基于有限元结论探析脊柱不良应力与疲劳综合征的相关性.pdf
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1、1273Jul.2023 Vol.35 No.72023 年 7 月第 35 卷第 7 期文章编号:1672-7134(2023)07-0706中图分类号:R246.9文献标识码:BDOI:10.16448/j.cjtcm.2023.0706基于有限元结论探析脊柱不良应力与疲劳综合征的相关性*元永金1,李兴兰2,敬胜伟1,梁翠英1,马万里1,王艳菊1,白雪琴11甘肃省兰州市中医医院甘肃兰州7300002甘肃中医药大学定西校区甘肃定西743000摘要通过分析目前有限元法研究脊柱生物力学的结论,总结常见的脊柱不良应力的类型。并结合中医学理论,解剖学认识,自主神经功能及实验室指标,探讨其与疲劳综合征
2、的中医学病机,相关症状、体征及理化指标的联系。探析脊柱不良应力与疲劳综合征的相关性,以期抛砖引玉,为疲劳综合征的进一步实验研究及临床治疗探索新思路。关键词疲劳综合征;脊柱不良应力;有限元Exploratory Study on the Correlation between Adverse Stress of Spine and Fatigue Syndrome based on the Conclusion of Finite Element MethodYUAN Yongjin1,LI Xinglan2,JING Shengwei1,LIANG Cuiying1,MA Wanli1,WAN
3、G Yanju1,BAI Xueqin11.Lanzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine,Gansu Lanzhou 730000,China2.Gansu University of Chinese Medicine,Gansu Dingxi 743000,ChinaABSTRACTByanalyzingtheconclusionsofthecurrentstudyofspinebiomechanicsbyfiniteelementmethod,thecommontypesofspinaladversestressaresummarized
4、.CombinedwiththetheoryoftraditionalChinesemedicine,ana-tomicalknowledge,autonomicnervousfunctionandlaboratoryindicators,discussitsrelationshipwiththepathogenesisoffatiguesyndromeintraditionalChinesemedicine,relatedsymptoms,signsandphysicalandchemicalindicators.Toexplorethecorrelationbetweenspinaladv
5、ersestressandfatiguesyndrome,inordertoinspirenewideasforfurtherex-perimentalresearchandclinicaltreatmentoffatiguesyndrome.KEYWORDSFatiguesyndrome;Spinaladversestress;Finiteelement灵枢 经脉 载“人始生,先成精,精成而脑髓生,骨为干”五体与藏精气的五脏,同由精气化生,在后天的生长运化过程中,通过经络府俞,阴阳会通。中医学整体观念中首先重视人体自身的完整与统一,强调人体的内外相因,形神相合。疲劳综合征(chronicfa
6、tiguesyndrome,CFS)是一组以6个月以上疲劳为主,复杂症状群,其定义已明确了 CFS 属于功能紊乱综合征的一种。脊柱任何部分的位置性位移、旋转性位移等,均可使人体肌骨系统的生物组织变形或生理性平衡关系失效1。1974 年有限元分析法首次应用于椎间盘的研究中,也标志着有限元分析法正式应用于脊柱疾病研究的领域。笔者拟通过观察近期运用有限元分析法所建几何相似性及力学相似性均经有效性验证的三维模型数据,分析脊柱不良应力和 CFS 之间的相关性。有限元研究结论与脊柱不良应力1脊柱相关有限元模型目前应用于脊柱生物力学的研究中的有限元建模方法,主要是利用运用薄层 CT、高分辨率 MRI 等设备
