不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析

doi:10.12307/2022.426

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (9): 1346-1350.doi: 10.12307/2022.426

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

不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析

吕倩忆，陈芯仪，郑慧娥，何灏龙，李棋龙，陈楚淘，田浩梅

湖南中医药大学，湖南省长沙市 410208

收稿日期:2021-05-10 修回日期:2021-05-14 接受日期:2021-07-09 出版日期:2022-03-28 发布日期:2021-12-09
通讯作者: 田浩梅，教授，硕士生导师，湖南中医药大学针灸教研室，湖南省长沙市 410208
作者简介:吕倩忆，女，1996年生，四川省成都市人，汉族，硕士，主要从事针灸临床应用及机制的研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(81874508)，项目负责人：田浩梅；湖南省教育厅科学研究项目(19K068)，项目负责人：陈楚淘；2015年度推拿学国家中医药管理局重点学科开放基金(2015-003)，项目负责人：陈楚淘

Stress and displacement of normal lumbar vertebra and posterior structure with different elbow pressing methods

Lü Qianyi, Chen Xinyi, Zheng Huie, He Haolong, Li Qilong, Chen Chutao, Tian Haomei

Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, Hunan Province, China

Received:2021-05-10 Revised:2021-05-14 Accepted:2021-07-09 Online:2022-03-28 Published:2021-12-09
Contact: Tian Haomei, Professor, Master’s supervisor, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, Hunan Province, China
About author:Lü Qianyi, Master, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, Hunan Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81874508 (to THM); the Scientific Research Project of Hunan Provincial Department of Education, No. 19K068 (to CCT); the Opening Foundation of 2015 Tuina Science National Administration of Traditional Chinese Medicine Key Discipline, No. 2015-003 (to CCT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
推拿肘按法：肘按法是施术者利用肘部尺骨鹰嘴突为力点，着力于被施术者体表或某一穴位上，平稳缓和地用力下压，为推拿的常用手法。
泊松比：又称横向变形系数，是指材料受到纵向压力或拉力时，在弹性范围内的横向变形量与纵向变形量的比值。

背景：肘按法是推拿治疗腰椎间盘突出症的常用手法，在使用肘按法时，不同的角度对腰椎的作用不同，且手法操作不当可能会加重病情，目前相关研究有待进一步完善。
目的：基于有限元分析方法，观察不同角度肘按法对腰椎L4-L5椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向，探讨肘按法最安全及适宜角度，为临床提供参考。
方法：取1名25岁健康男性志愿者的CT图像，利用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Hypermesh、ABAQUS软件建立正常腰椎有限元模型，并改变髓核和纤维环的弹性模量、泊松比建立向左后突出的腰椎间盘有限元模型。以突出物的体表投影为按压点，按压力度为400 N，从左往右每隔15°模拟按压1次至165°。分析不同角度肘按法对正常及腰椎间盘突出腰椎有限元模型椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向。该研究方案的实施符合湖南中医药大学第一附属医院的相关伦理要求，受试者对测试过程及用途完全知情同意。
结果与结论：①与正常腰椎模型相比，腰椎间盘突出模型后部结构中小关节、椎弓根、模拟按压部位等处应力集中范围较大，且L4右侧椎板下部及L5椎体下部后面与侧面等多处出现应力集中；②当肘按角度为15°-45°时，相较正常模型，腰椎间盘突出模型的应力主要集中在右侧；③当按压角度为 30°-60°时，位移分布最大为 L4双侧上关节突，且椎体及其后部结构及会产生向前、向右的位移；④比较不同角度肘按法，当按压角度为 30°-45°时，对患侧椎体的负荷较小，安全性较高，且可调节L4-L5腰椎关节突关节的位置，恢复脊柱的正常生物力学状态，推荐临床参考。

https://orcid.org/0000-0002-9233-2445 (吕倩忆)

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: 有限元分析, 腰椎, 腰椎间盘突出, 肘按法, 推拿

