斜扳手法治疗腰椎小关节滑膜嵌顿的有限元分析

doi:10.12307/2023.619

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (27): 4271-4276.doi: 10.12307/2023.619

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

斜扳手法治疗腰椎小关节滑膜嵌顿的有限元分析

卢钰1，2，向俊宜1，2，尹本敬1，2，保超宇 1，2，毕衡1，2，李骥征1，2，陈帅1，2，何光雄 1，2，李具宝1，2

1云南省中医医院，云南省昆明市 650500；2云南中医药大学，云南省昆明市 650500

收稿日期:2022-06-28 接受日期:2022-08-08 出版日期:2023-09-28 发布日期:2022-11-07
通讯作者: 李具宝，博士，副主任医师，云南省中医医院，云南省昆明市 650500；云南中医药大学，云南省昆明市 650500
作者简介:卢钰，男，1989年生，云南省永善县人，汉族，2019年昆明医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81860862，81460736)，项目负责人：李具宝；云南省应用基础研究计划面上项目(2011FB146)，项目负责人：李具宝；云南省中青年学术和技术带头人后备人才(云科人发[2019]7号)，项目负责人：李具宝；云南省高层次中医药人才学科带头人及云南省卫生科技计划项目(2017NS161)，项目负责人：李具宝；云南省科技厅—云南中医学院应用基础研究联合专项青年项目(11372110236)，项目负责人：卢钰

Finite element analysis of oblique-pulling manipulation in the treatment of lumbar synovial incarceration

Lu Yu1, 2, Xiang Junyi1, 2, Yin Benjing1, 2, Bao Chaoyu1, 2, Bi Heng1, 2, Li Jizheng1, 2, Chen Shuai1, 2, He Guangxiong1, 2, Li Jubao1, 2

1Yunnan Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Kunming 650500, Yunnan Province, China; 2Yunnan University of Chinese Medicine, Kunming 650500, Yunnan Province, China

Received:2022-06-28 Accepted:2022-08-08 Online:2023-09-28 Published:2022-11-07
Contact: Li Jubao, MD, Associate chief physician, Yunnan Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Kunming 650500, Yunnan Province, China; Yunnan University of Chinese Medicine, Kunming 650500, Yunnan Province, China
About author:Lu Yu, Master, Attending physician, Yunnan Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Kunming 650500, Yunnan Province, China; Yunnan University of Chinese Medicine, Kunming 650500, Yunnan Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 81860862, 81460736 (to LJB); Yunnan Province Applied Basic Research Program (General Project), No. 2011FB146 (to LJB); Young and Middle-Aged Academic and Technical Leaders in Yunnan Province Person Reserve Talent, No. [2019]7 (to LJB); Yunnan Provincial High-level Chinese Medicine Talent Discipline Leader and Yunnan Provincial Health Science and Technology Plan Project, No. 2017NS161 (to LJB); Yunnan Provincial Department of Science and Technology-Yunnan College of Traditional Chinese Medicine Applied Basic Research Joint Special Youth Project, No. 11372110236 (to LY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

斜扳手法：患者取侧卧位，患侧在上，患侧下肢呈屈髋屈膝体位，并且使健侧下肢保持伸直，术者正对患者，一手掌按住其肩前部，另一手用肘部(或手掌)抵住其臀部，然后双手协同用力，作相反方向上的缓慢推动，使其腰椎被动扭动，当旋转到最大限度时，再做一个稍增大幅度的突发性扳动，一般此时可听到“喀嗒”的弹响声，表示手法成功。
有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。将复杂问题分解为简单而又相互作用的因素，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。

