文题释义：

斜扳手法：患者侧卧位，患侧在上，患侧下肢屈膝屈髋，健侧下肢伸直，术者面对患者而立，一手掌按住其肩前部，另一手以肘部抵住其臀部，双手协同用力作相反方向的缓缓推动，使其腰部被动扭转。当旋转到最大限度时再发力扳动，一般此时可听到清脆的弹响声，左、右各扳1次，常用于治疗椎间盘突出、小关节紊乱、急性腰扭伤等。

三维有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

摘要

背景：斜扳手法治疗腰椎间盘突出症疗效可靠，已被临床广泛应用，但是不同体位下斜扳手法的生物力学作用机制、疗效有何不同目前尚不明确。

目的：利用三维有限元方法分析不同体位下斜扳手法治疗腰椎间盘突出症的生物力学机制及其作用效果，从而优化手法治疗的操作方案，指导提高临床疗效。

方法：采集腰椎间盘突出症患者腰椎CT数据，利用Mimics和Ansys软件建立脊柱L4-5运动单元的三维有限元模型。分别模拟斜扳手法作用于前屈30°、水平0°和后伸10° 3种不同体位状态，分析不同体位下斜扳手法对椎间盘包括髓核和纤维环应力的影响，以及椎间盘与神经根之间位移的变化情况。

结果与结论：①在前屈30°、水平0°和后伸10° 3种不同体位斜扳手法作用下，腰椎间盘髓核内应力均明显减小，且后伸10°时减小最为明显；②在前屈30°、水平0°和后伸10° 3种不同体位斜扳手法作用下，纤维环应力均增大，且在后伸10°时纤维环应力增加最大；③前屈30°体位时，在斜扳手法力矩作用下，椎间盘后外侧与神经根之间位移增大，可能更有利于缓解神经根压迫产生的症状；但在后伸10°体位下，椎间盘与神经根之间位移减小，可能不利于缓解神经根压迫产生的症状。

关键词：腰椎；运动节段；三维有限元；斜扳手法；生物力学

0 引言 Introduction

腰椎间盘突出症是骨伤科常见的脊柱退变性疾患，常引起患者腰痛、下肢放射痛、麻木、无力等症状 [1-2]。中医药治疗腰椎间盘突出症历史悠久，疗效显著，大部分腰椎间盘突出症患者能通过中医药治疗达到缓解腰骶部疼痛及下肢疼痛麻木的目的 [3-4]。而斜扳手法是中医传统推拿治疗腰椎间盘突出症的重要特色技术之一，具有简便、患者易接受等优点[5]，但其生物力学作用机制较为复杂，其对于髓核、纤维环、关节突关节等脊柱结构都会产生力学作用 [6-7]，其机制尚需进一步深入研究。三维有限元分析法通过录入不同组织的弹性模量、泊松比等准确参数，通过计算机技术构建精确的人体组织模型，并且模拟治疗过程中产生的各种外力，从而研究手法、手术治疗过程中人体组织各种应力、应变及位移变化 [8-9]。应用三维有限元法分析传统中医推拿手法，能直观、准确地反映受力结构的生物力学变化，目前对于斜扳手法作用三维有限元模型已初步开展了部分研究 [10-12]，但是进行斜扳手法治疗时，患者采取不同体位是否会产生不同的生物力学效应，进而产生不同的治疗效果，尚缺乏研究。文章通过构建 L4-5 运动节段的三维有限元模型，对其模拟斜扳手法，并根据既往临床经验选取前屈、后伸和水平 3 种不同体位，分析斜扳手法治疗过程中腰椎内部组织结构的应力及位移变化，研究不同体位下斜扳手法治疗腰椎间盘突出症的生物力学机制和疗效差异，为斜扳手法的临床应用和优化方案提供科学依据。

