2.1  模型验证结果  对比不同工况下各椎间相对活动度ROM值(表2)，并与以往研究者YAMAMOTO、XIAO等^[21-22]在相同条件下体外实验及理论研究数据进行比较。

2.2  椎体在正常生理曲度下、屈曲位及过伸位下牵引的应力  经有限元计算分析，以下为整个腰椎、椎间关节、椎间盘、前纵韧带及各椎体在正常生理曲度下、屈曲位和过伸位下牵引的应力云图。

2.2.1  腰椎正常生理曲度下牵引的应力云图  见图3。

2.2.2  腰椎屈曲位下牵引的应力云图  见图4。

2.2.3  腰椎过伸位牵引的应力云图  见图5。

2.3  数据汇总对比分析  见表3-5。

由上述图表可知，当L₁-L₅在正常生理曲度、屈曲位及最大过伸位下进行腰椎牵引时，计算分析腰椎各椎体、椎间关节、椎间盘、韧带的等效应力值可以发现：在正常生理曲度牵引腰椎时，腰椎各个结构的应力值远远大于过伸位牵引的应力值。L₃的椎体应力值达到最大，是过伸位牵引应力值的4倍，L₂-L₃的椎间关节及椎间盘的应力值在腰椎各个节段是最大的。在正常曲度牵引腰椎时，L₁-L₅椎体之间的应力值范围是42.6 -117.00 MPa，L₁-L₅各椎间关节应力范围是37.30-71.20 MPa；在屈曲位牵引时，L₁-L₅椎体之间的应力值范围是6.58-19.30 MPa，L₁-L₅各椎椎间盘的应力范围是48.30-67.60 MPa；在过伸位牵引腰椎时，L₁-L₅椎体之间的应力值范围6.79-25.90 MPa，L₁-L₅各椎间关节、椎间盘的应力范围是1.36-61.90 MPa。

各种状态的活动度是：模拟腰椎前屈、后伸，左右侧弯，左右旋转6种工况活动度见表1。前纵韧带应力值正常曲度是2.47 MPa，过伸位是21.20MPa。腰椎各节段及对应的结构在过伸位牵引都较正常曲度的最大应力值较小，屈曲位的应力值在正常及过伸位牵引下应力值之间，但是前纵韧带的最大应力值在过伸位牵引时较正常曲度的应力值大。   

脊柱负责传递躯干上部力量到人体的腰骶部，腰椎处于整个传递过程的核心，承载着人体大部分应力，维持腰椎正常生理曲度对整个腰椎力学功能的发挥具有重要作用。研究认为腰椎生理性前凸可减少腰椎间盘压力负荷，而对腰椎起保护效应^[1-2]。鉴于腰椎的复杂结构及现代影像学的发展，近年来利用有限元分析方法研究腰椎的生物力学成为研究热点^[3-9]。目前国内外进行腰椎牵引大多采用传统牵引设备行水平牵引腰椎间盘，此种牵引方式可减少对神经根的刺激，减小椎间盘压力^[10-12]。但这种传统牵引方式因无法掌控牵引力及牵引时间，若牵引力过大或时间过长，腰椎可能因其曲度超过正常生理曲度而导致力学环境失衡。传统牵引以脊柱纵上下两个方向为主，与之不同的是脊柱手法床顶推施加脊柱相垂直方向的力。利用脊柱手法床气柱叠加结构进行牵伸并通过有限元分析可计算出在不同腰椎生理曲度下的应力^[13-19]、牵引力及牵引时间，因此更能以恰当的腰椎曲度进行牵引。

因此，作者认为在腰椎生理性前凸、屈曲位及在过伸位进行牵引时，应用脊柱手法床可获得更好的临床疗效，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生理曲度时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理论依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

1.1  设计  三维有限元分析试验。

1.2   时间及地点  于2019年6月在福建中医药大学附属康复医院骨伤康复二科完成。

1.3   对象  选取1名健康男性志愿者，26岁，身高174 cm，体质量60 kg。既往体健，经X射线、MRI及临床体格检查排除腰椎骨骼异常疾病。志愿者对试验过程完全知情同意。

