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
作者：徐海涛 张美超 徐达传 郑军 李义凯 王国林。
【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 ①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。②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 ①该手法不会造成椎间盘损伤。②向健侧旋转优于向患侧旋转。③ 腰椎椎管狭窄患者不宜使用本手法。④手法时，前屈角度不宜太大。
【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 software system.A 3D 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 12°state. 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。
1.1 建立第4腰椎和第5 腰椎（L4—5）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（弹性模量、泊松比）来自文献[2,3]。将各结构的材料性质导入Anasys 7.0进行计算和分析。
1.2.1 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 Ｎ。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（5.070±1.30）kg[4]。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°。
1.2.2 对有限元模型进行模拟手法的加载 模型加载条件：① L5椎体终板固定。②L4椎体上端垂直向下压缩载荷300 Ｎ。③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°。④L4棘突上予以3 Nm的向左偏前方30°的旋转力矩。⑤L4椎体上缘予以15 Nm的向右旋转力矩[5]。⑥时间0.25 s[5]。
2 结果。
正常腰椎（图1，2）：①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。②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（图3，4）：①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。②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。
3.1 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[6]。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（特别是模型内部应力变化、位移和变形）是其他传统实验方法无法得到的。