2.1  有限元分析结果  经有限元计算分析，应力云图见图1。

图1分别为脊柱手法床牵引10，20，30 s时L₂-L₃、L₃-L₄椎间盘及椎小关节的应力云图，图的颜色由蓝色至红色的渐变表示应力逐渐增大。

数据汇总结果见表2。图2，3示椎间盘和椎小关节应力变化情况。

2.2  有限元分析结果的解释  由上述图表可知，当作用点在L₃棘突进行腰椎牵引时，计算分析L₂-L₃、L₃-L₄椎间关节、椎间盘等效应力值可以发现：在脊柱手法床作用于正常L₃三维有限元模型的过程当中，相邻椎间盘、椎小关节在连续0-5 cm顶推过程中，总趋势为应力随顶推高度的增加呈现直线增长。当顶推到5 cm处，维持至10，20，30 s时，由图3可见，L₂-L₃的椎间盘和椎小关节应力与L₃-L₄的椎间盘和椎小关节应力是呈递增趋势，到一定的时间后基本趋于平缓状态。具体是当持续顶推至17 s内，L₂-L₃椎间盘应力由4.60 MPa增加到5.68 MPa，L₃-L₄椎间盘应力由5.26 MPa增加到6.61 MPa，L₂-L₃椎小关节应力由7.01 MPa增加到8.67 MPa，L₃-L₄椎小关节应力由  5.22 MPa增加到6.50 MPa；在持续顶推17-24 s之间，相邻椎间盘、椎小关节应力开始缓慢下降，但是降幅不明显；在持续顶推24 s以后，相邻椎间盘、椎小关节应力基本保持不变。

以上数据表明，顶推L₃时，相邻的L₂-L₃及L₃-L₄椎间盘及椎小关节应力与顶推高度相关，并且顶推高度越大，椎间盘及椎小关节内部应力也相应增加。因此可得出相邻椎间盘及椎小关节L₂-L₃及L₃-L₄的应力随着顶推时长的增大而增大。

脊柱具有复杂的生物力学行为：保护脊髓、头部功能，维持躯干的稳定性功能，维持人体姿势功能。腰椎在整个传递躯干及上肢力量的过程中起着核心作用，承载着人体大部分应力，若腰椎某一节段的力学失衡将会引起相邻节段的力学改变，影响了整个腰椎力学功能的发挥，最终导致腰部病变。

《功夫整脊》一书记载南少林倒盖金被手法能够有效缓解腰部疾患^[1]，如腰肌劳损、腰椎间盘突出症等，该手法需施术二者结合共同完成，患者于坐位环胸屈膝位，术者双手扣住患者双前臂，双膝顶于患者腰部，术者后仰顺势带动患者后仰，双膝支撑患者腰部。因其动作的复杂性，需扎实的技巧及丰富的经验，一定程度上限制了其在临床中的推广与应用。

腰椎作为整个躯干的核心，在维持脊柱的稳定方面发挥着重要的作用。鉴于腰椎相邻节段疾病的重要性，近年来研究腰椎相邻节段的生物力学特别是术后对相邻腰椎节段的力学影响成为研究热点^[2-5]，但对腰椎牵伸时相邻节段的生物力学效应及随着牵伸时长的生物力学的变化相对有较少的研究。随着现代计算机及医学影像学的发展，有限元分析技术广泛应用于医学，本课题利用脊柱手法床气柱叠加结构进行模拟倒盖金被手法进行牵伸^[6-12]，并通过有限元分析可计算出在顶推L₃棘突时，持续至不同的牵引时间相邻腰椎节段的椎间盘及椎小关节的应力和变化。

此次研究基于腰椎CT数据建立了全腰椎三维有限元模型，采用有限元方法分析了腰椎在不同牵伸时长对相邻腰椎节段应力大小及分布情况，以期为临床脊柱手法床的腰椎牵引提供更好的牵引处方理论依据。