7、,获取椎体及其附属组织结构的三维坐标数据2,这些数据被分解成为有限个单元集合体。进而根据人体脊柱运动及椎体间相对运动,等特定状态之,得出各部分间的应力、位置、形态及间质的变化,以探查其*基金项目:兰州市卫生健康科技发展项目资助(编号:2021041)通讯作者:敬胜伟(1977-),男,副主任医师。研究方向:主要致力于针刀医学及中医整脊正骨手法的临床研究。E-mail:作者简介:元永金(1989-),男,主治医师。研究方向:主要致力于中医治未病的理论与临床研究。E-mail:1274Jul.2023 Vol.35 No.72023 年 7 月第 35 卷第 7 期生物力学变化,组织损伤过程等结果
8、。2脊柱不良应力的有限元分析脊柱不良应力是脊柱在病理性载荷下,椎体、关节突关节、椎弓板,以及椎间盘、韧带复合体等附属组织结构,因病理性改变而承受的,异常与生理载荷的压缩、牵拉、剪切、扭矩等不良生物力3。据目前有限元研究结论数据,脊柱不良应力的类型可以概括为脊柱形态异常及组织结构的病理改变,导致的脊柱单元集合体在垂直轴的移位,及失状轴、冠状轴、垂直轴的旋转4,进而产生不良和应力。现将近期有限元法研究脊柱生物力学的结论,以脊柱不良应力的原因归类如下。2.1脊柱形态异常的不良应力表现脊柱的形态异常主要表现为椎体侧弯、生理曲度、棘突不共线、旋转、错缝等。见表 1。2.2脊柱结构病理改变的不良应力表现组
9、织结构的病理改变主要表现为如骨质破坏、滑膜组织增生、韧带的钙化等见表 2。上述有限元分析法的研究结论中,有关脊柱不良应力的表现可概括为:椎体组织结构不良移位引起的静息态时椎体及附属结构的高应力(压力、张力、扭矩力等),或病理改变产生的各类理化改变,使肌肉内力及肌肉控制冗余性改变,以及在不同工况下有限元模型的关节力矩改变、人体做功形式发生变化等。脊柱不良应力的进一步认识既往与脊柱稳定相关的经典“三柱理论”,以及与其稳定性相关的“绳塔论”等观点均认为,脊柱的稳定是基于椎体、椎管、关节突关节等完整骨性结构的支撑,及其附属肌群、椎间盘、韧带等的力学平衡所共同维系的25。有研究证实,大部分的椎体棘突不共
10、线是无症状的,近 90%的腰椎间盘突出症,经保守治疗是有限的26,而且在有文献记载的,可通过治疗脊柱病症而改善的内科、神经内科、精神科等疾病已达 70 余种,其中有许多疾病与 CFS 有症状的交汇。1脊柱不良应力的中医病理机制足太阳膀胱经起于目内眦,绕过头顶,夹脊抵腰中,络肾属膀胱;督脉的循行起于少腹,行于后背正中,督脉与膀胱经的循行部位,生理功能及病理变化与脊柱都有着密切的关系。灵枢 经脉 中载足太阳膀胱经的经脉病候“冲头痛,目似脱,项如拔是主筋所生病者”说文 载“筋者,肉之力也”。中医学中的筋弛、筋缓等症产生,使诸骨失于约束,自表 1脊柱形态异常的不良应力表现异常形态类型不良应力表现椎间盘
11、椎管椎间孔关节突关节其他颈椎曲度变直5-7后缘为主的压力以 C3/4 最小;C4/5 最大继发性狭窄表现为:C6C5C3C4C2C1全节段张力与扭矩力的合力整体载荷双侧对称减小小关节承受支撑作用减弱颈椎曲度反弓5,8-9后缘应力减小,以前缘为主的压力以 C3/4 最小;C4/5 最大中间及后缘为主的压力与扭矩力的合力全节段继发性狭窄全节段张力与扭矩力的合力,C4/5 最明显整体载荷减小;C3/4 关节突关节载荷消失前中柱负重增加,后方小关节压应力转换为关节囊及神经根等周围组织张力颈椎棘突不共线10同节段及相邻节段压力及扭矩力目标椎体节段为主的继发性狭窄双侧继发性间隙减小目标椎体压力及扭矩力同节
