劉治華，湯清，陶德崗，張新民，楊孟儉

(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

1 引 言

由于手機和電腦的普及，頸椎病已經(jīng)不是老年人的“專利”，大學(xué)生和白領(lǐng)等人群患頸椎病的人數(shù)正在逐年上升。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)目前部分高校大學(xué)生出現(xiàn)頸椎病癥率高達79.4%[2]。頸椎牽引是目前頸椎病預(yù)防及前期治療最普遍的方法。目前市場上最常見的有瓏抬頭、四頭帶懸吊式等(應(yīng)用頜枕牽引帶)設(shè)備，這些設(shè)備都采用直線式牽引方式。這種直線式牽引方式與維持頸椎的生理弧度的治療目標相違背[3],而且使頸椎后方的軟組織伸展量過大[4]。在牽引力增大時，會進一步破壞頸椎生理弧度，加劇了頸椎及周圍的軟組織的協(xié)調(diào)失恒，使炎性反應(yīng)加劇。而且頜枕帶對下頜關(guān)節(jié)及耳周頸部的擠壓，也會造成患者不適(據(jù)相關(guān)文獻[5]報道，持續(xù)的頜枕帶式牽引，患者會出現(xiàn)臉龐、下頜、耳郭局部疼痛、張口困難，有時還會出現(xiàn)頭暈、惡心、肢體麻木等不適)。

本研究為一種電動頸椎牽引設(shè)備的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。該牽引設(shè)備采用顱枕環(huán)固定頭部，顱枕環(huán)從前額環(huán)繞至枕骨，連接雙側(cè)枕外隆凸、頂骨隆凸、乳突，以顱骨生理弧度凸凹處為受力的支點，并在前額用軟織物連鎖固定。該設(shè)備驅(qū)使頭顱隨著顱枕環(huán)完成各方位活動，故本研究所建模型為顱骨和全頸椎模型。研究過程當中，運用有限元方法對頸椎有限元模型進行受力分析。得到旋轉(zhuǎn)牽引時，在相同牽引力作用下，不同的旋轉(zhuǎn)角度對椎間盤的影響，以及旋轉(zhuǎn)牽引時頸椎間盤軸向變形的規(guī)律，從而為電動頸椎牽引設(shè)備的開發(fā)提供依據(jù)，并為針對性治療提供指導(dǎo)。

2 材料和方法

2.1 樣本來源

征集一名健康無頸椎病史的成年男性志愿者，其具體信息如下：年齡35歲，漢族，身高180 cm，體重70 kg。利用64層螺旋CT掃描機連續(xù)掃描該志愿者的頸椎，共獲得342幅二維斷層CT圖像，掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式直接保存。

2.2 試驗設(shè)備

計算機硬件：i7處理器，16 G內(nèi)存，NVIDIA Quadro k2000顯卡， Windows 7操作系統(tǒng)。計算機軟件：醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 17.0，Geomagic Studio 13.0，CAE應(yīng)用軟件Hypermesh 13.0，有限元軟件 ANSYS Workbench 15.0。

2.3 顱骨及全頸椎C1～7三維有限元模型建立及驗證

2.3.1顱骨及全頸椎C1～7三維有限元模型建立 用Mimics 17.0讀取DICOM格式的頸椎CT圖片數(shù)據(jù)，閾值界選226～3071 Hu拾取邊界。應(yīng)用軟件的處理功能，將各節(jié)段椎骨連接部分手動分離并進行空洞填補，計算生成顱骨及全頸椎3D模型并優(yōu)化，以.stl格式數(shù)據(jù)保存。將模型導(dǎo)入到Geomagic 13.0，利用搭橋的方法在兩段椎骨間逆向生成頸椎間盤[6]。并將模型轉(zhuǎn)化為NURBS曲面模型。通過上述步驟將椎骨和椎間盤模型實體化，并轉(zhuǎn)化成CAD模型，以.iges格式保存。用Hypermesh軟件打開上述模型，進行模型導(dǎo)入和幾何清理。檢查各個椎骨和椎間盤的封閉性并消除自由邊，然后進行網(wǎng)格劃分，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。皮質(zhì)骨建立為SHELL181殼單元，松質(zhì)骨建立為SOLID185單元。利用Hypermesh軟件建立1D單元(link180單元)來模擬韌帶，并附上單元屬性讓此單元只承受拉力不承受壓力和剪切力的特性。在Hypermesh中對建立的模型賦予單元類型和材料屬性[7-9]，見表1。將所建模型以.cdb格式保存。在ANSYS經(jīng)典版中打開模型，進行重寫并輸出；最后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbnech 15.0中，約束C7～T1椎間盤下表面的6個自由度作為邊界條件。本模型共653455個節(jié)點，3034964個單元。模型見圖1，所建C2～3 、C3～4、C4～5、C5～6和C6～7椎間盤厚度分別為9.75、9.38、10.68、8.33和8.74 mm。