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

1.1  设计  有限元分析。

1.2  时间及地点  2017至2018年于福建中医药大学附属康复医院进行资料采集。

1.3  对象  1名健康成年男性受试者，26岁，汉族，身高174 cm，体质量60 kg。受试者既往体健，排除腰椎结构性损伤后，无腰部外伤及手术史，告知实验内容，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的批准，批准号：2016XJS-001-01。

1.4  方法

1.4.1  获取L₃椎体位移参数  使用福建省康复医院医学影像科DR摄片机(日本东芝)分别拍摄倒盖金被手法作用前后的腰椎侧位片，之后借助影像科读片系统，读取手法作用前后L₃椎体在矢状面上的位移变化数值。

具体方法为：在冠状面上作一连接L₃椎体前缘中点的垂线，将手法作用前的垂线定义为d₁，将手法作用后的垂线定义为d₂，d₁长度为11.37 cm，d₂长度为21.63 cm，则L₃椎体在矢状位上发生的位移值定义为d，其公式为：d=d₂-d₁，21.63-11.37≈10.3 cm，故L₃椎体在矢状位上的位移介于0-10.3 cm之间。

1.4.2  顶推高度参数的确定  KERIN等^[13]发现关节软骨表层开始骨折的应力范围为14-59 MPa，平均为35.7 MPa。前期研究结果显示^[14]，将L₃椎体顶推0-10 cm的范围内，腰椎各节段椎小关节的应力变化范围介于1.36-31.30 MPa，为避免关节软骨破坏故选择在椎小关节应力接近14 MPa的高度上进行研究，顶推高度在5 cm处较为符合，故选择5 cm作为顶推高度进行研究。

1.4.3  作用时长的选择  运用倒盖金被手法提起受试者的时长约为2.5 s，由于顶推高度不超过5 cm，约为最大顶推高度的1/2，故由0-5 cm的时长约为1.25 s。该手法需在一定高度下维持一定作用时长，综合考虑受试者耐受程度及术者体力问题，该手法操作维持时长不超过30 s，故选取10 s，20 s，30 s 3种顶推作用时长进行观察。

1.4.4  建立正常腰椎三维有限元模型  使用德国西门子16排螺旋CT机扫描受试者T₁₂-S₁节段，获得有效层厚    0.75 mm，矩阵512×512的383张图像，并以DICOM格式保存导入Mimics 16.0软件，修补空洞、消除噪点、去除伪影，建成全腰椎几何模型，以STL格式文件保存，然后将STL格式文件导入逆向工程软件(Geomagic Studio 2014)中，进行模型实体化处理，借助Hypermesh 13.0软件，将以STEP文件格式保存的L₁-L₅腰椎结构模型导入软件中，对腰椎整体几何模型进行网格划分，接着通过Geomagic Studio 2014 (Raindrop公司，美国)完成修补并加入椎间盘结构，经Pro/E5.0的组装，建成全腰椎各结构的三维有限元模型。

1.4.5  网格划分  研究建立的L₁-L₅正常人体腰椎有限元模型共计59 323个节点(nodes)，275 761个四面体单元(Tet4 elements)；腰椎各椎体、各椎小关节、各椎间盘均采用实体单元网格；关节摩擦系数定义为0.2；各韧带采用两节点非线性弹簧单元(1D Spring)。

1.4.6  设置材料参数及载荷加载  MSC.Patran 2014中设置材料参数见表1^[15-18]，L₁椎体上表面垂直加载载荷400 N，并约束固定L₅椎体下表面，限制该椎体各个方向的自由度，然后于L₁椎体上表面施加10 N•m的扭矩，模拟腰椎前屈、后伸、左右侧弯及左右旋转等6种不同的工况，对比各工况下腰椎间相对活动度ROM值，结果表明与YAMAMOTO等^[19]、PANJABI等^[20]，XIAO等^[21]体外实验及理论研究数据一致。