12、段颈椎活动度除偏离方向,其余各方向均明显减小单节颈椎椎体后仰错缝11同节段椎体为主的椎间盘后缘以冠状轴及失状轴为主的压力同节段椎体为主的椎间盘后缘以冠状轴为主的扭矩力同节段椎体水平继发性狭窄双侧继发性间隙减小目标及下位椎体为主两侧对等的压力及扭矩力同节段及相邻节段关节突关节产生异常运动轨迹单节颈椎椎体平移错缝12下位椎间盘为主,同方向纤维环压力前屈、后伸、侧屈 C2/3 应力最大;旋转 C4/5 应力最大同节段椎体水平继发性狭窄目标节段张力与扭矩力的合力下位椎体平移同侧关节突的压力C2 错缝椎动脉增加的应力最大C6 错缝脊髓增加的应力最大胸腰段后凸畸形13-14前缘为主的压力后缘出现张力目标节
13、段椎体继发性狭窄目标节段张力与扭矩力的合力目标椎体两侧小于所承受纤维环的压力应力主要分布于椎体,且由后向前有一个渐渐增大的递度特发性脊柱侧凸15-16静态时 T2/3、后伸时 T3/4、侧旋时 T4/5 为主的压力及扭矩力/同侧增大,出现张力;对侧减小压力及扭矩力为主侧凸同向减小对侧增大的压力出现小关节压缩性变形,限制椎体的旋转和摆位的能力减小目标椎体双侧椎弓根及关节突压力增大1275Jul.2023 Vol.35 No.72023 年 7 月第 35 卷第 7 期然出现脊柱应力的异常,而筋缓与现代疲劳综合征的症状基本相同。素问 骨空论篇 载“督脉为病,治在骨上”骨上可以认为是椎体棘突,这是通
14、过纠正脊柱损伤来治疗督脉相关疾患的最早记载。综上,调整脊柱不良应力来治疗脏腑疾病的方法,在中医学理论中早有记载。2脊柱不良应力与自主神经系统自主神经的交感节排列于脊柱两侧,与来自左、右迷走神经的副交感神经纤维相拮抗,共同维持机体内脏的自主运动27。自主神经的传出神经分布至人体重要脏器、大血管及免疫器官、内分泌腺,并调节这些器官的功能,也受到神经中枢的控制,共同调节内脏活动28。分别位于 2 3 颈椎横突前面、C6 水平面甲状腺下动脉前方、C7 横突与第一肋之间前方颈椎阶段的,颈上、颈中、颈下神经节;位于胸肋关节之前,上下连成 8 10 对,组成胸椎旁神经节的两条交感干;腰椎体前外侧,腰大肌内侧
15、缘的腰神经节;以及位于骶髓 2 4 的骶中间外侧核的骶神经节,组成了自主神经基本的外在神经节。如上所述的有限元分析结论中,应力不良造成的周围组织增生、钙化、痉挛、凋亡或张力不平衡致使椎体移位、结构改变等表现,势必会刺激、激惹到自主神经节或神经干,产生自主神经功能紊乱29。3脊柱不良应力的相关症状颈椎曲度异常、旋转、平行移位或韧带钙化、骨质增生等病理变化,造成椎管继发性狭窄、椎间盘应力分布改变、关节突关节受力异常,或是保持脊柱稳定性的周围组织张力增加,扭矩力产生。致使颈部交感激惹,就会产生眩晕、头痛、神经免疫性高血压、心房颤动30等症。位于第 1 的颈上神经节与第 2 颈神经间的交通支的多样性是
16、颈性眩晕及神经性头痛症状多样性的结构基础31。胸腰段骨量减少或压缩骨折致使运动工况下目标节段相邻椎体稳定性降低,激惹胸椎旁神经节,就会出现如上腹痛或餐后不适等症为主的肠易激综合征32,或者出现躯体感觉异常,如在腹腔镜术中气腹所用的 CO2能刺激椎旁神经节而引起疼痛33。腰椎34及骶骨应力不良均可影响肠系膜从、上腹下丛等导致便秘、肠梗阻等35。因此,脊柱不良应力是脊柱结构功能异常与自主神经功能紊乱的病理衔接,而自主神经功能紊乱也是功能性脏腑疾病的主要原因。脊柱不良应力与 CFS对于 CFS 的中西病机研究到目前仍没有一致看表 2脊柱结构病理改变的不良应力表现病理改变类型不良应力表现椎间盘椎管椎间
17、孔关节突关节其他颈椎后纵韧带硬化17-18前屈及后伸体位减小6%14%、侧旋纤维环减少24%以 C4/5 为主、减少 24%以C6/7 为主的压力及扭矩力目标节段椎体继发性狭窄双侧继发性间隙减小后伸增大 15.7%;侧旋减小 10%的双侧对称的压力后纵韧带应力在前屈及侧旋位明显增大,在后伸位无明显改变胸椎椎体骨量减少19-20以 T8/9 前缘为主的压力及扭矩力/活动位继发性的张力及扭矩力以 T9 下关节突下表面、T7 上关节突上表面为主的压力主动运动椎体位移增加胸椎侧弯运动角增大胸椎压缩骨折21压缩程度 90%60%前缘为主的压力压缩程度 51%10%产生剧烈形变并变形溢出病理性狭窄甚至结构
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