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计单样本三维有限元分析，计算机模拟实验。

1.2 时间及地点于 2015 年 2 月至 2019 年 10 月在云南省中医药大学第一附属医院 ( 云南省中医医院 ) 完成。

1.3 对象选择 2017 年 11 月云南中医药大学第一附属医院( 云南省中医医院 ) 收治的 1 位成年女性椎间盘突出症患者，年龄 48 岁，身高 163 cm，体质量 53 kg，既往无脊柱手术史、无脊柱创伤病史，摄 X 射线片排除脊柱感染、脊柱肿瘤、半椎体、移行椎、脊柱侧弯等疾病，诊断为 L4-5 椎间盘突出症，签署了知情同意书。研究已通过云南中医药大学第一附属医院 ( 云南省中医医院 ) 伦理委员会的批准。

1.4 材料采用德国西门子公司生产的 64 排螺旋 CT 扫描机对患者腰椎进行扫描，共获得轴位断层图像 376 层，扫描层厚 0.3 mm，扫描电压 120 kV，电流 205.50 mA，扫描矩阵512×512，扫描数据以 DICOM 格式直接存储。试 验 设 备： 计算机硬件 Intel(R) Core(TM) i9-9900CPU3.6 GHz，64 G 内存，Radeon(TM) RX 460 Graphics 显卡，16 G显存，Windows10 64 位操作系统；医学图像处理软件 Mimics20.0(Materialis 公司，比利时 )；Geomagic Studio 逆向工程软件 (Geomagic 公司，美国 )；Solidwords 2014 软件 (Solidword公司，美国 )；有限元分析软件 Ansys Workbench 14.5(Ansys公司，美国 )。

1.5 方法

1.5.1 腰椎 L4-5 三维有限元模型的建立将之前保存的患者所有 DICOM 格式的 CT 图像数据输入 Mimics 20.0 软件中，选定需要研究的部分，对局部进行放大，使横断面、矢状面和冠状面 3 个窗口达到合适的便于观察范围后开始分析提取数据信息。选定合适的灰度值 (226，1 530) 后，使椎体骨清晰可见，通过 Region Growing 功能，利用不同组织的图像像素差异，Mimics 软件自动提取生成腰椎骨的断面轮廓信息，再通过calculate 3D功能，在二维横断面上获得不同组织轮廓线，连接轮廓线上相邻的 3 个节点建立三角面片，建立由大量三角面片组成的腰椎模型 ( 图 1)。

在 Mimics 软件中将提取的 L4-L5 椎体组织数据以 STL 文件格式导出，然后再导入到Geomagic软件中，经过点云阶段-多边形阶段 - 曲面生成阶段流程建立 L4、L5、椎间盘模型及整体模型，如图 2-4 所示。

根据人体组织的特性，腰椎又分为皮质骨、松质骨和后部结构，椎间盘又分为髓核、终板和纤维环。皮质骨及终板的厚度分别为 0.4，0.25 mm[13]。考虑到韧带的受力特性采用受拉不受压的单元来模拟，每种韧带的横截面积取自文[13-14]，共包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带、关节囊。小关节面视为非线性的三维接触，采用面与面接触单元来模拟，摩擦系数为 0.1[13]。各处结构采用的材料属性如表 1 所示 [15]。

将建立的 L4-5 三维模型以 IGES 文件格式导入到有限元分析软件 Ansys 中，建立 L4-5 有限元模型。采用 10 节点四面体单元 (Solid 92) 根据单元尺寸大小依次对其进行网格划分。

网格划分后的单元数量见表 2。

1.5.2 腰椎 L4-5 三维有限元模型有效性验证在 Mimics 软件中将所建立的模型与原始患者的 CT 相比较，以验证其几何相似性。对模型中 L5 下表面进行限制，约束其在前屈、后伸、左倾、右倾、左旋转、右旋转 6 个方向的活动度，在 L4 上表面施加 500 N 垂直压力模拟重力，6 N/m 力矩，模拟腰椎前屈、后伸、左倾、右倾、左旋转、右旋转 6 种工况，计算其移动云图。将此实验所得椎体相对活动度与前人 YAMAMOTO等 [16]、XIAO 等 [17] 在体外实验和三维有限元中的数据相比较见表 3。经过以上验证，证明所建立的 L4-5 三维有限元模型逼真有效。