2.3.2顱骨及全頸椎有限元模型的有效性驗證 為了確保仿真模擬過程中，椎間盤與椎骨、韌帶和椎骨之間始終保持穩(wěn)定連接，防止模型在仿真過程中產(chǎn)生導(dǎo)致仿真計算失效的相對位移，故將椎骨與韌帶、椎骨與椎間盤之間的接觸類型均定義為綁定接觸[6，10]。在顱骨上表面逐步施加1.5 N·m的扭矩，分別模擬人體頸椎的6種基本運動。根據(jù)參考文獻[11]的方法測算仿真模型的各功能節(jié)段的相對活動度(range of motion,ROM)。在相同的條件下，將測算結(jié)果與已發(fā)表文獻的數(shù)據(jù)進行比對驗證。

表1各模型的單元類型和材料屬性

Table 1 Unit type and material attribute of each model

圖1 顱骨及全頸椎三維有限元模型

Fig1Thethree-dimensionalfiniteelementmodeloftheentirecervicalspinewithskull

2.3.3旋轉(zhuǎn)牽引仿真研究 本研究主要針對一種新型的坐式電動頸椎旋轉(zhuǎn)牽引裝置進行研究，旋轉(zhuǎn)牽引前，先按摩一段時間使頸椎周圍的組織放松，然后再進行旋轉(zhuǎn)牽引治療。劉艷娜等[12-13]提到，在臨床治療中，坐式動態(tài)角度頸椎牽引可以提高患者的治療效果，能夠有效縮短頸椎病患者恢復(fù)正常的時間以及接受治療總時間。本研究選取旋轉(zhuǎn)牽引的前后左右四個特殊的方向，代表一周。在牽引角度范圍的確定上，頸椎外科學(xué)[14]中提到，健康人頸椎的活動范圍為前傾、后伸各為35～45°，左屈右屈各為45°，左右軸向旋轉(zhuǎn)各為60～80°。高楚榮等人[15]的研究得出結(jié)論，前傾角度超過30°頸椎牽引時，作用在沿頸椎方向的力減少，垂直于頸椎方向的力增加，頸椎的平衡難以保持；前傾的情況下，在15～20°牽引時，頸椎運動的軸心方向與牽引力方向一致，此時擁有最佳的治療效果。故選定牽引角度范圍如下：前傾0～20°(規(guī)定角度為正)，后伸0～20°(規(guī)定角度為負)，左右側(cè)屈0～40°(規(guī)定左屈角度為負，右屈角度為正)。因左右數(shù)據(jù)較多，故左屈仿真用奇數(shù)角度，右屈用偶數(shù)角度。在牽引力大小確定上，姜瑛等人[16]認為，牽引力大小為患者體重的15%～20%時，牽引效果最好。本研究志愿者的體重為70 kg，因此對該模型的顱骨頂部平面施加100 N的牽引力[5]。固定C7～T1椎間盤下表面，通過改變牽引角度及方位，進行仿真求解。

3 結(jié)果

3.1 顱骨及全頸椎有限元模型的有效性驗證

本研究得到的C0～1、C1～2、C2～3、C3～4、C4～5、C5～6和C6～7的運動范圍ROM與文獻[17-19]比較結(jié)果見表2～4。

表2屈伸下本模型ROM與已發(fā)表文獻數(shù)據(jù)比較

Table2ComparisonofROMbetweenthisstudymodelandthepublishedliteratureunderforwardandbackwardextension

第一作者C0～1C1～2C2～3C3～4C4～5C5～6C6～7panjiabi27.4±7.124.4±8.56.2±2.37.7±5.010.1±4.99.9±5.47.1±4.0Ng5.97.37.47.25.7王輝昊19.923.81114.812.98.86.2本研究27.422.96.88.39.88.58.1

表3側(cè)曲下本模型ROM與已發(fā)表文獻數(shù)據(jù)比較

Table3ComparisonofROMbetweenthisstudymodelandthepublishedliteratureundersidebending

第一作者C0～1C1～2C2～3C3～4C4～5C5～6C6～7panjiabi9.1±1.56.5±2.39.6±1.89.0±1.99.3±1.76.5±1.55.4±1.5Ng3.143.73.42.1王輝昊6.2715.614.811.610.67.7本研究8.67.77.57.38.16.45.7

表4軸向旋轉(zhuǎn)下本模型ROM與已發(fā)表文獻數(shù)據(jù)比較

Table4ComparisonofROMbetweenthisstudymodelandthepublishedliteratureunderaxialrotation

第一作者C0～1C1～2C2～3C3～4C4～5C5～6C6～7panjiabi9.9±3.056.7±4.83.3±0.85.1±1.26.8±1.35.0±1.02.9±0.8Ng56.16.66.74.9王輝昊19.929.811.813.68.89.57.8本研究14.133.43.44.95.94.23.5

