三种前屈角度下坐位旋转手法对腰椎间盘作用的有限元分析.docx

三种前屈角度下坐位旋转手法对腰椎间盘作用的有限元分析【摘要】 目的 探讨不同前屈状态下坐位腰椎旋转手法对椎间盘的影响。方法 使用腰椎CT片，以Mimics软件系统逐层重建，建立L4-5的三维有限元模型。根据手法原理，将坐位腰椎旋转手法进行分解，在6、9、12三种腰椎前屈角度下，把各项力学参数代入有限元模型进行计算分析。结果 对于正常腰椎，椎间盘左侧后缘的应力随着腰椎前屈角度增大而增大，前屈角度的变化对位移的影响相对较小，椎间盘无明显向后突出。对于退变腰椎，椎间盘右侧后缘的应力和位移均随着腰椎前屈角度增大而增大，12状态下椎间盘右侧后缘明显向后突出。结论 该手法不会造成椎间盘损伤。向健侧旋转优于向患侧旋转。 腰椎椎管狭窄患者不宜使用本手法。手法时，前屈角度不宜太大。【关键词】 有限元；腰椎旋转手法；椎间盘；腰椎；应力【Abstract】 Objective To study the effect of the rotation manipulation on degenerate lumbar disc in three anteflexed levels. Methods The lumbar CT scan imaging was sectionally reconstructed with Mimics software3D finite element system of L4-5 was set up. The lumbar rotation manipulation was decomposed by principium of manipulation. The parameter of mechanics was analyzed with the finite element system in three anteflexed levels：6, 9 and 12. Results The stress and displacement of the right side of lumbar disc were increased gradually during the manipulation. The stress and displacement of right and posterior side of lumbar disc were increased as anteflexed levels increased. The right and posterior side of lumbar disc protruded toward back evidently in 12state. Conclusion The manipulation is safe for lumbar disc. It is more rational for rotation toward the healthy side. It is not suitable to anteflect too much during the manipulation. The manipulation is not applicable for lumbar spinal stenosis. 【Key words】 Lumbar; Finite element; Rotation manipulation; Lumbar disc; Stress 冯天有所创立的坐位腰椎定点旋转手法是临床上常用的、有效的手法之一。目前，推拿学的教材以及相关文献在介绍该旋转手法时，对该手法操作的描述都比较简略，比如对手法作用时患者前屈、侧弯、旋转的角度究竟多大并没有具体说明，这使初学者难以掌握，只能靠个人在临床治疗时自己体会，这样就具有相当大的主观性，治疗效果受医生个人的经验、知识和习惯的影响较大，缺少客观的科学分析与比较。实际操作时，如果对腰椎的前屈角度无法做到精确控制，是否会造成医源性损伤，这些问题，由于医学技术发展水平的限制，很少有人对此进行过研究。近年来，随着计算机技术的发展，将有限元法分析法与传统的中医推拿相结合，为推拿手法这门传统的学科注入了新的活力。本文利用三维有限元技术，对三种前屈状态下坐位腰椎旋转手法作用时，椎间盘内部的应力、位移进行了分析，来研究该手法的作用机理、安全性及合理性。 1 材料和方法 建立第4腰椎和第5 腰椎的有限元模型 取1具急性脑死亡的男性新鲜尸体的腰椎做标本，使用螺旋CT，以1mm的间隔，沿轴向进行断层扫描，以jpg格式将其断面图像输入计算机。