倒悬旋转手法时腰椎各结构的应力分布

倒悬旋转手法时腰椎各结构的应力分布          作者:桂志雄～严金林～严斌～张美超～李义凯  【摘要】  目的了解进行倒悬旋转手法时腰椎各结构的应力分布和变化的特点。方法使用正常L4-5腰椎CT片～以Mimics软件系统逐层重建～建立L4-5三维有限元模型。根据手法原理～将倒悬旋转手法进行分解～把各项力学参数代入三维有限元模型进行计算分析。 即时显示手法作用时腰椎各结构内在应力的变化。结果应力变化主要集中于终板及椎间盘～以后部更为明显,应力在终板和椎间盘上又集中左侧后部和右侧前部～外层的应力大于内层,髓核和后部结构的应力变化较小。结论倒悬旋转手法时～应力在腰椎中不是均匀分布,终板要比椎间盘更容易受到损伤,该手法对小关节是安全、有效的～但旋转角度不宜过大。 【关键词】  腰椎, 有限元, 倒悬旋转手法, 椎间盘, 终板, 应力 Abstract:ObjectiveTo study the trait of intra-stress distribution of lumbar unit during the hang upside down and rotatory manipulation. MethodsSectional constructed with Mimics software system by normal lumbar L4-5 CT images. Set up a 3D finite element system of lumbar L4-5. The hang upside down and rotatory manipulation was decomposed by principium of manipulation. The finite element system was analyzed with the parameter of mechanics. The change of intra-stress distribution in lumbar unit was displayed simultaneously during simulating manipulation. ResultsThe stress mainly distributed in the endplate and lumbar disc, especially in the posterior part. The stress distributed in the left-posterior part and the right- anterior part of the endplate and lumbar disc. The stress in the lateral of the endplate and lumbar disc was more than the inside. The intra-stress of nucleus and posterior area were less. ConclusionThe intra-stress distribution is not even during the hang upside down and rotatory manipulation. The endplate was more vulnerable than the lumbar disc. The manipulation was safe and effective for facet joints, but the rotatory levels of lumbar should not be too much during manipulation. Key words:Lumbar;  Finite element;  Hang upside down and rotatory manipulation;  Lumbar disc;  Endplate;  Stress     倒悬旋转手法是临床上一种有效的 手法～但是其基础研究却相对较滞后。医生只能根据解剖学 的知识～在头脑中构想腰椎倒悬时～在旋转力作用下的三维 结构变化～推测手法的作用机理～因而缺少客观的科学分析 与比较。近年来～计算机有限元技术成为研究脊柱推拿手法 的新方法。通过计算机对脊柱推拿手法的模拟～直观地、实 时地监测手法作用时腰椎结构的应力和应变～用以探讨倒悬 旋转手法的作用机制～为该手法的临床应用和优化提供理论 和试验依据。 1  材料与方法 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青年新鲜尸体的腰椎做标 本。使用螺旋CT～以2 mm的间隔～沿轴向进行断层扫描～ 扫描数据经过插值、放大处理后～以1 mm层距输出二维JPEG格式图像～转存入计算机以作三维重建。对断层CT影像进 行预处理后～调整好连续文件的层厚及点距～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 From系统的修改,主要是表面光滑化处理及对1 mm层厚引起的数据丢失进行修补,。该有限元模型由20 781个结点～12 632个立体单元～7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条有关韧带(模型效果如图1 所示)。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。各种结构的材料性质(弹性模量、泊松比)来自文献,1～2,。将各种结构的材料性质导入Anasys 7.0进行计算和分析。见表1。表1  L4-5运动节段有限元模型各部分材料性质,略, 1.2  倒悬旋转手法的模拟和加载 1.2.1  手法的模拟本次试验模拟对正常腰椎向右侧进行倒悬旋转手法。根据中国人上半身的体重～计算出L4椎体上缘的轴向拉伸载荷约为400 N。按照倒悬旋转手法的操作～将手法治疗时的人体前屈、侧弯、旋转的角度平均分配于各个腰椎节段。 