背景：斜扳手法对于腰椎关节滑膜嵌顿的疗效可靠，已被临床广泛应用，但是斜扳手法治疗腰椎关节滑膜嵌顿的相关研究还比较欠缺。
目的：利用三维有限元法分析斜扳手法治疗腰椎关节滑膜嵌顿的生物力学作用机制，为斜扳手法治疗腰椎关节滑膜嵌顿提供理论依据。
方法：采集腰椎关节滑膜嵌顿患者的腰椎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。模拟临床左侧卧位斜扳手法的操作过程，分析斜扳手法对腰椎L4-5节段各组织结构生物力学、形态变化以及小关节接触面积的影响。
结果与结论：①建立了腰椎L4-5节段三维有限元模型，并验证了模型的有效性；②在施加斜扳手法前后，左侧小关节软骨应力从2.959 MPa增加到14.35 MPa，应变从0.078 34增加到0.345 1，关节软骨接触面积从20.806 2 mm2增加到94.872 7 mm2；而右侧小关节软骨应力从3.127 MPa
减小到0 MPa，应变从0.081 96减小到0，关节软骨接触面从16.705 3 mm2减小到右侧0 mm2；③提示斜扳手法对于腰椎滑膜嵌顿患者具有良好的疗效，其可以改变关节突关节的应力、应变、上下关节突的接触面积，充分松解、打开关节突关节，达到复位关节突关节、解除滑膜嵌顿的治疗目的。

https://orcid.org/0000-0002-3741-5643 (卢钰)

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: 腰椎小关节, 三维有限元, 滑膜嵌顿, 斜扳手法, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Oblique-pulling manipulation has a reliable curative effect on lumbar synovial incarceration, and it has been widely used in the clinic. However, the related research on the treatment of lumbar synovial incarceration by oblique-pulling manipulation is still relatively lacking.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical mechanism and effect of oblique-pulling manipulation in the treatment of lumbar synovial incarceration by three-dimensional finite element method, and provide theoretical basis for the treatment of lumbar synovial incarceration by oblique-pulling manipulation.
METHODS: The CT data of patients with lumbar synovial incarceration were collected, and the three-dimensional finite element model of L4-5 motor unit of spine was established by using Mimics and Ansys software. The operation process of the oblique-pulling manipulation in the left lateral position was simulated, and the influence of the oblique-pulling manipulation on the biomechanics, morphological changes and facet joint contact area of each tissue structure of L4-5 segment of lumbar spine was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) A three-dimensional finite element model of lumbar L4-5 segment was established, and the validity of the model was verified. (2) Before and after the oblique-pulling manipulation was applied, the stress of left facet joint cartilage increased from 2.959 MPa to 14.35 MPa; the strain increased from 0.078 34 to 0.345 1, and the contact area of articular cartilage increased from 20.806 2 mm2 to 94.872 7 mm2. On the other hand, the stress of the right facet joint cartilage decreased from 3.127 MPa to 0 MPa; the strain decreased from 0.081 96 to 0, and the articular cartilage contact surface decreased from 16.705 3 mm2 to 0 mm2 on the right. (3) It is concluded that oblique-pulling manipulation has a good effect on patients with lumbar synovial incarceration. It can change the stress and strain of the articular process and the contact area of the upper and lower articular processes, fully release and open the articular process, and achieve the therapeutic purpose of reducing the articular process and relieving the synovial incarceration.

Key words: lumbar facet joint, three-dimensional finite element, synovial incarceration, oblique-pulling manipulation, biomechanics

中图分类号:

卢钰, 向俊宜, 尹本敬, 保超宇, 毕衡, 李骥征, 陈帅, 何光雄, 李具宝. 斜扳手法治疗腰椎小关节滑膜嵌顿的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(27): 4271-4276.

Lu Yu, Xiang Junyi, Yin Benjing, Bao Chaoyu, Bi Heng, Li Jizheng, Chen Shuai, He Guangxiong, Li Jubao. Finite element analysis of oblique-pulling manipulation in the treatment of lumbar synovial incarceration[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(27): 4271-4276.

图/表（结果） 9

2.1 L4-5有限元模型建立获得的L4-5模型有265 402个节点，178 708个单元，高度还原了L4-5节段结构。
2.2 L4-5有限元模型验证将建立的L4-5节段模型在加载条件下的活动范围与既往研究相对比，见表3，可以看出，所建立的模型活动范围与既往研究结果基本相同，因而，此次研究中建立的L4-5节段模型有效。