利用三维重建软件Mimics建立腰椎三维计算机模型，再经过自由造型Free Form系统修改。该有限元模型由20 781个结点，12 632个立体单元，9个缆索式单元组成。包括2个椎体、2个终板、2个腰椎小关节和7条相关韧带。纤维、关节囊和韧带假设成为只承受张力。椎间盘的纤维环看成由包埋在基质内的交叉同心层纤维所构成。松质骨和椎间盘定义为多孔弹性结构，而皮质骨、后部结构、纤维环和韧带定义为线形弹性材料。腰椎小关节处理为接触模型1。腰各结构的材料性质来自文献2,3。将各结构的材料性质导入Anasys 进行计算和分析。 退变腰椎L4-5运动节段有限元模型材料性质。 坐位腰椎旋转手法的模拟和加载手法的模拟 本次试验模拟向右侧进行坐位腰椎旋转手法。根据中国人上半身的体重，计算出L4椎体上缘的轴向压缩载约为300 。向右侧旋扳手法作用下出现“咔哒”声响时，拇指推顶腰椎棘突的推扳力为kg。乘以L4椎间盘中央至棘突的长度6 cm，算出L4棘突在旋扳手法作用时所受力矩约为3 Nm。测量拇指推顶腰椎棘突的方向为向左偏前方30。对有限元模型进行模拟手法的加载 模型加载条件： L5椎体终板固定。L4椎体上端垂直向下压缩载荷300 。模拟手法治疗前的前屈、侧弯、旋转的准备阶段：Z轴向右侧弯6；Y轴定轴顺时针方向旋转2；X轴在三种状态下分别前屈6、9、12。L4棘突上予以3 Nm的向左偏前方30的旋转力矩。L4椎体上缘予以15 Nm的向右旋转力矩。时间 s。 2 结果 正常腰椎：手法过程中，椎间盘右侧前缘和左侧后缘的应力和位移不断增加。椎间盘左侧后缘的应力随着腰椎前屈角度增大而增大，前屈角度的变化对位移的影响相对较小，椎间盘无明显向后突出。 退变腰椎：手法过程中，右侧椎间盘的应力和位移不断增加，右侧前缘的应力和位移始终最大，并呈弧形向左侧后缘递减；左侧后缘应力和位移较小。腰椎前屈角度从小至大，椎间盘右侧、后缘和前缘的应力和位移越来越大，左侧后缘的应力和位移越来越小；在12状态下，椎间盘右侧后缘明显向后突出。 3 讨论 有限元分析法在中医推拿学中的应用 腰椎各结构的力学特征非常复杂，很难通过传统的试验方法进行研究。脊柱生物力学试验受标本来源的限制；试验费时、费钱、费力；是无法在活体上进行的损伤性的试验；并且使用人体标本还有被一些疾病如肝炎、AIDS等感染的可能。有限元法在20世纪70年代被引入医学研究，现在被大量应用于脊柱生物力学的研究7,8。近年来，将计算机技术和有限元法分析法与传统的中医推拿相结合，利用有限元法分析法研究脊柱推拿手法，也是进几年来的一条新的研究方向9-12。利用有限元分析法可以计算获取手法作用下脊柱模型的任意部位的变形、应力分布、应变等情况，并且可以使用图像、图形等手段对计算数据和结果进行直观地表达，这些数据是其他传统实验方法无法得到的。手法的合理性及安全性 从手法诞生的那一天起，失误一直伴随着手法。如何减少手法的失误，优化手法的操作一直是推拿科医师面临的难题。从本试验来看，手法进行时，椎间盘纤维环确实受至旋转剪切力。椎间盘所能承受的最大扭转力距为 Nm，本试验的扭转力距为18 Nm，对于正常椎间来说，本试验所设定的载荷对正常腰椎间盘不会造成损伤。对于退变椎间盘，提取9状态下的应力峰值：椎间盘右侧前缘为340 162 Pa，远小于正常椎间盘的的最大应力107 Pa，同样也远小于小关节的106 Pa。这是由于退变的椎间盘在手法作用时塌陷，从而使纤维相对松弛，这样就有了缓冲余地；并且后部结构承受了大部分的旋转剪切力，因而坐位腰椎旋转手法不会造成椎间盘损伤。 一直以来，进行坐位手法操作时都是向左、右各旋转一次。由于对坐位腰椎旋转手法的作用机制不是很明了，究竟是应该向健侧还是应该向患侧旋转，从来没有人考虑过。本试验结果显示：对于正常椎间盘，旋转对侧后部是应力作用的主要位置，并出现拉伸，导致椎间孔上下径增宽；同时，椎间盘旋转对侧后部出现向前移位，形成一个向内的小的弧形，也间接的增加了椎间孔的面积、旋转对侧椎管的空间体积以及椎间盘与相邻的神经根之间的相对位移。这些因素在一定程度上缓解了突出物对神经根的压迫，也松解了无菌性炎症所导致的刺激和粘连。对于退变椎间盘，手法作用使旋转侧椎间盘向后侧突出，有加大对神经根压迫程度的可能。因而从手法疗效和安全性两方面来讲，向椎间盘突出的对侧旋转更为合理。 值得注意的是，由于手法时椎间盘向后的突出，对于缓冲余地较小的腰椎椎管狭窄的病人来说，不宜用本手法。 