2.1   模型验证结果   基于患者CT影像学数据，成功建模L4/5腰椎间盘突出模型，该模型包含椎体，椎间盘，关节软骨与韧带等结构，共有288 524单元，467 486节点(见图1)。在500，1 000，1 500，2 000 N轴向载荷下，模型轴向位移分别为0.23，0.36，0.67，0.97 mm；10 Nm扭矩作用下，模型前屈、后伸、侧屈、旋转的活动度分别为4.19°，3.72°，3.41°，2.04°，将以上数据与既往体外试验及腰椎间盘突出症有限元研究相对比[27，29，42-44]，结果相近(见图2)，证明该腰椎模型具有良好的拟真性，可以用于此次研究。



2.2   经手法治疗的腰椎活动度   见图3。生物力学仿真结果显示，在预载荷与瞬时扳动力矩参数一致的实验条件下，骨质疏松模型在坐位定点旋转扳法干预下呈现最大关节活动范围，而正常骨质模型采用仰卧旋转扳法时活动度值最小。在相同骨质条件下对比分析显示，坐位定点旋转扳法产生的活动度显著高于仰卧旋转扳法。



2.3   模型刚度和最大Von Mises等效应力
2.3.1   刚度变化   在12 Nm扳动力矩作用下，仰卧旋转与坐位定点旋转两种扳法因骨密度(骨量)差异导致的平均刚度变化值差分别为0.95 Nm/(°)和1.41 Nm/(°)，而因手法操作差异引发的刚度变化差达1.54 Nm/(°)、2.00 Nm/(°)，说明在椎间盘应力分布的影响因素中，手法操作类型的调控效应高于骨密度因素。 2.3.2   Von Mises等效应力   椎间盘及其组件的最大应力和纤维环/髓核压力差峰值均出现在正常骨质坐位定点旋转扳法模型中。骨密度及手法参数恒定条件下，坐位定点旋转扳法的上述生物力学指标显著高于仰卧旋转手法(见图4，5)。在恒定手法参数条件下，骨量异常未显著改变椎体最大Von Mises应力(见图5A)。骨密度与椎间盘应力呈正相关，骨量减少导致椎间盘最大Von Mises应力降低(见图5B)。两种手法均使髓核后方应力极值范围及量值较生理状态增大(见图6)。坐位定点旋转扳法平均等效应变更高且左侧应变累积显著，同时，仰卧旋转扳法最大应变分布与髓核病理性突出方位存在解剖对应性(见图7)。松质骨应力分布显示：仰卧旋转扳法作用于L5节段时，最大应力集中于L5左下部；坐位定点旋转扳法干预L4节段时，最大应力位于L4椎体上部(见图8)。

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腰椎间盘突出症作为脊柱退行性疾病的典型代表之一，其病理基础在于纤维环退行性病变与髓核组织异常位移导致神经根受压迫，临床主要表现为腰骶区域放射性疼痛、坐骨神经支配区感觉障碍及下肢运动功能受限[1-2]。据流行病学统计，腰椎间盘突出症在全球范围内的发病率为2%-4%[3]，且呈现年轻化趋势，显著影响患者的生活质量[4]。现行临床诊疗指南依据疾病分期及症状严重程度，将干预措施划分为手术干预与保守治疗两大方向[1]，后者多用于早期或症状轻微患者。在非手术干预体系中，中医推拿疗法因操作可控性强、临床安全性高及疗效可重复性佳等特点，在保守治疗方案中占有一席之地。经过长期临床实践积累，中医推拿技术已形成多流派手法操作范式，其中基于脊柱生物力学原理设计的扳法类手法应用广泛，包含传统斜扳法等经典技术[5]，以及坐位定点旋转扳法[6]、仰卧旋转扳法等现代改良术式[7-8]。值得注意的是，随着计算机辅助工程技术的突破性进展，有限元分析方法已逐步应用于传统医学研究领域，为推拿手法的生物力学机制解析提供了新的研究范式。李义凯团队[9]在21世纪初应用有限元技术构建了退变的L4/5椎间盘模型，通过模拟推拿扳法操作，在生物力学层面探究该手法调整椎间盘与关节突空间位置、解除神经根粘连的干预机制。有限元技术在推拿研究中的深入应用也让研究范式逐步突破单一机制解析，向手法参数优化、疗效量化评估及临床转化路径探索等多维度拓展。例如王多多等[10]基于有限元建模的对比研究提出，对于退变前腰椎结构，传统斜扳法在力学效应强度方面具有优势，但改良斜扳法在应力分布合理性及操作安全性指标上表现更优。
腰椎扳法是腰椎推拿手法中的重要类别，其操作原理基本一致。腰椎仰卧旋转扳法的操作步骤如下：患者取仰卧位，施术者双手固定患者双膝关节并施加向下牵引力，同时助手固定患者胸部或肩部以稳定体位；随后，施术者将患者腰部缓慢旋转至生理活动范围的极限位置，并在可控范围内实施突发性旋转扳动[11]。另一种常见的腰椎坐位定点旋转扳法的操作方法为：患者坐于治疗凳上，施术者位于患者后方，一手从患者腋下穿过并固定其颈部，以适当力量引导患者前屈并向一侧旋转至最大角度；同时，另一手拇指固定于责任节段的上位椎体棘突一侧，向对侧施加一定角度的推挤力，随后实施突发性旋转扳动[12-13]。
尽管现有研究已取得重要进展，但关于仰卧旋转扳法的力学作用机制及其在不同骨质条件下相较于坐位定点旋转扳法的疗效特异性仍缺乏系统性研究数据。因此，此次研究拟通过构建高精度腰椎间盘突出症三维有限元模型，定量分析两种扳法对腰椎结构的应力分布特征、椎间盘位移模式及椎间盘内压力变化的生物力学差异。研究结果预期可为推拿手法选择提供一定的生物力学依据。