1.5  主要观察指标  获取L₃椎体的位移参数后，确定手法作用于L₃椎体的顶推高度及其作用时长，观察相邻腰椎节段的椎间盘及椎小关节的应力和变化。

根据受试者身高174 cm、体质量60 kg，腰椎约占人体体质量的13.9%^[22]，折算后该受试者腰椎质量为    8.34 kg，即83.4 N，同时考虑一些软组织产生的压力，参考以往手法的研究，手法作用于腰部最大压力为97 N^[23]，为方便计算故假定L₃顶推力大小为100 N，顶推高度设定为5 cm，1.25 s后达到顶推高度，在5 cm高度上维持至10，20，30 s进行不同顶推作用时长的模拟，对比相邻腰各椎间盘、椎小关节表面的等效应力Von Mises峰值。

此次研究分析了腰椎在脊柱手法床牵引不同时长下相邻腰椎小关节、椎间盘的应力大小及变化情况。根据以上应力云图的结果显示顶推L₃时，相邻上下即L₂-L₃、L₃-L₄的腰椎小关节及腰椎间盘的应力值随着牵伸时长的增加，其应力值也会更大，研究结果提示脊柱手法床作用于腰椎时对相邻腰椎节段不会造成相应的损伤，且对于脊柱手法床的使用，其大致的作用时长应在25-30 s之间。       

脊柱手法床源于福建中医药大学“2011协同创新项目”，该手法床是将南少林骨伤科整脊手法，以及将传统医学通督理论及现代牵伸理论应用的现代机械设备的思路相结合，更进一步的促进手法向规范化、自动化的方向发展。借助智能调控高压缓冲气室对气柱速率和频率的调节及气阀门控制系统对气体的充放，可以模拟㨰动、弹拨、牵伸等多种手法操作。利用脊柱手法床气柱叠加结构进行牵伸可以很好的掌控牵引时间，通过有限元分析的方式，能够详细计算出相邻腰椎节段的应力，为临床上更安全有效地运用脊柱手法床提供处方依据，进一步完善了脊柱手法床在临床的使用价值和推广意义。

3.1  不同牵伸时长对相邻椎间盘的关系  人体内所承受的力包括2种，有静力状态下的组织间压力，动态下的屈伸、旋转活动时所产生的牵张力、剪切力及压力^[24]。研究认为椎间盘在承受由剪切和扭转力产生的高压载荷方面起着重要作用^[25]。由于腰椎间盘的解剖结构，因此更易承受整个身体质量的压迫作用，对于经常进行动态的屈曲、扭转、后伸等活动所产生的重力，一旦超过椎间盘的承重范围，则会出现较大的挤压和磨损。多种综合原因的作用下，一旦腰椎受到外部的因素影响时，如不经意的负重或强有力的外伤冲击等就很容易造成髓核的突出，进而引起腰椎的病变^[26-28]。

从此次研究的结果来看，随着顶推时间的增长，相邻腰椎间盘的应力总体趋势为：L₃-L₄> L₂-L₃，应力云图显示，L₂-L₃与L₃-L₄应力较边缘2个节段大，这说明是与作用点位于L₃棘突是有一定的相关性；L₃-L₄较L₂-L₃应力大是由于在重力作用下，下半身所提供的拉应力较上半身大的缘故；由于椎间盘前缘受到的应力为拉应力，椎间盘后缘受到的应力为压应力，L₃-L₄、L₂-L₃椎间盘前侧应力大于后侧，且通过观察各椎间盘应力云图可见，髓核位置的应力随顶推高度增大而减少，使椎间盘内部有产生负压的可能性；因椎间盘所受的拉应力总体大于压应力，这有利于增大椎间隙，且在0-17 s阶段，椎间盘所受拉应力进一步增加，说明该间隙有一定的增大趋势。