手法作用时的患者体位的研究 在坐位腰椎旋转手法的三个主要运动方向中，由于旋转运动的幅度出现咔嗒声为限的，而咔嗒声则是关节旋转运动至极限的标志13。因此我们把旋转角度定义为最大值。侧弯是在旋转的基础上发生的，所以，我们把这个角度也定义为最大。那么前屈的角度就成了最难确定的因素，因此我们就把前屈的角度分为6、9、12三种状态进行研究。 手法治疗腰椎间盘突出症的机理目前主要有回纳学说及解除黏连学说。至于腰椎旋转手法能使突出的椎间盘回纳，目前大量的试验证明是一种不正确的推测而已。解除粘连学说主要是指通过手法使受压的神经根与椎间盘及周围组织发生相对的位移，从而解除粘连达到治疗目的。本试验可以看出，对于退变腰椎，一方面，左侧后缘的旋转位移随着腰椎前屈角度增大而减小。另一方面，随着前屈角度从小至大，椎间盘右侧后缘的后突越来越大，特别是在12状态下，椎间盘右侧后缘明显向后突出，也有可能加重对神经根压迫。因此以较小的前屈角度进行坐位腰椎旋转手法比较合理。 本文使用有限元的方法探讨了坐位腰椎旋转手法在三种腰椎前屈状态下对椎间盘的内在应力及位移的变化。初步分析了坐位腰椎旋转手法的优化问题，从理论上认为，坐位腰椎旋转手法时，腰椎弯曲度不宜太大，手法向健侧旋转比向患侧旋转有利。至于临床上是否如此，需要进一步的研究证明。 【参考文献】 1 张美超,肖进,李义凯,等.腰椎小关节接触模型的有限元分析J.第一军医大学学报,2002,22(9):836-838 2 Wang JL,Parnianpoiur M,shirazi-Adl A,etfinite element analysis of a lumbar motion segment in com bined com-pression and sagittal flexionJ.Spine,2000,23(3):310-3183 Goel VK,Kong W,Jungcombined finite element andoptimization investigation of lumbar spine mechanics with and without musclesJ.Spine,1993,18(11):1531-15434 李义凯,王国林,徐海涛,等.腰椎定点旋转手法所致“咔哒”声响与最大推扳力量效关系的研究J.中国临床解剖学杂志,2004,22(6):658-6605 毕胜,李义凯,赵卫东,等.腰部推拿手法生物力学和有限元比较研究J.中华物理医学与康复杂志,2002, 24 (9): 524-5266 Siamak Najarian,Javad Dargahi,Behnamof posterior elements and ligament-tous tissues of lumbarspine on load sharingJ.Bio-Medical Materials and Engineering,2005,(15):145-1587 Li H,Wangdisc biomechanical analysis usingthe finite element modeling based on medical imagesJ.Clin Biomech (Bristol,Avon),2006,9(5):145-1588 Rohlmann A,Zander T,Schmidt H,etof the influenceof disc degeneration on the mechanical behaviour of a lumbarmotion segment using the finite element methodJ.J Biomech,2006,39(13):2484-24909 万磊,李义凯,尹东.腰椎牵引力与椎间盘髓核应力之间变化的非线性模型J.颈腰痛杂志,2005, 26(6):407-4010 陈以国,王庆林,杜瑞卿,等.背俞穴的椎体间力学相关性研究J.北京生物医学工程,2004,23(2):122-12611 徐海涛,张美超,李义凯,等.坐位旋转手法对正常腰椎间盘内在应力和位移的实时监测的实验研究J.中国康复医学杂志,2005,20(8):563-56512 陈浩,徐海涛,张美超,等.坐位旋转手法对腰椎内在应力的实时监测J.中国临床解剖学杂志,2005,23(4):420-42213 李义凯,赵卫东,钟世镇.两种颈部旋转手法“咔嗒”声的比较研究J.中医正骨，1998，10(6):9-10