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，生物力学实验。
1.2   时间及地点   实验于2024年3月至2025年1月在广州中医药大学第三附属医院完成。
1.3   对象   选择广州中医药大学第三附属医院脊柱骨科住院的1例L4/5椎间盘右旁中央型突出26岁女性患者。实验前先行腰椎双能X射线片检查，确定其骨量正常，排除腰椎创伤、畸形、肿瘤等疾病。该研究数据来自医院及脊柱骨科的临床数据库，并通过广州中医药大学第三附属医院医学伦理委员会审查(批件号：PJ-KY-20211207-004)，受试者对资料采集完全知情同意并签署了知情同意书。
1.4   方法
1.4.1   数据获取与储存   采用64排螺旋CT扫描仪(SOMATOM Definition AS+，西门子，德国)对受试者进行连续扫描，详细CT参数如下：球管电压120-140 kV，球管电流140-280 mA，旋转时间0.75 s，矩阵512×512，视野350 mm，层厚1.25 mm，间隔0.625 mm，骨窗重建，常规软组织窗，CT数据以DICOM格式保存。 
1.4.2   构建L4/5腰椎间盘突出症模型   将获取的患者腰椎CT数据以DICOM格式导入Mimics Research 21.0 (Materialise Inc，Belgium)，先后运用软件自带的阈值分割、区域增长、编辑蒙板、裁剪与填充等功能提取出L4、L5椎体模型，将该L4、L5椎体模型保存并以STL格式导入至Geomagic Wrap 2021(Raindrop Geomagic Inc，USA)，运用重画网格、删除边界、去除杂质、修补孔洞、松弛、降噪、光滑等命令处理导入的模型，并使用网格医生对处理后的模型进行评估，确认无误后使用精确曲面片命令构造模型曲面片，随后构造格栅并拟合三维模型。为区分皮质骨与松质骨，在Geomagic Wrap 2021中运用偏移整体命令分别将L4、L5处理后的模型向内整体偏移1 mm[14]，并对相互交涉部分进行删除、修改等操作，运用网格医生评估后以相同步骤拟合成三维模型。通过Geomagic Wrap 2021处理得到的皮质骨与松质骨三维模型以STP格式保存并导入SOLIDWORKS 2021，输入诊断确认无误后，在SOLIDWORKS 2021中将分别导入的4个(2个皮质骨、2个松质骨)模型以SLDPRT格式保存，而后将保存的SLDPRT文件在SOLIDWORKS软件装配，并建立椎间盘、上下终板及左右小关节突关节。将上下终板厚度建模为1 mm[15]；关节突关节被定义为关节软骨与椎骨的无摩擦接触；椎间盘被细分成纤维环及髓核，二者体积之比约为6∶4[16-17]，以等比例缩放工具完成该项操作，建模好的装配体以X_T格式保存。在Workbench 2023R1软件Static Structural模块输入保存的X_T文件，进入模块后分别赋予模型的皮质骨、松质骨、髓核、终板、小关节突关节相应弹性模量及泊松比[17-19](见表1)，同时，在Workbench 2023R1软件将前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、关节囊韧带、棘突韧带、棘上韧带各自定义为只受拉力的弹簧结构以最大程度排除其他干扰模拟韧带的力学特性[20]，并赋予其相应刚度[21-23]，弹簧刚度通过公式计算：刚度=弹性模量×横切面积/平均长度[24]。
1.4.3   网格类型与边界条件   模型中所有结构均采用四面体网格划分，其中皮质骨与松质骨网格尺寸设为2.5 mm，软骨终板及关节突关节为0.5 mm，纤维环及髓核为1.5 mm[25]。同时，为使节点分布更均匀，在网格质量选项中将网格过渡设为缓慢。L4椎板与小关节突关节之间的接触关系定义为绑定接触，L5椎板与小关节突关节之间的接触关系定义为无摩擦，其余结构的接触关系均定义为绑定接触[26]。
1.4.4   加载模拟载荷设置和模型验证   为验证该腰椎有限元模型的有效性，将L5椎体下表面设置为完全固定，分别施加均匀分布的500，1 000，1 500，2 000 N轴向载荷于L4椎体模型上表面，观察模型的轴向位移；另外，施加与YAMAMOTO等[27]、王宏卫等[28]、方新果等[29]相似的载荷条件，即在L4椎体上表面中心处施加一个垂直向下500 N的预载荷模拟上身重力，同时对L4椎体施加10 Nm扭矩，以此模拟腰椎的前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动，通过命令计算出不同力矩下模型的活动度，并将所得轴向位移与模型活动度与既往有限元及体外生物力学实验结果比较，以此验证模型的有效性。
1.4.5   骨质疏松及仰卧旋转扳法与坐位旋转扳法三维模拟   为减少其他因素的干扰(如骨赘增生、韧带松弛、生理曲度变化等)，参考前人研究方法，通过改变模型弹性模量及泊松比模拟骨质疏松状态[30]，骨质疏松模型材料属性参考前人研究[30-32](见表1)。分别在骨量异常及正常模型上施加相同力矩以模拟两种扳法。