3.2  不同牵伸时长对相邻椎小关节的影响  研究显示，椎小关节退变尤其是40岁以上的人群普遍存在^[28]，目前认为10%-40%腰痛来源于椎小关节^[29]，且其退变的趋势是随着年龄的增长而呈加速的发展，并且与此关节退变是继发于椎间盘^[30]，二者既相互联系又互有一定的区别。当椎小关节处于长期反复的高应力状态下，则会导致椎小关节的生物力学发生一定的改变，一旦椎小关节发生改变，相应的椎间盘也发生变化，最终将影响到整个腰椎的稳定性，因此出现腰部相应的病变与问题。由于椎小关节的脆弱性，腰椎轴向旋转大于2°-3°时，可对椎小关节产生一定的破坏作用^[31]，造成相应的损伤。因此在运用手法治疗时，须注意合理适度的力道，即力度宜轻巧，勿用暴力而造成二次损伤。此次研究应力云图显示，椎小关节总体应力变化趋势与椎间盘一致，但椎小关节应力大小随作用时长变化有所不同，各椎小关节随着顶推高度增加而增大，因而顶推高度与椎小关节应力变化高度相关；1.25-17 s之间椎小关节应力持续增加；在随后的17-24 s内应力有所回落，考虑在顶推的作用下，关节囊与韧带在作用力的持续作用下发生了一定的应力松弛，使相邻椎小关节的关节间隙增大，减小了其内在的应力大小。以L₂-L₃椎小关节为例分析该关节应力及位移趋势，L₂-L₃椎小关节中，L₃的上关节突所受作用力合力与顶推方向一致，该作用力有助于关节突产生向前的滑动，而L₂下关节突与L₃上关节突有产生一定的应力差值，这可能是由于受到上位关节的拉应力，其所受合力方向与上部腰椎的长轴呈一致性，故可一定程度上可以增大椎小关节间隙，有利于嵌顿的滑膜回纳，从而改善椎小关节面对位情况，接触椎小关节的应力异常，重塑腰椎稳定性，同理可得该手法对L₃-L₄椎小关节的作用。由于椎小关节受到的应力大小不同，而应力大小与疗效相关，因而该手法疗效L₂-L₃优于L₃-L₄。

综上所述，此次研究利用有限元分析方法分析不同时长腰椎牵引条件下相邻节段的应力值，结果显示腰椎过伸牵引时，腰椎椎小关节、椎间盘的应力值处于正常范围内，且未发现腰椎结构有破坏趋势。腰椎间盘的应力云图显示，不同时长的腰椎牵引对临床腰椎牵引处方具有重要指导意义。但由于临床个体差异及腰椎椎管的解剖结构的特殊性，后伸位时椎管管腔会变小，因此牵引患有椎间孔狭窄患者需要明确诊断并注意牵伸时长及强度。

研究的不足：未考虑腰椎附近肌肉模型的构建，仅从骨性结构、韧带等方面考虑通过有限元技术还原人体的复杂结构进行研究，后期的研究会进一步的增加软组织构建的思路继续研究；另外研究仅纳入1名健康成年男子，针对样本量单一、性别、年龄等不足，之后的研究将会考虑更多的因素进行研究。

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

文题释义：

脊柱手法床：该手法床是模拟南少林骨伤科整脊手法，将传统医学通督脉理论与现代牵伸理论相结合的一种机械设备。具体操作是借助智能调控高压缓冲气室对气柱速率和频率的调节及气阀门控制系统对气体的充放，可以模拟㨰动、弹拨、牵伸等多种手法，有利于促进手法的规范化、自动化发展。

腰椎三维有限元分析：腰椎三维有限元模型的建立是通过CT、MRI 等途径获取腰椎的影像学资料，使用MIMICS、GEOMAGIC STUDIO 以及HYPERMESH等相关的软件对图像进行处理并建立三维有限元模型。随着科学技术的不断发展，腰椎有限元模型的建立在一定程度上完善了腰椎间盘、椎体间小关节、连接韧带、关节囊等软组织以及周围肌肉等结构的模型建立。

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南少林倒盖金被手法能够有效缓解腰部疾患，如腰肌劳损、腰椎间盘突出症等，该手法需施术二者结合共同完成，患者于坐位环胸屈膝位，术者双手扣住患者双前臂，双膝顶于患者腰部，术者后仰顺势带动患者后仰，双膝支撑患者腰部。因其动作的复杂性，需扎实的技巧及丰富的经验，一定程度上限制了其在临床中的推广与应用。

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