1.4   方法

1.4.1  获取腰椎过伸位参数  以受试者L₃为作用点徒手操作南少林倒盖金被法^[20]，利用数字化X光机(DR机，东芝,日本)分别得到受试者腰椎起始位和最大过伸位的腰椎侧位片，分别如图1，2所示。再通过读片机测量工具进行测距，在图1中，受试者腰椎起始位L₃椎体前缘与软组织外缘的距离h1=11.37 cm，在图2中，过臀部的最高点处沿着人体纵轴方向画一条直线，可以测量出当受试者在南少林倒盖金被法的作用下达到过伸位时L₃椎体前缘与这条直线的距离h2=21.63 cm。从而得出，受试者L₃正常生理曲度下的位移为h1=11.37 cm，在最大过伸位时的位移为h2=21.63 cm。通过X射线片测量辅助排除腰椎骨骼异常疾病，并为后续测量L₃在正常生理曲度及最大生理曲度的位移差做准备。

1.4.2  全腰椎有限元模型构建  首先采用16排螺旋CT机(西门子，德国)以层厚0.625 mm对受试者T₁₂-S₁节段进行扫描，获取到512×512像素DICOM格式的CT图像；然后将CT图像导入Mimics 16.0(Materialise公司，比利时)中，由于CT图像中不同的结构具有不同的灰度值，而且各结构的灰度值相差很大，故采用阈值分割算法并以不同结构灰度值差异大这一特性界定阈值，将椎体从整体结构中分离出来，得到腰椎二维图像，并利用Mimics 16.0完成腰椎二维图像的三维重建，得到腰椎初步三维有限元模型；接着通过Geomagic Studio 2014 (Raindrop公司，美国)完成修补，对其进行曲面化，并在相邻椎体上下表面之间加入椎间盘结构；最后利用Pro/E 5.0完成将多个曲面组装成实体模型，完成L₁-L₅正常全腰椎三维有限元模型的构建。

1.4.3  网格划分  将模型L₁-L₅椎体数据导入Hypermesh 13.0软件行网格划分，基于包络的面网格，划分为59 172个节点(nodes)，275 652个四面体单元(Tet4 elements)，椎间盘采用髓核侧面网格后形成纤维环和髓核的面网格，再通过 MSC.Patran/Nastran2012软件进行网格二次处理及网格划分。

1.4.4  材料参数  见表1。

1.4.5  模型验证  完全固定约束L₅椎体下表面，限制该椎体在6个方向的自由度，在L₁椎体上表面均匀加载竖直载荷400 N，用于模拟人体上半身质量，为保证外部荷载传递的合理性、正常性，将此参考点设置于腰椎旋转中心正上方，并施加运动附加力10 N·m扭矩，模拟腰椎前屈、后伸，左右侧弯，左右旋转6种工况，计算工况下的腰椎生物力学特性。

1.4.6  加载力学参数及计算分析  根据腰椎占整个人体质量的13.9%^[23]，计算出本模型来源者腰椎为83.4 N，根据研究并计算出最大的压力值97 N^[24]，故施垂直加于L₃棘突100 N的正压力。根据生物力学研究经验及从定性定量分析的角度，简化边界，对L₅椎体下表面进行固定约束，垂直施加作用力于L₃棘突节点，在前屈、后伸方向允许并产生一定的位移，故为使L₃移动的距离大于L₁、L₅移动的距离，部分节点需前纵韧带释放一定的位移边界进行约束，于L₁椎体上表面和L₅椎体下表面上施加等效成力与弯矩能够使得L₃生理曲度发生10 cm位移变化，模拟并计算出全腰椎各结构组织的应力大小及其分布变化。

1.5  主要观察指标  ①研究基于L₁-L₅全腰椎有限元模型有效的基础上，观察腰椎椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带各结构的应力值大小；②通过模型在正常曲度到脊柱过伸位的von-Mises应力变化，比较分析腰椎各个结构的应力大小变化。

此次研究分析了腰椎在不同生理曲度下全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力大小及分布情况。以L₃棘突为作用点，根据L₃位于腰椎中部，在手法的作用下能达到最大的屈伸范围，便于该课题研究在较大顶推范围下的应力变化趋势，上述应力云图结果显示全腰椎各结构在过伸位下牵引的应力值均较正常生理曲度下牵引的应力值减轻更大，研究结果提示腰椎在过伸位牵引时可能获得更好的临床疗效。

椎体的力学环境稳定对维持腰椎正常功能有积极作用^[25]，承担人体上部躯干大部分压缩载荷，中立位约占84%载荷^[26]。当椎体损伤会导致相应椎间盘纤维环应力发生改变：前侧减小、后侧加大^[26]，此次研究结果提示在过伸位时，正常曲度下各椎间盘未表现出上述应力改变的趋势，在研究种各节段椎体应力值随着生理曲度的上升逐渐增大，但前部椎体应力大小分布均匀，无应力集中现象，由此说明椎体应力分布在腰椎过伸位牵引过程中正常分布。