(1)载荷及边界条件的设置：基于既往有限元研究文献参数体系[33-37]，模拟3种旋扳手法的方式及体内试验测量数据进行生物力学改良[38-40]。①坐位定点旋转扳法：加载扭矩15 Nm，预设沿X轴向前屈6°、沿Z轴向右旋转6°、沿Y轴旋转2°，作用时间0.25 s；②提拉旋转斜扳法：Z轴侧弯度数3°、Y轴顺时针方向旋转2°，15 Nm的顺时针旋转力矩，作用时间0.25 s；③立体定位斜扳法：按压力设置为580 N，从0 N加载至580 N的时间为0.15 s，0.15-2 s按压力从580 N逐渐减小为0 N。
(2)两种旋转手法三维模拟：在建立的腰椎三维有限元模型上设定加载条件模拟两种旋转手法，扳动加载力矩选择经专家论证获得的低于15 Nm的2 Nm扭矩梯度加载方案：6/8/10/12/14 Nm，并采用预载阶段(0.85 s)优化角度预设条件。①在仰卧旋转扳法的模拟中，将其技术动作解构为牵引、旋转和瞬时施力3个生物力学阶段。基于仰卧位体态特征，L4椎体上表面被设置为固定约束，并消除自身重力，同时在L5椎体下表面施加100 N垂直牵引力模拟临床牵引操作。手法动力学加载过程设定为1 s总时长，分阶段模拟临床操作时序：前0.85 s在L5椎体下表面施加15 Nm左旋力矩作为预载荷，以模拟瞬时扳动前旋转至最大角度动作，后0.15 s将力矩梯度提升至21/23/25/27/29 Nm(对应扭矩6/8/10/12/14 Nm)以模拟不同强度的瞬时扳动操作。②对于坐位定点旋转扳法的模拟，采用3个阶段力学加载策略模拟前屈、旋转和瞬时施力复合动作。首先在L5椎体下表面设定固定约束，随后在L4椎体上表面施加500 N垂直载荷以重建坐姿重力。前屈力矩的加载采用渐进式加载模式：前0.85 s线性递增至15 Nm目标值，后0.15 s维持恒定力矩以保持前屈体位稳定[36]。旋转与瞬时扳动阶段的力矩加载参数与仰卧位模型保持相同，并在后0.15 s于L4棘突上增加一个向右前方与冠状面成30°大小为200 N的推力，模拟定位推挤动作。
1.5   主要观察指标   腰椎活动度、模型轴向位移、纤维环/髓核压力差(即椎间盘压力差，为髓核与纤维环最大Von Mises应力差的绝对值)、模型各组件最大Von Mises应力、椎间盘弹性应变、脊柱功能单元平均刚度(参考张德盛等[41]的方法，运用力矩与角位移的比值表示)。

