倒懸旋轉(zhuǎn)手法時腰椎各結(jié)構(gòu)的應力分布

1、文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版.word版本可編輯，有幫助歡迎下載支持.倒懸旋轉(zhuǎn)手法時腰椎各結(jié)構(gòu)的應力分布作者：桂志雄，嚴金林，嚴斌，張美超，李義凱【摘要】目的了解進行倒懸旋轉(zhuǎn)手法時腰椎各結(jié)構(gòu)的應力分布和變化 的特點。方法使用正常L4-5腰椎CT片，以Mimics軟件系統(tǒng)逐層重建， 建立L4-5三維有限元模型。根據(jù)手法原理，將倒懸旋轉(zhuǎn)手法進行分解， 把各項力學參數(shù)代入三維有限元模型進行計算分析。即時顯示手法作 用時腰椎各結(jié)構(gòu)內(nèi)在應力的變化。結(jié)果應力變化主要集中于終板及椎 間盤，以后部更為明顯；應力在終板和椎間盤上又集中左側(cè)后部和右 側(cè)前部，外層的應力大于內(nèi)層；髓核和后部結(jié)構(gòu)的應力變化較小。結(jié)

2、 論倒懸旋轉(zhuǎn)手法時，應力在腰椎中不是均勻分布；終板要比椎間盤更 容易受到損傷；該手法對小關節(jié)是安全、有效的，但旋轉(zhuǎn)角度不宜過 大。【關鍵詞】腰椎；有限元；倒懸旋轉(zhuǎn)手法；椎間盤；終板；應 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 lu

3、mbar 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 distributionin lumbar unit was displa

4、yed 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

5、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

6、 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倒懸旋轉(zhuǎn)手法是臨床上一種有效的手法，但是其基礎研究卻相對較滯 后。醫(yī)生只能根據(jù)解剖學的知識，在頭腦中構(gòu)想腰椎倒懸時，在旋轉(zhuǎn) 力作用下的三維結(jié)構(gòu)變化，推測手法的作用機理，因而

7、缺少客觀的科 學分析與比較。近年來，計算機有限元技術成為研究脊柱推拿手法的 新方法。通過計算機對脊柱推拿手法的模擬，直觀地、實時地監(jiān)測手 法作用時腰椎結(jié)構(gòu)的應力和應變，用以探討倒懸旋轉(zhuǎn)手法的作用機制， 為該手法的臨床應用和優(yōu)化提供理論和試驗依據(jù)。1材料與方法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 腦死亡的男性青年新鮮尸體的腰椎做標本。使用螺旋CT，以2 mm的 間隔，沿軸向進行斷層掃描，掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過插值、放大處理后，以1mm 層距輸出二維JPEG格式圖像，轉(zhuǎn)存入計算機以作三維重建。對斷層 CT影像進行預處理后，調(diào)整好連續(xù)文件的層厚及點距，利用三維重建 軟件Mimics建

8、立腰椎三維計算機模型。再經(jīng)過自由造型Free From 系統(tǒng)的修改（主要是表面光滑化處理及對1 mm層厚引起的數(shù)據(jù)丟失進 行修補）。該有限元模型由20 781個結(jié)點，12 632個立體單元，7個 纜索式單元組成。包括2個椎體、2個終板、2個腰椎小關節(jié)和7條有 關韌帶（模型效果如圖1所示）。纖維、關節(jié)囊和韌帶假設成為只承受 張力。椎間盤的纖維環(huán)看成由包埋在基質(zhì)內(nèi)的交叉同心層纖維所構(gòu)成。 松質(zhì)骨和椎間盤定義為多孔彈性結(jié)構(gòu)，而皮質(zhì)骨、后部結(jié)構(gòu)、纖維環(huán) 和韌帶定義為線形彈性材料。各種結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)（彈性模量、泊松比） 來自文獻1，2。將各種結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)導入Anasys 7.0進行計算 和分析。見表1

9、。表1 L4-5運動節(jié)段有限元模型各部分材料性質(zhì)（略）1.2倒懸旋轉(zhuǎn)手法的模擬和加載1.2.1手法的模擬本次試驗模擬對正常腰椎向右側(cè)進行倒懸旋轉(zhuǎn) 手法。根據(jù)中國人上半身的體重，計算出L4椎體上緣的軸向拉伸載荷 約為400 N。按照倒懸旋轉(zhuǎn)手法的操作，將手法治療時的人體前屈、 側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)的角度平均分配于各個腰椎節(jié)段。1.2.2對有限元模型進行模擬手法的加載模型加載條件：1.腰椎 倒立垂直;2. L5椎體底部固定;3.從L4椎體上緣予以拉伸載荷400N文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版.word版本可編輯，有幫助歡迎下載支持. 模擬懸拉時自身體重；4.將腰椎有限元模型模擬手法治療時的前屈、 側(cè)彎、旋