2.3 斜扳手法对腰椎L4-5节段各组织结构的生物力学影响从应力云图可见，在模拟重力进行加载、未施加斜扳手法时，L4椎体的上终板受到的应力最大，其次为L5的下终板；而在施加斜扳手法时，椎体应力的分布会在左侧明显增加(图1)。从脊柱后部结构(去除了部分后方附件)的应力情况来看，未施加手法时，应力主要集中在峡部及关节突位置，双侧应力大小基本一致；而在施加斜扳手法时，后方结构的应力明显集中于左侧，右侧的应力会明显减小，后方结构的应变情况与应力结果相似(图2，3)；小关节软骨情况，未施加斜扳手法时，左侧小关节软骨应力值大小为2.959 MPa，右侧为3.127 MPa；而施加斜扳手法后，左侧小关节软骨应力值大小为14.35 MPa，右侧为0 MPa(图4)，在观察应变情况时，可以得出与应力类似的结果，在未施加斜扳手法时，左侧小关节软骨应变值大小为0.078 34，右侧为0.081 96，两侧应变基本一致；而在施加斜扳手法时，左侧小关节软骨的应变会明显增大，而右侧减小，其中左侧小关节软骨应变值大小为0.345 1，而右侧为0(图5)。上下关节突的关键软骨接触面积也与其应力和应变趋势一致，在未施加斜扳手法时左侧小关节软骨接触面积为20.806 2 mm2，右侧为16.705 3 mm2；在施加斜扳手法时，左侧小关节软骨接触面积为94.872 7 mm2，右侧0 mm2。见表4-6。

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引言

腰背部疼痛在在临床上十分常见，据报道，其患病率可达70%-85%，其中10%-20%的患者会转化为慢性腰背部疼痛，长时间被该疾病困扰[1]。有文献认为，15%-52%的腰背痛患者是由于小关节引起的[2]，而小关节囊在其中扮演了重要角色[3]。当体位忽然改变或腰部受到外力时，部分患者由于小关节间隙张开过度，关节内压力不均，将小关节囊吸入关节腔内，在关节回归正常位置时造成小关节囊的嵌顿[4]，从而引发疼痛和肌肉痉挛，造成局部充血肿胀，产生无菌性炎症[5]，严重者甚至出现滑膜坏死。急性腰椎关节滑膜嵌顿如果没有得到及时妥善治疗，常常会慢性化，发生小关节炎症和退变[6]，影响腰椎关节突关节的稳定性，加速腰椎间盘的退变，导致滑脱、椎管狭窄等疾病的发生。
腰椎关节滑膜嵌顿症在中医属于“筋出槽，骨错缝”范畴，中医学使用旋转复位手法打开、松解关节突关节，解除滑膜的嵌顿[7]，从而达到治疗效果。其中斜扳手法在该病的治疗中使用最为广泛，能及时有效地复位关节突关节的错位，解除滑膜嵌顿，治疗效果确切、操作简便、起效快、价格低、得到广大患者和临床工作者的高度认可[8-9]。目前采用三维有限元的方法对斜扳手法进行的研究有较多方向，包括其力学机制、对脊柱生物力学的影响、对椎间盘突出患者的治疗效果等[10-11]，都取得了一定成果，斜扳手法治疗腰椎滑膜嵌顿的治疗效果已有相关报道，但是其力学机制研究还比较欠缺。此文建立了L4-5节段腰椎滑膜嵌顿患者的三维有限元模型，并对模型加载斜扳手法，通过有限元法分析斜扳手法治疗腰椎滑膜嵌顿的生物力学机制和疗效，为斜扳手法治疗腰椎滑膜嵌顿症提供理论依据。
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