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

近年来，有限元分析技术已被广泛应用于推拿手法对人体组织结构的生物力学效应研究领域，并取得了具有参考价值的研究成果[45]。然而，现有研究在机制阐释的全面性和模型构建的精确性方面仍存在提升空间，该领域的生物力学效应机制的系统性研究仍有待深化。基于现有文献的总结，扳法治疗腰痛的生物力学机制主要可归纳为以下3个方面[46-47]：①纠正腰椎小关节解剖位置异常；②调整突出髓核与受压神经根的空间位置关系；③改善椎间盘髓核内的压力负荷(即纤维环/髓核压力差)。这些发现为阐释手法治疗的力学机制提供了重要的理论依据。
根据两种腰椎旋转扳法的生物力学特性对比，课题组将从手法安全性、生物力学疗效对比、作用机制及手法可能存在的风险等方面阐述此次研究所得结论。
3.1   手法安全性问题   在相同骨密度、预载荷及瞬时扳动力矩条件下，坐位定点旋转扳法产生的L4/5节段旋转角度显著高于仰卧旋转扳法。这表明实现相同旋转角度时，坐位定点旋转扳法所需力矩较小，潜在安全性更高；但在等力矩条件下，仰卧旋转扳法因旋转角度更小，其安全性更具优势。研究同时揭示骨密度与手法作用范围呈显著负相关，即骨质疏松症患者达到相同旋转幅度所需力矩较正常骨质患者更低。基于以上结论，从临床安全性角度出发，临床医师可根据患者病情需要动态选择相应手法，实现个体化施治。
3.2   生物力学疗效对比   此研究基于扳法调节椎间盘髓核压力负荷(纤维环/髓核压力差)的机制，结合椎间盘弹性应变特征分析其变化规律，发现坐位定点与仰卧旋转两种扳法均能通过增大纤维环/髓核压力差实现突出物形态复位，进而调节神经根受压空间关系，该生物力学效应与既有文献结论相吻合[48]，证实两种手法治疗腰椎间盘突出症的临床有效性。然而，骨质疏松症患者椎间盘内压增幅速率低于骨质正常者，提示两种手法对合并骨质疏松症的腰椎间盘突出症患者临床疗效可能弱于非骨质疏松症患者。值得注意的是，两种手法力学响应特征存在差异：坐位定点旋转扳法在纤维环/髓核压力差调控方面呈现渐进式改变，而仰卧旋转扳法则表现出陡峭的变化梯度。进一步分析发现，在低力矩条件下，坐位定点旋转手法的纤维环/髓核压力差调控效能更优，但随着瞬时扳动力矩增强，仰卧旋转扳法展现出更强的力学干预优势，故而当患者需要更大力矩扳动时，仰卧旋转扳法也许更具有优势。
此外，在恒定骨质条件下，髓核右后侧应力水平随扳动力矩的增大呈显著递增趋势，其中仰卧旋转扳法的应力增幅特征尤为显著，这表明仰卧旋转扳法随扳动力矩的增加，疗效可能不如坐位定点旋转扳法稳定。
3.3   作用机制   对比分析纤维环与髓核的应力响应曲线发现，在相同手法载荷及骨密度条件下，髓核的线性应力增长率(即最大Von Mises等效应力增量与扳动力矩的比值)低于纤维环，该定量差异证实纤维环与髓核间的压力梯度主要来源于纤维环弹性形变引发的应力代偿增强，而非髓核本身的力学响应改变。由此可知，椎间盘对手法载荷的力学传导具有明确的结构选择性特征，这可能与纤维环具有更高的弹性模量和黏弹性特征密切相关。
值得注意的是，骨质疏松症状态产生可观测的力学效应衰减：在同等瞬时扳动力矩作用下，骨质疏松症患者的纤维环及髓核等效应力变化幅度均低于正常骨质者。这一现象可能与三关节复合体的力学传导特性相关——骨质疏松症患者小关节的应力响应显著减弱，通过结构耦合作用间接影响椎间盘的应力分布格局，最终导致手法治疗效应的生物学衰减。
观察模型弹性应变，两种手法均诱导椎间盘突出物产生左前向位移矢量，该力学现象验证了手法通过空间位相调节实现神经根动态减压的临床作用机制，这与徐海涛等[49]、卢钰等[50]的结论基本一致。此研究构建的模型分析揭示，两类手法的生物力学效应源于纤维环各向异性黏弹性特性引发的双向应变耦合机制，具体而言，纤维环主应变侧形成的弹性应变梯度通过应力代偿机制驱动对侧组织产生应变重分布，在此过程中髓核-突出物复合体受环形应力场调控呈现协同位移向量。
3.4   手法可能存在的风险   骨质疏松症的病理机制主要表现为松质骨骨密度显著降低及骨微结构退变，导致骨骼生物力学性能下降。研究表明，松质骨作为主要承力区域，其显微结构破坏将显著削弱骨骼应力承载能力，进而增加病理性骨折风险[51]。基于此次研究腰椎有限元应力云图分析，腰椎旋转扳法操作时椎体松质骨应力集中可能更容易出现在近手法操作区域。这一力学特征提示：临床医师在采用这两种旋转扳法治疗腰椎间盘突出症患者时，若患者突发腰部疼痛加剧，可能需要高度警惕手法邻近椎体松质骨是否发生损伤，尤其对于绝经后1年内的女性患者群体。
虽然上述两种旋转扳法被证明对于腰椎间盘突出症有明确治疗作用，但在使用时需严格把握临床适应证。从生物力学角度分析，旋转扳法实施时产生的剪切力易使腰椎超出生理活动范围，造成关节囊韧带机械性损伤及软骨应力集中，此与治疗后慢性疼痛存在显著相关性，为降低关节囊继发损伤风险，推荐采用改良低应力操作模式，操作时控制关节活动度与施力方向，切忌急骤暴力[6]。
综上所述，腰椎坐位定点旋扳法与仰卧旋转扳法对于治疗腰椎间盘突出症有效，它们通过改善椎间盘髓核内的压力负荷与应变重构促进突出物位移，在不同力矩条件下各有优势，但无论哪种手法，都会受到椎体骨质条件的影响，其中仰卧旋转扳法较坐位定点旋转扳法所受影响更突出，临床疗效可能更不稳定。
此次研究还存在一些局限性：其一，研究为单样本设计，不同样本之间可能会存在一定的个体化差异，但考虑到此研究为初步探索，仍存在一定价值为后续研究提供参考；其二，长期骨质疏松症常会合并一些其他腰椎生理病理变化，对于这样的变化，有限元难以将其完全模拟呈现；再者，研究未建模肌肉韧带复合体(尤其是关节囊)，这些软组织对于维持腰椎的稳定具有一定作用；此外，研究主要聚焦于两种腰椎旋扳手法在不同骨质条件下的生物力学差异，虽然能够为手法的疗效提供一定的理论支持，但并不能完全代表临床的实际治疗效果。未来，课题组将通过扩充样本量、构建多维度生物力学模型、建立临床疗效评估指标体系、追踪患者的功能恢复情况等方式完善研究。
尽管如此，此次研究在以下方面具有创新性学术价值：①通过有限元建模系统揭示了仰卧旋转扳法与坐位定点旋转扳法治疗腰椎间盘突出症的椎间盘内压调控机制；②构建了不同骨密度条件下的椎体-椎间盘复合体模型，系统阐释了骨质状态对手法力学效应的影响规律；③通过参数化分析手段，系统量化对比了仰卧位与坐位旋转扳法在三维空间内的力学传导差异，为临床手法选择提供了一定的生物力学决策依据基础。