10、轉(zhuǎn)進行加載。Z軸向右側(cè)彎度數(shù)6、X軸前屈6、Y軸順 時針方向旋轉(zhuǎn)2 （加載如圖2所示）。2結(jié)果最早發(fā)生應力變化的部位是終板的左側(cè)后部和右側(cè)前部的最外層， 以其為中心向周圍的終板、椎體和椎間盤擴張。最終應力變化主要集 中于L4下終板、L5上終板及椎間盤，以后部更為明顯（圖3）。應力在終板和椎間盤上又集中左側(cè)后部和右側(cè)前部，外層的應力大于 內(nèi)層。在終板和椎間盤上，從左側(cè)前部到右側(cè)后部的一條對角線附近， 所承受的應力較小，特別髓核和終板中央，應力變化更?。▓D46）。在終板中間以及前、后、左、右各取一點代表應力水平以及終板 的最大應力值（表2）。表2終板各部位的應力值（略）3討論3.1有限元分析法在脊

11、柱推拿手法研究中的應用有限元分析法的 基本原理是將連續(xù)的彈性實體分割許多小的單元，逐個研究每個小單 元的力學性質(zhì)，以獲得整個彈性體的性質(zhì)，單元劃分越細，計算結(jié)果 越精確。將復雜的、不規(guī)則的實體分割成的若干個不同大小、種類、 規(guī)則的小區(qū)域稱之為有限元（Finite Element ） 3。1972年 Belytschkol 4等首次用有限元分析法來進行脊柱的生物力學研究。 近20年來，有限元分析法在脊柱生物力學研究中的運用日益廣泛和深 入。而運用有限元分析法來研究腰椎手法是近幾年才出現(xiàn)的，這為手 法的研究提供了一個廣闊的前景。倒懸旋轉(zhuǎn)手法在臨床上廣為使用。近年來，不少學者從形態(tài)學、生物力學方面對

12、其進行研究，推測手法 的作用機理5,6。但是手法作用時腰椎各個結(jié)構(gòu)的應力及位移的實 時變化，使用傳統(tǒng)的實驗方法很難在活體上進行測量，因而無法進行 客觀的、定性的、定量的分析和比較。而使用計算機有限元技術，可 以通過計算數(shù)據(jù)、圖像等手段對手法作用的過程進行直觀地、實時地 監(jiān)測，使人們可以看到以前人體內(nèi)部用肉眼無法看到的變化。因而對 進行手法作用時人體的力學變化進行有限元數(shù)值模擬就成為深化對其 作用機制的有效手段。3.2倒懸旋轉(zhuǎn)手法作用過程中應力的分布從圖36中可以看出， 在倒懸旋轉(zhuǎn)手法作用過程中，應力在腰椎各結(jié)構(gòu)中是不均勻分布的。 應力變化主要集中于L4下終板、L5上終板及椎間盤。3.2.1椎間

13、盤的應力分布椎間盤外層的應力明顯大于內(nèi)層。從中心開始向四周 逐步遞增。這主要是由于外層的椎間盤、椎體和終板在旋轉(zhuǎn)時有較大 的位移和應變，從而使應力在外層集中。這一結(jié)果與無側(cè)彎、屈伸狀 態(tài)下的旋轉(zhuǎn)以及坐位定點旋轉(zhuǎn)手法的結(jié)果是一致的7,8。在倒懸旋轉(zhuǎn)手法作用過程中，即使椎間盤同一層的纖維環(huán)，也并非均 勻的承擔應力。在椎間盤的前緣，旋轉(zhuǎn)側(cè)的應力明顯大于對側(cè)；在后 緣，旋轉(zhuǎn)側(cè)的應力小于對側(cè)（圖6）。這是由于在進行手法作用時，存 在著前屈和側(cè)彎，一方面這些前屈和側(cè)彎本身就引起各個結(jié)構(gòu)的應力 發(fā)生變化，另一方面又造成腰椎旋轉(zhuǎn)的力矩在腰椎中的分布不均勻。 這種應力分布的情況也同樣存在于椎體和終板（圖45）。

