倒盖金被手法在腰椎间盘生物力学中的三维有限元分析

doi:10.12307/2022.055

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (3): 340-343.doi: 10.12307/2022.055

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倒盖金被手法在腰椎间盘生物力学中的三维有限元分析

李雁婷1，2，陈剑1，2，刘梦兰1，2，任蔓蔓1，2，仲卫红1，2，陈长兴1，2

1福建中医药大学附属康复医院，福建省福州市 350003；2福建省康复技术重点实验室，福建省福州市 350003

收稿日期:2021-05-06 修回日期:2021-05-08 接受日期:2021-05-30 出版日期:2022-01-28 发布日期:2021-10-27
作者简介:李雁婷，女，1991年生，汉族，福建省福州市人，硕士，主治医师，主要从事骨关节疾病的康复研究。
基金资助:
中央引导地方科技发展专项(2018L3009)；福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JT180248)，项目负责人：李雁婷

Three-dimensional finite element analysis of Daogaijinbei manipulation on lumbar intervertebral disc biomechanics

Li Yanting1, 2, Chen Jian1, 2, Liu Menglan1, 2, Ren Manman1, 2, Zhong Weihong1, 2, Chen Changxing1, 2

1Rehabilitation Hospital Affiliated to Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350003, Fujian Province, China; 2Fujian Key Laboratory of Rehabilitation Technology, Fuzhou 350003, Fujian Province, China

Received:2021-05-06 Revised:2021-05-08 Accepted:2021-05-30 Online:2022-01-28 Published:2021-10-27
About author:Li Yanting, Master, Attending physician, Rehabilitation Hospital Affiliated to Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350003, Fujian Province, China; Fujian Key Laboratory of Rehabilitation Technology, Fuzhou 350003, Fujian Province, China
Supported by:
Central Guide to Local Science and Technology Development Project, No. 2018L3009; young and middle-aged teacher education research Project of Fujian Education Department, No. JT180248 (to LYT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
腰椎间盘突出症：是指因腰椎间盘变性、纤维环破裂和髓核组织突出刺激或压迫相应节段脊神经根或马尾神经，从而产生腰部疼痛、一侧或双侧下肢麻痛及神经功能损害的一系列临床症状和体征，是腰腿痛常见的原因之一。
有限元分析法：是将一个物体或系统分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型，在此模型上应用线性代数的方法求解复杂问题。

背景：南少林手法将武术精华运用于整骨理筋和按摩手法中，形成了独特的中国骨伤治疗技术，研究发现南少林理筋整脊手法治疗腰椎间盘突出症有显著疗效。
目的：运用三维有限元法分析倒盖金被手法作用于腰椎间盘的生物力学效应。
方法：选择一名健康青年男性志愿者，根据其CT扫描结果构建全腰椎(L1-L5)三维有限元模型。在已验证有效性的全腰椎模型上模拟加载倒盖金被手法，计算不同顶推高度下腰椎间盘的应力分布及变化情况。
结果与结论：①当L3椎体被顶推10 cm总位移后，各椎间盘平均应力最值约9.2 MPa，其中L4-5椎间盘存在部分单元的应力集中现象。②随着顶推高度的增加，各椎间盘的应力呈现近似线性增长的趋势，各椎间盘应力值范围分别为：L1-2椎间盘1.36-7.36 MPa，L2-3椎间盘1.64-7.82 MPa，L3-4椎间盘1.52-9.20 MPa，L4-5椎间盘1.25-8.71 MPa；应力分布情况为：L3-4 > L4-5 > L2-3 > L1-2。③腰椎间盘应力变化以髓核为中心向边缘递增，应力最大处为纤维环前侧。④结果表明，倒盖金被手法操作时腰椎间盘总体应力分布规律前后一致、逐渐递增，提示手法操作应循序渐进，以确保其安全性。
https://orcid.org/0000-0002-7284-1576 (李雁婷)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 倒盖金被手法, 腰椎间盘, 生物力学, 三维有限元, 腰椎模型, 脊柱过伸位, 正常腰椎, 应力