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.腰椎倒立垂直;2. L5椎体底部固定;3.从L4椎体上缘予以拉伸载荷400N模拟悬拉时自身体重, 4.将腰椎有限元模型模拟手法治疗时的前屈、侧弯、旋转进行加载。Z轴向右侧弯度数6?、X轴前屈 6?、Y轴顺时针方向旋转2?(加载如图2 所示)。 2  结果     最早发生应力变化的部位是终板的左侧后部和右侧前部的最外层, 以其为中心向周围的终板、椎体和椎间盘扩张。最终应力变化主要集中于L4下终板、L5上终板及椎间盘～以后部更为明显,图3,。     应力在终板和椎间盘上又集中左侧后部和右侧前部～外层的应力大于内层。在终板和椎间盘上～从左侧前部到右侧后部的一条对角线附近～所承受的应力较小～特别髓核和终板中央～应力变化更小,图4，6,。 在终板中间以及前、后、左、右各取一点代表应力水平以及终板的最大应力值(表2)。表2  终板各部位的应力值,略, 3  讨论 3.1  有限元分析法在脊柱推拿手法研究中的应用有限元分析法的基本原理是将连续的弹性实体分割许多小的单元～逐个研究每个小单元的力学性质～以获得整个弹性体的性质～单元划分越细～计算结果越精确。将复杂的、不规则的实体分割成的若干个不同大小、种类、规则的小区域称之为有限元,Finite Element,,3,。1972年Belytschkol ,4,等首次用有限元分析法来进行脊柱的生物力学研究。近20年来～有限元分析法在脊柱生物力学研究中的运用日益广泛和深入。而运用有限元分析法来研究腰椎手法是近几年才出现的～这为手法的研究提供了一个广阔的前景。倒悬旋转手法在临床上广为使用。近年来～不少学者从形态学、生物力学方面对其进行研究～推测手法的作用机理,5～6,。但是手法作用时腰椎各个结构的应力及位移的实时变化～使用传统的实验方法很难在活体上进行测量～因而无法进行客观的、定性的、定量的分析和比较。而使用计算机有限元技术～可以通过计算数据、图像等手段对手法作用的过程进行直观地、实时地监测～使人们可以看到以前人体内部用肉眼无法看到的变化。因而对进行手法作用时人体的力学变化进行有限元数值模拟就成为深化对其作用机制的有效手段。 3.2  倒悬旋转手法作用过程中应力的分布从图3，6中可以看出～在倒悬旋转手法作用过程中～应力在腰椎各结构中是不均匀分布的。应力变化主要集中于L4下终板、L5上终板及椎间盘。 3.2.1  椎间盘的应力分布椎间盘外层的应力明显大于内层。从中心开始向四周逐步递增。这主要是由于外层的椎间盘、椎体和终板在旋转时有较大的位移和应变～从而使应力在外层集中。这一结果与无侧弯、屈伸状态下的旋转以及坐位定点旋转手法的结果是一致的,7～8,。     在倒悬旋转手法作用过程中～即使椎间盘同一层的纤维环～也并非均匀的承担应力。在椎间盘的前缘～旋转侧的应力明显大于对侧,在后缘～旋转侧的应力小于对侧,图6,。这是由于在进行手法作用时～存在着前屈和侧弯～一方面这些前屈和侧弯本身就引起各个结构的应力发生变化～另一方面又造成腰椎旋转的力矩在腰椎中的分布不均匀。这种应力分布的情况也同样存在于椎体和终板,图4，5,。 3.2.2  终板的应力分布终板以及终板附近的 椎体应力水平明显大于椎体的中部～也大于椎间盘的应力,图3,。经计算～手法过程中～模型的最大张力点位于L5终板的左侧后缘～应力值为1.19×107 Pa,最大压应力点位于L5终板的右侧前缘～应力值为8.86×106 Pa。临床上～在考虑该手法导致的医源性损伤时～一般考虑椎间盘比较多～而忽视了终板的损伤的可能性。从本实验的结果来看～对于正常的腰椎～终板和终板附近椎体要比椎间盘更容易受到损伤。对于退变腰椎和椎间盘～还需使用退变腰椎模型进行进一步的研究。     通过有限元对坐位腰椎旋转手法的分析～也未能找到能使突出髓核回缩的应力,9,。但在倒悬旋转手法时～情况是否一样呢,计算结果显示～终板的中间是一个1.57×106 Pa的压力～同时椎间盘髓核部位的应力变化不大～也都没有能使突出髓核回缩的应力。由此看来～倒悬旋转手法也不能使椎间盘回缩。目前认为其作用机理可能是由于自重力的牵引使腰部肌肉反射性松弛,松解神经根周围组织粘连,增加椎间孔的面积和侧隐窝的容积,增加了神经根～硬膜囊的相对空间,纠正腰椎小关节的病理性倾斜小关节,5～6,。     通过Anasys 7.0计算出的应力值结 果可以看出终板上的应力并非全是张力～在右侧、前缘和中部也存在压应力～当然该压应力要比张力小得多。这些压应力可能是由于手法过程中腰椎的前屈和侧弯所引起的。以往研究该手法作用机理时～一般都考虑了在倒悬情况下～脊柱因自身重力而产生的张力～没有考虑压应力在手法过程中的作用。 3.2.3  后部结构的应力分布后部结构未见明显的应力变化和应力集中点,图3，4,～因而该手法对小关节是安全的。由于倒悬牵引～椎间盘的拉伸～使小关节之间分离～上、下关节面之间有一定的间隙。一方面使小关节彻底放松～此时运用旋转扳法～容易纠正小关节的病理性倾斜和不稳,5,。另一方面～腰椎小关节在有轴向400N压缩荷载时～小关节要承载10%，40%的扭转力量,10,。倒悬牵引使小关节之间分离～椎间盘失去了小关节的保护～因此在进行该手法时要注意旋转角度不宜过大～防止损伤椎间盘和终板。 现今的有限元模型已能够逼真地模拟椎骨、椎间盘以及周围的韧带、肌肉。随着计算机技术的进步以及功能完善的专用软件问世～为确保模型的精确性奠定了基础。使模拟更加真实完善。更接近复杂的活体的实际情况。本实验仅从 力学角度用有限元分析方法～分析了倒悬旋转手法作用时腰 椎各结构应力的变化～探讨手法的机理。由于实际临床上的 病情不同和个体差异～要真正了解倒悬旋转手法作用机理～ 仍需与临床实际以及其它学科相结合进一步研究。本试验采 用的标本是无退变的正常腰椎。而临床上的患者大多伴有腰 椎退行性变。对于退变腰椎～其推拿时的情况～以及和正常 腰椎的比较有何区别～我们正在进行进一步的实验。 【参考文献】   ,1,Wang JL, Parnianpoiur M, shirazi-Adl A, et al. 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