由表2和3可見，本研究的模型與參考文獻中的活動度ROM角度在屈伸和側(cè)屈時無明顯差異，C7～T1未比較。

由表4可見，本研究的模型在軸向旋轉(zhuǎn)時，C0～2的ROM角度略有差異，C2～3、C3～4、C4～5、C5～6和C6～7無明顯差異，C7～T1未比較。故該模型可進行旋轉(zhuǎn)牽引的仿真。

3.2 旋轉(zhuǎn)牽引仿真研究

3.2.1旋轉(zhuǎn)牽引過程中各頸椎間盤軸向(Z)變形的變化 不同方位不同角度下各節(jié)段頸椎間盤Z方向上的軸向變形變化見圖2。從圖中可以看出，其他條件不變的情況下，隨著頸椎牽引角度增大，各個節(jié)段的頸椎間盤也隨之發(fā)生了相應(yīng)的變化。前傾情況下頸椎間盤Z方向的軸向變形逐漸變小，當牽引角度大于18°時，牽引的變形量會很小，故牽引角度可以控制在20°以內(nèi)即可。后伸和左右屈曲，隨著牽引角度的絕對值增大，各個頸椎間盤的軸向變形也會跟著逐漸增大。

圖2各椎間盤軸向變形(Z)

(a).前傾；(b).后伸；(c).左屈；(d).右屈

Fig2Axialdeformationofintervertebraldiscs(Z)

(a) .Bendingforward；(b).Bendingbackward；(c).Bendingleft；(d).Bendingright

表5各方位各頸椎間盤的變形幅度

Table5Thedeformationamplitudeoftheintervertebraldiscinalldirections

C2～3(%)C3～4(%)C4～5(%)C5～6(%)C6～7(%)中立0°27.725.52023.620前傾20°6.25.95.36.66.5左屈20°58.351.736.839.433.140°130112.878.87859.6后伸20°77.368.45167.341.8右屈20°54.850.239.344.134.740°125111.183.38662.5

從圖2和表5中可知，后伸和左右屈曲時，變形量過大，故實際牽引角度不宜太大，同時為避免變形量過大，當牽引角度增大到一定數(shù)值時，應(yīng)該適當?shù)臏p小牽引力。前傾時，可以適當?shù)脑龃鬆恳?。同時上頸椎椎間盤的變形幅度比下頸椎椎間盤的變形幅度要大。

頸椎旋轉(zhuǎn)治療，其旋轉(zhuǎn)方位順序依次為前傾、左屈、后伸、右屈和前傾。從表5中可見，在同一牽引角度下完成前傾，左屈，后伸，右屈，再前傾這樣轉(zhuǎn)一周，變形量是由小變大再變小。

3.2.2旋轉(zhuǎn)牽引過程中各頸椎間盤最大應(yīng)變的變化 見圖3和4，頸椎間盤在牽引角不變，牽引力不變，隨著方位前傾，左屈，后伸，右屈，再前傾這樣旋轉(zhuǎn)一周，其最大的應(yīng)變也隨著變化。最大應(yīng)變在旋轉(zhuǎn)的過程中，由小變大再變小這樣一個循環(huán)的過程。

變角度牽引可以使椎間隙和椎間孔增大，使突出的椎間盤回納[20]。在旋轉(zhuǎn)牽引的過程中，其Z軸方向上的軸向變形和最大應(yīng)變由小變大再變小的循環(huán)過程，相當于一個間歇式牽引，一定程度上改變了椎間盤內(nèi)相對壓力的變化。

圖3 C2～3不同方位下的最大應(yīng)變

圖4 C3～4不同方位下的最大應(yīng)變

4 討論

近年來，有限元技術(shù)在現(xiàn)代骨科生物力學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。有限元方法可以通過劃分網(wǎng)格，布置節(jié)點來得到研究人員想要的受力分析方式，對復(fù)雜的人體骨骼分析可以做到人性化和高效化，目前在脊柱生物力學(xué)研究中日益受到重視。本研究根據(jù)正常人體的頸椎CT掃描數(shù)據(jù)建立了有效的三維有限元模型，該模型包括顱骨模型，把牽引力加載在顱骨上更加貼近實際牽引時人體的受力狀況。同時，韌帶組織在生理上的力學(xué)特性為只承受拉力，不承受壓力和剪切力，本模型在Hypermesh軟件中添加了Link180 單元很好的滿足了這一要求。但是該模型也存在著不足之處，如本研究并未建立肌肉、關(guān)節(jié)等組織模型，頸椎材料僅定義為線彈性材料，實際上頸椎周圍組織成分復(fù)雜，為粘彈性材料(非均質(zhì)、各向異性)，故該有限元模型有一定的局限性。由于加載力未在正中位置，左右韌帶未做到完全對稱，所以造成左右的結(jié)果有一定的偏差。低周慢速的旋轉(zhuǎn)牽引治療方法，使得椎間盤Z軸方向上的軸向變形和最大應(yīng)變有一個由小變大再變小這樣一個循環(huán)的過程。這在一定程度上改變了椎間盤內(nèi)壓的變化，為新型頸椎牽引治療系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù)。