Abstract: BACKGROUND: The South Shaolin technique uses the essence of martial arts in bone and tendon and massage techniques to form a unique Chinese bone injury treatment technique. Research has found that the South Shaolin tendon and chiropractic technique has a significant effect on the treatment of lumbar disc herniation.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical effects of Daogaijinbei manipulation on the lumbar intervertebral disc by using the three-dimensional finite element method.
METHODS: A healthy young male volunteer was selected to construct a three-dimensional finite element model of the lumbar spine (L1-L5) based on the CT scan results. The stress distribution and variation of lumbar intervertebral disc under different jacking heights were calculated by simulating loading Daogaijinbei manipulation on the validated lumbar spine model.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum average stress of each lumbar intervertebral disc was about 9.2 MPa after being pushed by a total displacement of 10 cm in L3, and there was stress concentration in some units of the L4-5 intervertebral disc. (2) With the increase of the jacking height, the stress of each intervertebral disc presented an approximate linear growth trend. The stress values of each intervertebral disc were: 1.36-7.36 MPa in L1-2 intervertebral disc, 1.64-7.82 MPa in L2-3 intervertebral disc, 1.52-9.20 MPa in L3-4 intervertebral disc, and 1.25-8.71 MPa in L4-5 intervertebral disc. The stress distribution was: L3-4 > L4-5 > L2-3 > L1-2. (3) The stress variation of lumbar intervertebral disc increased from nucleus pulposus to the edge, and the maximum stress was in the anterior side of annulus fibrosus. (4) During Daogaijinbei manipulation, the overall stress distribution of the lumbar intervertebral disc is consistent and gradually increasing, which suggests that manipulation should be done little by little to ensure patients’ safety.

Key words: Daogaijinbei manipulation, lumbar intervertebral disc, biomechanics, three-dimensional finite element, lumbar model, spinal hyperextension, normal lumbar spine, stress

中图分类号:

李雁婷, 陈剑, 刘梦兰, 任蔓蔓, 仲卫红, 陈长兴. 倒盖金被手法在腰椎间盘生物力学中的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(3): 340-343.

Li Yanting, Chen Jian, Liu Menglan, Ren Manman, Zhong Weihong, Chen Changxing. Three-dimensional finite element analysis of Daogaijinbei manipulation on lumbar intervertebral disc biomechanics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(3): 340-343.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析。
1.2 时间及地点于2020年3至4月在福建中医药大学附属康复医院骨伤康复二科完成腰椎相关数据采集。
1.3 对象 1名健康男性志愿者，30岁，身高170 cm，体质量65 kg，既往身体健康，无腰部外伤手术史，经临床体格检查、腰椎X射线片及MRI检查排除腰椎疾病。告知志愿者研究相关内容，签署《知情同意书》。研究方案的实施获得福建中医药大学附属康复医院伦理委员会批准，批准号：2018KS-039-01。
1.4 方法
1.4.1 获取“倒盖金被”手法下L3椎体的位移以志愿者L3椎体为中心，行X射线扫描(日本东芝，DR机)获取“倒盖金被”手法操作前后志愿者腰椎中立位和最大过伸位的侧位片，见图1。在图1中，过L3椎体前缘中点作一垂线，测量出该点至腰部外侧缘的距离S1=11.37 cm；过臀部最高点沿人体纵轴方向作一直线，测量出L3椎体前缘与该直线的垂直距离S2=21.63 cm，根据上述结果即可得出“倒盖金被”手法下L3椎体的位移S=S2-S1=10.26 cm。

1.4.2 构建腰椎三维有限元模型志愿者取仰卧位，对其T12-S1节段进行 CT扫描(德国西门子，16排螺旋CT机)，取得383幅断层扫描二维图像，以DICOM格式保存。用Mimics
16.0软件处理DICOM文件，对扫描图像进行分割和处理，再用Geomagic Studio 2014软件对所得结果进行修补、降噪、曲面化，建立腰椎三维实体几何模型，最后使用Pro/E5.0软件对腰椎模型进行结构补充(如：韧带、椎间盘、关节突关节等)，构建出正常、完整的L1-L5全腰椎三维有限元模
型。
1.4.3 划分网格将L1-L5腰椎结构模型数据导入Hypermesh 13.0软件进行网格划分，而后在MSC.Patran/Nastran2012软件中完成有限元网格的二次处理和其他组织的网格划分，最终划分结果为：59 172个节点(nodes)， 275 652个四面体单元(Tet4 elements)；采用实体单元网格组成腰椎各椎体、椎间关节、椎间盘；关节摩擦系数定义为0.2；采用1D两节点非线性Spring弹簧单元组成各韧带；全腰椎各结构之间的网格节点协调对应，完全接触。
1.4.4 设定材料参数建立腰椎模型的各结构组织的材料属性见表1[12-15]。

1.4.5 验证模型正确性将L5椎体的下表面约束固定，来限制该椎体各方向的自由度。在L1椎体上表面垂直均匀加载400 N载荷，以模拟体质量负荷，选取腰椎旋转中心上方作为施力点，在该点施加10 N·m的运动附加力，模拟计算全腰椎在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的生物力学特性。比较各运动状态下腰椎椎体的相对活动度，结果显示与PANJABI等[16]、XIAO等[17]过往研究者的研究数据在趋势和数值上相近，说明此次模型是有效、正确的。