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：#br# 腰椎旋扳法：是腰椎扳法中的一个重要类别。通过适当力量使腰椎产生适度旋转，在关节活动至极限时进行快速、小幅度的扳动。#br# 有限元分析：将连续系统划分为有限几何单元，通过数学建模和计算机模拟，求解小单元整体行为。#br# #br# #br# 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

保守治疗作为腰椎间盘突出症的一线治疗受到众多患者的青睐，扳法作为中医传统手法治疗的一大类型，经过多年发展衍生出众多术式，坐位定点旋转扳法与仰卧旋转扳法作为其中两种，常常出现在临床，研究通过构建腰椎间盘突出症患者三维有限元模型系统、优化加载方式、设置扭矩梯度加载方案系统对比两种手法的生物力学差异，并总结出：①在相同力矩及骨质参数条件下，坐位定点旋转手法较仰卧旋转扳法可获得更大的关节活动范围，且在等效旋转角度实施时表现出更显著的安全性优势；②骨密度与手法作用范围呈显著负相关；③两种手法均能显著提升纤维环/髓核压力差（椎间盘内负压），促进突出物回纳；④纤维环应变梯度驱动髓核协同位移；⑤在等效骨密度条件下，仰卧旋转手法的高力矩加载对腰椎间盘突出症的复位效能显著提升。#br# #br# 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

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