14、3.2.2終板的應力分布終板以及終板附近的椎體應力水平明顯大 于椎體的中部，也大于椎間盤的應力（圖3）。經(jīng)計算，手法過程中， 模型的最大張力點位于L5終板的左側(cè)后緣，應力值為1.19X107Pa； 最大壓應力點位于L5終板的右側(cè)前緣，應力值為8.86X106 Pa。臨 床上，在考慮該手法導致的醫(yī)源性損傷時，一般考慮椎間盤比較多， 而忽視了終板的損傷的可能性。從本實驗的結(jié)果來看，對于正常的腰 椎，終板和終板附近椎體要比椎間盤更容易受到損傷。對于退變腰椎 和椎間盤，還需使用退變腰椎模型進行進一步的研究。通過有限元對坐位腰椎旋轉(zhuǎn)手法的分析，也未能找到能使突出髓核回 縮的應力9。但在倒懸旋轉(zhuǎn)手法時，情

15、況是否一樣呢？計算結(jié)果顯 示，終板的中間是一個1.57X106 Pa的壓力，同時椎間盤髓核部位的 應力變化不大，也都沒有能使突出髓核回縮的應力。由此看來，倒懸 旋轉(zhuǎn)手法也不能使椎間盤回縮。目前認為其作用機理可能是由于自重 力的牽引使腰部肌肉反射性松弛；松解神經(jīng)根周圍組織粘連；增加椎 間孔的面積和側(cè)隱窩的容積；增加了神經(jīng)根，硬膜囊的相對空間；糾 正腰椎小關節(jié)的病理性傾斜小關節(jié)5, 6。通過Anasys 7.0計算出的應力值結(jié)果可以看出終板上的應力并非全 是張力，在右側(cè)、前緣和中部也存在壓應力，當然該壓應力要比張力 小得多。這些壓應力可能是由于手法過程中腰椎的前屈和側(cè)彎所引起 的。以往研究該手法作

16、用機理時，一般都考慮了在倒懸情況下，脊柱 因自身重力而產(chǎn)生的張力，沒有考慮壓應力在手法過程中的作用。3.2.3后部結(jié)構(gòu)的應力分布后部結(jié)構(gòu)未見明顯的應力變化和應力 集中點（圖34），因而該手法對小關節(jié)是安全的。由于倒懸牽引，文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版.word版本可編輯，有幫助歡迎下載支持. 椎間盤的拉伸，使小關節(jié)之間分離，上、下關節(jié)面之間有一定的間隙。 一方面使小關節(jié)徹底放松，此時運用旋轉(zhuǎn)扳法，容易糾正小關節(jié)的病 理性傾斜和不穩(wěn)5。另一方面，腰椎小關節(jié)在有軸向400N壓縮荷載 時，小關節(jié)要承載10%40%的扭轉(zhuǎn)力量】10。倒懸牽引使小關節(jié)之 間分離，椎間盤失去了小關節(jié)的保護，因此在進行該

17、手法時要注意旋 轉(zhuǎn)角度不宜過大，防止損傷椎間盤和終板。現(xiàn)今的有限元模型已能夠逼真地模擬椎骨、椎間盤以及周圍的韌 帶、肌肉。隨著計算機技術的進步以及功能完善的專用軟件問世，為 確保模型的精確性奠定了基礎。使模擬更加真實完善。更接近復雜的 活體的實際情況。本實驗僅從力學角度用有限元分析方法，分析了倒 懸旋轉(zhuǎn)手法作用時腰椎各結(jié)構(gòu)應力的變化，探討手法的機理。由于實 際臨床上的病情不同和個體差異，要真正了解倒懸旋轉(zhuǎn)手法作用機理， 仍需與臨床實際以及其它學科相結(jié)合進一步研究。本試驗采用的標本 是無退變的正常腰椎。而臨床上的患者大多伴有腰椎退行性變。對于 退變腰椎，其推拿時的情況，以及和正常腰椎的比較有何區(qū)

18、別，我們 正在進行進一步的實驗?！緟⒖嘉墨I】1 Wang JL, Parnianpoiur M, shirazi-Adl A, et al. Viscoelastic finite element analysis of a lumbar motion segment in combined compression and sagittal flexion J .Spine, 2000,23(3):310.Goel VK, Kong W, Jung S, A combined finite element andoptimization investigation of lumbar spine mechanics with and without muscles J. Spine, 1993,18(11)