1.4.6 加载负荷进行力学分析腰椎占人体质量的13.9%[18]，根据模型来源者的体质量(65 kg)计算出腰椎的质量为
90.35 N，同时考虑软组织牵伸产生的压力，设定施加于L3椎体棘突的顶推力大小为100 N。结合生物力学研究经验，从定性定量分析的角度简化边界，用滑动支座约束L1椎体上表面及L5椎体下表面的对应节点，允许其在前屈后伸方向移动。在L3棘突处垂直施加顶推力，并在L3椎体前纵面上释放不等的位移边界，以保证L3椎体的位移大于L1、L5的位移，在L1椎体上表面及L5椎体下表面上施加与顶推力等效的成力与弯矩，完成顶推L3椎体10 cm总位移的变化。以2 cm作为间隔步长，模拟计算出各节段腰椎间盘在L3椎体0-10 cm位移过程中的Von Mises应力分布及变化情况。
1.5 主要观察指标 ①研究基于正确、有效的L1-L5全腰椎有限元模型，观察各节段腰椎间盘的应力值大小。②通过模型在正常曲度到脊柱过伸位的Von-Mises应力变化，比较分析腰椎各椎间盘的应力大小变化。

讨论

中国传统推拿手法在腰椎间盘突出症的治疗中应用普遍，效果显著，常用的手法主要有腰部推法、揉法、拍捶法、振法、扳法、拔伸法等[19]。研究表明，腰椎后伸状态下的拔伸手法治疗作用类似于腰椎牵引，能增宽椎间隙、降低椎间盘内压、改善椎间盘的力学平衡、改变突出椎间盘与神经根之间的位移，从而减轻神经根的机械刺激、缓解腰腿部疼痛症状[20-21]。南少林“倒盖金被”手法在操作时借助医师自身重力使患者腰椎后伸牵引，起到放松腰部紧张肌肉、增大椎间隙及解除神经根受压、缓解腰部症状的作用。长期以来，进行该手法治疗往往依赖操作医师个人经验技术，缺乏生物力学方面的理论支撑，使其在临床中不能广泛推广应用。
近年随着计算机技术的发展，应用三维有限元分析腰椎各结构的生物力学特性已成为一种科学高效的研究方法，被广泛应用[22]。三维有限元法可精确地模拟腰椎各个复杂的结构，赋予各种组织材料不同属性，模拟计算出不同工况下各结构的生物力学变化情况，具有易调整、可重复等优点。越来越多的的研究人员利用有限元分析脊柱手法作用下腰椎各组织结构的应力及应变情况。田强等[23]研究发现，提拉旋转斜扳法操作时应力集中于后侧关节突关节，椎间盘应力变化幅度不大，椎间盘应变最大处位于右外侧缘纤维环，最小处为髓核。陈忻等[24]应用三维有限元法研究坐位旋转手法时L4-5椎间盘的力学情况，结果发现手法作用时旋转对侧椎间盘位移增加，与应力增长趋势一致，有利于解除神经根粘连，缓解临床症状。
研究结果显示，椎间盘应力随着顶推高度增加逐渐增大，未出现爆发式增长情况，同时不同顶推高度下各椎间盘前后应力分布情况基本一致，提示正常的腰椎间盘具有稳定的生物力学特性。各应力云图显示，全节段椎间盘纤维环前侧应力最大、髓核处最小，由于腰椎后伸状态时椎间盘前侧所受的应力为拉应力，椎间盘后侧为压应力，考虑前侧拉应力较大可使后突的椎间盘位移发生变化，扩大椎间盘与神经根之间的空间。研究结果显示，各椎间盘应力分布为L3-4 > L4-5 > L2-3 > L1-2，提示与“倒盖金被”手法施加顶推力于L3棘突处有相关性，且下段椎间盘应力大于上段椎间盘，表明自身重力作用下下半部分椎间盘所受拉应力更大，可进一步使椎间隙增宽，减轻神经根压迫。研究显示，当L3椎体被顶推至10 cm最大位移后，椎间盘应力最值为9.2 MPa，其中L4-5椎间盘部分单元存在应力集中现象，有可能造成椎间盘受力过大而致纤维环破裂、髓核脱出，故对L4-5椎间盘突出患者进行手法治疗时需注意顶推高度的把握。
综上所述，研究利用三维有限元法分析南少林“倒盖金被”手法不同顶推高度下腰椎间盘的力学变化情况，结果显示手法操作时腰椎间盘总体应力分布规律前后一致、逐渐递增，提示手法操作应循序渐进，避免突然增加的应力造成腰椎间盘损伤。研究主要关注正常腰椎间盘的生物力学特性，后期研究会构建疾病模型来进一步分析。该文属于纯理论研究，其边界条件约束、材质属性等假设与腰椎实际受力和实验等存在一定的差异，之后的研究会考虑大量实验佐证和临床验证，为临床安全有效地应用中医腰椎手法提供理论指导。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

倒盖金被手法在腰椎间盘生物力学中的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis of Daogaijinbei manipulation on lumbar intervertebral disc biomechanics

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