戴力扬等^[27]认为人体在前屈位、后伸位这两种工况下的应力分布，前者主要集中在椎体前部^[28]，后者主要集中在接近椎弓根位置的后缘。该研究报道的应力分布规律与此次研究结果发现的椎体应力分布规律相一致。

在此次研究当中，根据应力云图显示在正常曲度牵引腰椎椎体时，部分节点出现应力集中，其中L₁的应力集中主要出现在椎弓根，L₂-L₄的应力集中主要出现在椎板，L₅的应力主要出现在椎体后缘。在过伸牵引腰椎椎体时，椎弓根或椎板上出现最大的应力值，这主要与牵引的作用点、作用力方向及传递应力部位有关，研究以L₃棘突为作用点，作用力为垂直方向及传递应力部位为腰椎后部。说明在腰椎应力集中的部位，该结构并未发现受损伤，脊柱手法床牵引是安全的。

KERIN等^[29]认为当关节软骨的应力值达到平均   35.7 MPa，才可能使关节软骨发生结构性破坏，结合此次研究的腰椎关节的应力云图提示腰椎关节以L₃-L₄节段承载的应力最大，且该最大值小于关节软骨的平均值，这证实了在后伸位牵引时是相对安全的，这与KERIN等的研究理论相吻合。但因临床过伸牵引腰椎时，各个腰椎关节为维持整个脊柱的稳定性，承载着大部分应力，因此临床操作时需要对过伸的程度进行掌控，以免因应力过大而造成不必要的损伤。

腰椎间盘具有蠕变特性^[30]，此次研究认为对腰椎进行牵引可增大腰椎间盘与神经之间的位移，减轻突出物对腰椎间盘的刺激，这与石国生等^[31]认为腰椎牵引使椎间盘与神经根发生相对位移从而减少突出物对椎间的刺激的结论相一致。在该研究当中根据腰椎应力云图提示认为在腰椎后伸位牵引时，椎间盘前侧拉应力较后侧的压应力大，可能是其治疗腰椎间盘的机制。

前纵韧带具有一定的延伸性，因此当脊柱通过伸运动时，前纵韧带通过其延展性可限制腰椎太过向后方运动并缓和载荷，前纵韧带一旦受到反复拉伸，延展性功能因钙化而受到破坏，这对腰椎甚至是整个脊柱的稳定向都有较大影响。研究认为反复对腰椎进行拉伸，腰椎的活动度受到破坏，机体为自我保护而发生前纵韧带的钙化，这进一步加重了韧带的损害^[31]。此次研究的应力云图结果显示腰椎过伸牵引时，前纵韧带的应力较正常曲度小，这提示因反复前屈活动，前纵韧带发生挛缩，可行腰椎过伸牵减小其应力，缓解紧张，维持腰椎的稳定性。

综上所述，此次研究利用有限元分析方法分析计算不同曲度牵引的应力值，研究结果显示腰椎过伸牵引时，腰椎各个结构的应力值较正常曲度牵引小，且未发现应力集中现象。 腰椎间盘的应力云图结果有助于治疗腰椎间盘突出症，对进一步研究临床腰椎疾病的牵引治疗有重要意义。但临床个体差异及腰椎椎管的解剖结构特殊，后伸位时椎管管腔变小，因此患有椎间孔狭窄的患者行牵引需明确诊断并注意牵伸曲度。

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文题释义：

腰椎牵引：是指令患者平卧于治疗床上，使用束带将患者前臂固定，达到医者固定患者双臂的目的；波浪式滚动气柱以腰背部为作用点进行顶推，控制多层气柱叠加高度使受试者腰部逐渐过伸牵引脊柱关节，实现对软组织的牵伸，并结合自身重力过伸牵引脊柱关节，能够增大椎间隙及调整椎小关节，最终达到理筋整复的作用。

三维有限元分析：是指在获取腰椎的CT图像数据，并导入到Mimics等软件当中建立的有限元模型基础上，将L₃的发生的位移变化带入MSC.Nastam软件中，高度仿真模拟人体在不同生理曲度下，计算分析出全腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。

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前纵韧带具有一定的延伸性，因此当脊柱因过伸运动，前纵韧带通过其延展性可限制腰椎太过向后方运动并缓和载荷，前纵韧带一旦受到反复拉伸，延展性功能因钙化而受到破坏，这对腰椎甚至是整个脊柱的稳定向都有较大影响。研究认为反复对腰椎进行拉伸，腰椎的活动度受到破坏，机体为自我保护而发生前纵韧带的钙化，这进一步加重了韧带的损害。

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