材料方法

1.1 设计单样本有限元分析，计算机模拟实验。
1.2 时间及地点实验于2016年4月至2020年8月在云南省中医医院完成。
1.3 对象选择2017年6月云南中医药大学第一附属医院收治的一位女性L4-5节段滑膜嵌顿症患者，年龄32岁，身高168 cm，体质量63 kg，患者弯腰搬重物后导致腰背部疼痛3 h余，查体：L4-5节段棘突及周围压痛，腰部活动受限，活动时疼痛明显加重，双下肢肌力、感觉无异常。X射线片检查未见明显异常。既往无脊柱手术史、无脊柱创伤病史，X射线片检查排除脊柱感染、脊柱肿瘤等相关疾病，临床诊断：L4-5腰椎滑膜嵌顿，患者知情同意并签字，研究已通过云南省中医医院伦理委员会批准。
1.4 材料用64排CT(Siemens公司，德国)对患者腰椎进行扫描，扫描厚度0.3 mm，扫描电压120 kV，电流205.5 mA，扫描矩阵512×512，获得轴位断层图像376层，用DICOM格式保存图片。
试验设备：计算机硬件Intel(R)Core(TM)i9-9900CPU 3.6 GHz，64 G内存， Win10 64位系统；医学图像处理软件Mimics 20.0(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 建立L4-5三维有限元模型把患者腰椎CT图像导入Mimics 20.0软件中，格式为DICOM，使用阈值分割、区域生长等功能获得L4-5初步模型，对其进行进一步处理，使其接近真实椎体，将模型从Mimics 20.0软件导出，输入Geomagic Studio软件，进一步对模型进行处理，经过点云阶段、多边形阶段、曲面生成阶段后生成椎体和椎间盘几何实体。然后将L4-5节段模型导入Solidwords 2014中进行组装。在L4-5椎体轮廓的基础上进一步完成脊柱各个附属结构的建模，根据文献，皮质骨厚度0.4 mm，终板厚度0.25 mm[12]。椎间盘全部体积的43%为髓核。模型的韧带包括前、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、关节囊等，根据韧带的受力特性，韧带定义为只承受拉力不承受压力和剪切力，每种韧带的横截面积取自文献[13]，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[14]。将以上模型导入Ansys Workbench 14.5软件，进行装配、材料属性赋予等处理，材料所赋予的属性见表1，2[15-16]。

1.5.2 腰椎L4-5三维有限元模型有效性验证对模型添加边界条件与约束，固定L5椎体下表面，添加关节囊与椎体间的摩擦系数为0.1，对L4上表面施加500 N垂直压力模拟重力，然后施加6 N·m扭矩，模拟L4-5节段屈伸、旋转、侧倾基本运动，获得的数据与文献数据结果对比[17-18]，以验证模型的有效性。
1.5.3 边界及载荷条件未施加手法时，模拟加载40%体质量的重力；侧卧位下斜扳手法的模拟，模型处于左侧卧位，根据文献[19]对模型进行力学加载，于L4上缘右侧加载246 N向后的推扳力，于L5下缘右侧加载266 N向前的推扳力，以此来模拟临床斜扳手法的操作过程。
1.6 主要观察指标腰椎斜扳手法过程中L4-5节段各个组织结构的生物力学、形态变化，腰椎小关节接触面积的变化。

