得到了广泛的应用,而被引入骨科生物力学领域则在20世纪70年代。
2实验材料
防腐成人尸体一具、PⅡ计算机一台、清华紫光扫描仪一台、SUPER-SAP93有限元软件一套、千分尺测量仪、量角仪、X线片。
3实验方法
3.1三维有限元模型建立
从尸体上截取完整的颈段脊柱(C1～T1),剔除肌肉、韧带等软组织制成标本,并拍摄颈椎正侧位X线片,以排除病理标本并确保模型曲度符合正常人体,根据其解剖形态建立C1～T1的三维有限元模型,节点坐标用千分尺测量并记录,依据有限元原则,构建三维单元,其坐标轴以额状轴向左为Y轴正方向,以矢状轴向后为X轴正方向,垂直轴向上为Z轴正方向。模型采用8节点6面体单元,共有647个节点,276个单元,每个节点都有沿XYZ三个方向平移和绕三轴旋转的六个自由度[3,4]。
模型的具体单元体及节点的划分方法如下:①节点的安排是按逆时针方向,由下到上排序,上下对应;②每个椎体分上下三层共有16个单元,椎间盘分一层共有8单元,上下小关节划分为3个单元,椎弓根、横突、椎板各划分为1个单元;③边界条件的设定:为了最大可能的减少由于直接加载造成的误差,本模型将T1椎体上端固定在XY平面上;④在计算机上先建立C1～T1左侧的颈段脊柱模型,然后利用软件的对称翻转功能,在右侧建立完全对称的模型,避免了人工输入造成的误差:⑤模型建立后,将各部位的参数输入,模型各材料系数见表1。
3.2二维有限元模型的建立
选取颈椎生理曲度有改变的三位CSA患者(男性,年龄50～55岁,诊断标准按照全国第二届颈椎病专题会议制定)的侧位X线片。由于正常颈段脊柱是以C4～C5的生理前突来支持头部重力,依据Borden测量法来决定曲度的改变,正常颈椎弧的顶点在C4～C5椎体后缘,正常弧的高度为(12±5)mm,>17mm为弧度变大,