1.5.3 边界及载荷条件根据临床操作规范，腰部斜扳手法

如下：患者侧卧位，患侧在上，健侧在下，患侧下肢屈膝屈髋，健侧下肢伸直，术者面对患者而立，一手掌按住其肩前部，另一手以肘部抵住其臀部，双手协同用力作相反方向的缓缓推动，使其腰部被动扭转，当旋转到最大限度时再发力扳动如图 5 所示，一般此时可听到清脆的弹响声，左、右各扳 1 次。根据文献 [18] 对模型进行如下力学加载，在 L4 上缘右侧加载 246 N 向后的推扳力，在 L5 下缘右侧加载 266 N 的向前的推板力来模拟临床斜扳手法的操作过程。

1.6 主要观察指标主要考察斜扳手法对突出椎间盘包括髓核和纤维环上应力的影响，因此分别选择髓核和纤维环前后左右及中间 5 个位置作为观察点。同时考察椎间盘突出部分在斜扳手法力矩的作用下，椎间盘与神经根之间位移的变化情况。

2 结果 Results

2.1 髓核内不同位置的应力情况相较于水平位 0° 和前屈30° 体位，在后伸 10° 体位进行斜扳手法作用于腰椎间盘突出三维有限元模型时椎间盘髓核内的应力明显最低，说明后伸 10° 体位斜扳手法作用时有利于减少髓核的突出风险，而前屈 30° 体位进行斜扳手法作用时髓核应力最大，见表 4 及图 6，7。

2.2 纤维环不同位置的应力分布在前屈 30°、水平 0° 和后伸 10° 3 种不同体位斜扳手法作用下，纤维环应力均增大，且在后伸 10° 时纤维环应力增加最明显，见表 5 及图 8，9。

2.3 椎间盘后缘与患侧神经根间的位移在水平体位、前屈30° 体位、后伸 10° 体位时，纤维环后部与患侧神经根距离分别为 14.99，23.87，3.114 mm，见图 10。说明在后伸 10°体位时其相对位移最少，而前屈 30° 体位时其相对位移最大。

3 讨论 Discussion

腰椎间盘突出症患病率逐年增长，致残率高达 7.2%，已成为全球性的卫生经济负担 [19]，其治疗方法多样，仅10%-20% 的患者需要选择手术治疗，非手术治疗包括牵引、功能锻炼、推拿手法、针灸、药物外敷和内服等 [20-21]，其中传统中医推拿手法治疗发挥了重要作用。李建华等 [22] 对 120例腰椎间盘突出症患者采用了手法治疗、功法治疗、手法联合功法治疗，发现三者都能明显改善患者症状，其中手法联合功法综合治疗能达到最佳疗效。宋宝等 [23] 对 31 例腰椎间盘突出症下肢麻木患者进行了瞬时强电针结合腰椎斜扳手法治疗，取得了良好疗效。以上文献都体现了斜扳手法治疗腰椎间盘突出症的有效性，并且斜扳手法操作时力的可控性大，手法安全性高，明显降低了并发症的发生 [24]。相较于手术治疗，更是具有费用低、无创性、几乎无需恢复时间、不影响脊柱正常活动度及生物力学等优点 [25]，斜扳手法结合中医其他疗法对腰椎间盘突出症进行综合治疗已成为非手术患者的重要治疗手段之一。

尽管手法疗效可靠，且在临床广泛应用，但是由于脊柱复杂的解剖结构和组织材料特性，同时各类中医传统手法也具有复杂的生物力学效应，一直以来都缺乏有效的研究方法去探讨其具体作用机制。直到三维有限元分析法的出现才为其研究提供了可能，有限元法最早被用来分析工程中的结构力学问题，其基本原理是结构离散化，用离散化的单元反映结构的整体特性，20 世纪 70 年代被应用于医学研究 [26]。