讨论

腰椎滑膜嵌顿症发病率较高，患者会出现剧烈的腰背部疼痛，严重影响患者的腰部活动和生活，给患者带来巨大困扰，如果治疗不及时，可能导致疾病慢性化，加速脊柱退变性疾病的发生，最终甚至需要手术治疗[20-21]。因此，腰椎滑膜嵌顿症及相关疾病在临床上越来越被重视，也出现了许多的治疗方案，西医既往常用局部注射的方式[22]，现在随着微创手术技术的进步，根据腰椎关节囊受到脊神经后支内、外侧支的双重支配[23]，可以采用经皮射频小关节囊去神经化[24]、内镜下小关节囊去神经化[25]、内镜下小关节囊部分切除等手术方式[26]，可在不影响关节突关节稳定性的前提下，完成对腰椎小关节突相关疾病的治疗，取得了良好疗效。
但是上述治疗手段都是有创性的，除了局部注射药物之外，其他治疗方案也不太适用于初次发生腰椎滑膜嵌顿症的患者，常常是作为慢性小关节综合征的治疗方法[27]，对于治疗初次发生的腰椎滑膜嵌顿症，中医的斜扳手法有着独特的优势，能简单、快速地解除滑膜嵌顿，纠正错位的小关节，缓解患者腰痛症状，减少远期并发症的发生率[28]，在临床上应用广泛，疗效显著。由于斜扳手法施力的复杂方式和脊柱复杂的结构，导致斜扳手法在作用于脊柱后产生了十分复杂的力学效应，传统的研究方法效果欠佳，三维有限元方法使用离散化的办法将弹性物体离散为有限的体单元，在脊柱生物力学研究中具有较高适用性[29]，是目前在脊柱生物力学方面采用较多的研究方法[30-32]。李民等[33]建立了L1-L5的腰椎有限元模型，模拟正常生理曲度、过伸、过屈3种体位下的腰椎牵引，以探索不同体位下腰椎牵引对腰椎各个椎体的力学效应，发现相对于正常生理曲度，腰椎在过伸位牵引时能更有效地减少椎间盘等组织的压力，并且具备安全性。王辉昊等[11]通过建立颈椎三维有限元模型，并分别模拟定位与非定位旋转手法，发现相比非定位旋转手法，定位旋转手法具有更直接的力学作用及更高的安全性。这些研究说明，三维有限元的方法能有效、准确地分析中医手法的生物力学效应，实用价值较高，并且能对既往的手法进一步探索和改进，达到更好的临床疗效并提高其安全性。
斜扳手法通过近端和远端两个相反方向的力，使脊柱上下两端沿脊柱纵轴进行反向旋转，在这个过程中，椎体、椎间盘、韧带、关节突关节都会因为力学的变化产生应力、应变、位移等变化，而小关节作为脊柱的微动关节，与脊柱运动息息相关[34]，在斜扳手法的中心点附近会产生较为明显的应力、应变变化。因此，斜扳手法在临床上治疗腰椎滑膜嵌顿能取得良好疗效，但是针对其治疗机制和力学效应的研究还十分欠缺，此文对此进行了深入分析，结果显示：①在未施加斜扳手法时，脊柱后部结构的应力主要在峡部和关节突，左侧小关节软骨应力值大小为2.959 MPa，右侧为3.127 MPa，双侧应力大小相差不大；左侧小关节软骨应变值大小为
0.078 34，右侧为0.081 96，两侧应变基本一致；左侧小关节软骨接触面积为20.806 2 mm2，右侧为16.705 3 mm2，接触面积也比较相似。②而在施加斜扳手法后，左侧小关节的应力会从2.959 MPa增加至14.35 MPa，而右侧小关节的应力会从3.124 MPa减小至0 MPa；左侧的小关节应变也会出现类似的情况，从0.078 34增加至0.345 1，而右侧小关节的应变会从0.081 96减小至0；小关节软骨接触面积的变化也呈同样趋势，左侧从20.806 2 mm2增加至94.872 7 mm2，右侧从16.705 3 mm2减少至0 mm2。通过以上数据可以看出，在施加斜扳手法时，一侧的关节突应力和应变都会显著增加，并且其上下关节突的接触面积会显著增大，而另一侧则出现相反变化，说明在施加斜扳手法时，关节突关节能被完全打开，实现关节突关节的充分松解和复位，并且同时有助于接触关节滑膜的嵌顿。
通过以上研究可以发现，在一侧关节突关节被打开的同时，另一侧的关节突关节会咬合更紧，在临床中，由于疼痛范围较大，缺乏准确的定位点，腰椎滑膜嵌顿的患者往往不能准确定位其病变的位置，并不能准确判断患者症状来源于左侧或者右侧[35]，所以在实施斜扳手法时，最好能在左侧卧位和右侧卧位两个体位采用相同的手法各施术一次，这样才能保证双侧的关节突关节都达到松解、复位的目的，避免因定位不准确出现治疗效果欠佳甚至加重病情的情况[36]。
综上所述，斜扳手法对腰椎滑膜嵌顿患者具有良好的临床疗效，其通过相反方向的作用力导致脊柱近端和远端产生相反方向的旋转，从而改变关节突关节的应力、应变、上下关节突的接触面积，充分松解、打开关节突关节，达到复位关节突关节、解除滑膜嵌顿的治疗目的，此次有限元研究进一步阐释了其力学机制和治疗机制，证实了斜扳手法治疗腰椎滑膜嵌顿的科学性和有效性。
此研究还有局限性和不足之处：受限于目前三维有限元建模技术，实验中不能建立关节滑膜和关节囊模型，不能直观地观测到手法治疗前后关节滑膜和关节囊的变化情况，只能通过关节面软骨的应力、应变、接触面积间接推测关节滑膜和关节囊的变化情况；其次，实验中不能建立某些软组织模型，因此模型建立和实验结果与实际临床效果具有一定差异性。在未来的研究中，可以利用一些新的建模技术[37-44]，建立更加真实的模型，使研究结果更加真实和可靠。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

斜扳手法治疗腰椎小关节滑膜嵌顿的有限元分析

Finite element analysis of oblique-pulling manipulation in the treatment of lumbar synovial incarceration

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