近年来，随着数字医学、计算机技术的飞速发展，以及三维有限元专业软件的出现，使得三维有限元分析法在医学中的应用越来越广泛，特别是在分析生物力学方面具有独特的优势，可以随意并精确地调整所有参数，详尽分析手法治疗的内在生物力学特性，反映其内部的应力 - 应变过程，还具有可重复性强的优点及可视化功能 [27]，必将成为中医传统手法治疗机制研究的重要手段之一 [28-29]。

此次实验中在 3 种不同体位下模拟斜扳手法作用于腰椎间盘突出三维有限元模型时，髓核和纤维环具有不同的应力变化，并且神经根与髓核之间的相对位移也存在差异。相较于水平位 0° 和前屈 30° 体位，在后伸 10° 体位模拟斜扳手法作用于腰椎间盘突出三维有限元模型时，椎间盘髓核内的应力明显最低，说明后伸 10° 体位斜扳手法作用时有利于减少髓核的突出风险；而前屈 30° 体位进行斜扳手法作用时髓核应力最大。纤维环的应力变化则有所不同，在后伸 10° 体位斜扳手法作用时纤维环的应力是 3 个体位中最大的，并且后方纤维环的应力最大，纤维环的应力增加有利于增加纤维环张力，可能会造成突出髓核的回纳或部分回纳趋势，但是也有可能会造成纤维环的进一步损伤和撕裂，具体情况还需进一步深入研究。根据髓核和纤维环在不同体位下的应力变化情况，在后伸 10° 体位时进行斜扳手法的作用会明显减小髓核应力、增加纤维环应力，有利于减少髓核的突出风险，且有促进髓核回纳或部分回纳的趋势。但是在不同体位下斜扳手法作用时，纤维环和神经根的相对位移情况也会有明显差异，其中在后伸 10° 体位时其相对位移最少，而前屈 30° 体位时其相对位移最大。根据既往文献研究，纤维环和神经根之间的相对位移越大，越有利于减少神经受压、解除神经根与周围组织的粘连，从而更好地缓解患者的症状 [30]。

综上所述，在后伸 10° 体位时进行斜扳手法操作有利于减少髓核的进一步突出风险，并可能促使突出髓核的回纳趋势；而在前屈 30° 体位时进行斜扳手法操作有利于增加突出髓核和神经根之间的相对位移，从而缓解患者神经根的受压症状。

据此，作者设计了一种较之前可能更为合理的斜扳手法治疗策略，患者先在后伸 10° 体位时进行两三次斜扳手法治疗后，再变换体位，在前屈 30° 体位下再次完成两三次的斜扳手法治疗。这种治疗方案可能会更好地减少患者椎间盘髓核的突出风险，并可能促进突出髓核出现回纳的趋势，最大程度的增加突出髓核和神经根之间的相对位移，为患者临床治疗带来更好的疗效。

此次研究依然存在诸多局限性和不足之处，在实验中未能将前纵韧带、后纵韧带、关节突关节等结构的应力变化情况考虑进去，所以并不能完全模拟斜扳手法作用时脊柱的生物力学变化细节，此外，先实施后伸位再屈曲位操作的斜扳手法治疗方案仍需要临床大样本、长期随访病例研究结果验证其确切疗效和安全性。

结论：

①椎间盘髓核内应力在模拟斜扳手法力的作用下，应力明显减小，在后伸 10° 体位时减小最明显，有利于减小椎间盘的突出风险；髓核内前后的应力明显大于左右两侧。

②在模拟斜扳手法力的作用下，髓核内应力减小，但相应的纤维环上应力增大，在后伸 10° 体位时增大最明显，尤其是后侧应力最大。

③在模拟斜扳手法力的作用下，椎间盘后外缘与神经根之间的位移发生变化，不同体位下位移变化也不同。在前屈 30° 体位时，在斜扳手法力矩作用下，椎间盘远离神经根，可能有利于减小突出椎间盘对神经根的直接压迫；但在后伸 10° 体位下，突出椎间盘与神经根之间的位移减小，可能不利于减小突出椎间盘对神经根的压迫和刺激。

参考文献：略