Abstract: BACKGROUND: Elbow pressing method is the common manipulation of massage. The forces on the lumbar vertebra are different with different angle elbow pressing methods and improper manipulation may aggravate the disease. Currently, the relevant research needs to be further improved.
OBJECTIVE: Using the method of finite element analysis, to observe the distribution of stress, the distribution and direction of displacement at L4-L5 vertebra and posterior structure of lumbar model with different angle elbow pressing methods, and to investigate the safest and most suitable angle of elbow pressing method so as to provide reference for clinical practice.
METHODS: CT images of a 25-year-old healthy male volunteer were obtained. A normal lumbar finite element model was established using Mimics, Geomagic Studio, Solidworks, Hypermesh, and ABAQUS softwares. The elastic modulus and Poisson’s ratio of nucleus pulposus and annulus fibrosus were changed to establish the left and back protrusion of lumbar intervertebral disc. The pressing position was the projection of the protrusion’s body surface. The pressing force was 400 N, and the pressing was simulated once every 15° until 165° from left to right. The distribution of stress, the distribution and direction of displacement in the vertebral body and posterior structure of finite element models with normal and lumbar disc herniated lumbar spine were observed under the different angle elbow pressing methods. The implementation of the research protocol complied with the relevant ethical requirements of the First Affiliated Hospital of Hunan University of Chinese Medicine, and the subjects signed informed consent to the test process and use.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the normal lumbar spine model, the range of stress concentration in the posterior structure of the lumbar disc herniation model was larger, such as articular joints, pedicles, and simulated compression parts. Many stress concentrations occurred, such as back and side of the lower part of the right lamina of L4 and the lower part of the L5 vertebral body. (2) When the angle of the elbow was 15°-45°, the stress of the lumbar disc herniation model was mainly concentrated on the right side. (3) When the pressing angle was 30°-60°, the largest displacement distribution was the L4 bilateral superior articular process. Moreover, the vertebral body and its rear structure would shift forward and right. (4) Compared with different angle elbow pressing methods, when the angle of the elbow was 30°-45°, the load on the affected vertebral body was smaller, and the safety was higher. The position of the L4-L5 lumbar facet joints can be adjusted to restore the normal biology of the spine mechanical status. This conclusion is recommended for clinical reference.

Key words: finite element method, lumbar vertebra, lumbar disc herniation, elbow pressing method, massage

中图分类号:

吕倩忆, 陈芯仪, 郑慧娥, 何灏龙, 李棋龙, 陈楚淘, 田浩梅. 不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1346-1350.

Lü Qianyi, Chen Xinyi, Zheng Huie, He Haolong, Li Qilong, Chen Chutao, Tian Haomei. Stress and displacement of normal lumbar vertebra and posterior structure with different elbow pressing methods[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(9): 1346-1350.

图/表（结果） 3

2.1 不同角度肘按法，椎体及后部结构的应力分布不同角度肘按法对椎体及后部结构的应力分布，见图6。

在不同角度肘按法下，正常腰椎节段应力主要集中在 L5双侧椎弓根、关节突关节及模拟按压部位。当按压角度为 15°-45°时，椎体应力主要集中在L4右侧椎板下部、L5椎体下部后面与侧面。当按压角度为60°时，椎体应力主要集中于L5双侧椎弓根、关节突关节、椎体两侧面及模拟按压的部位。当按压角度为75°-165°时，椎体应力主要集中在L5左侧椎弓根、左侧关节突关节及模拟按压的部位。
腰椎间盘突出节段与正常腰椎节段相比应力集中大致相同，但应力水平整体降低，其中小关节、椎弓根、模拟按压部位等处应力集中区域明显增大。
2.2 不同角度肘按法，椎体及后部结构的位移分布与方向不同角度肘按法对椎体及后部结构的位移分布，见图7。

当肘按法按压角度为 15°时，正常腰椎模型位移分布最大为 L4棘突、右侧上下关节突、右侧横突；其次为L4左侧上下关节突、椎体、L5棘突；位移分布最小的为L5椎体。按压角度为30°时，位移分布最大为L4双侧上关节突、右侧横突、椎体；其次为L4棘突、L5棘突、右侧上关节突；位移分布最小的为L5椎体。按压角度为45°-135°时，位移分布最大为L4椎体、双侧上关节突、左侧横突；其次为L4棘突、L5棘突、右侧上关节突；位移分布最小的为L5椎体。当按压角度为150°-165°时，位移分布最大的为L4左侧上关节突、左侧横突、棘突；其次为L4左侧下关节突、椎体、L5棘突；位移分布最小的为L5椎体。
在位移分布趋势上，腰椎间盘突出模型与正常腰椎模型分布趋势大致相同，当按压角度为 15°时，腰椎间盘突出模型L4后部结构的位移主要集中在双侧上关节突及右侧横突上。按压角度为30°时，L4后部结构的位移集中范围较正常腰椎模型减少。按压角度为45°-150°时，腰椎间盘突出模型 L4 棘突上部出现了位移集中。
在位移方向上，正常模型与腰椎间盘突出模型大致相同，按压角度为 15°时，椎体后部结构的位移方向为向前、向上、向右；椎体为向右。按压角度为 30°-60°时，椎体后部结构的位移方向为向前、向上、向右；椎体为向右、向前。按压角度为 75°-90°时，椎体后部结构的位移方向为向前、向上；椎体为向前。按压角度为 105°-165°时椎体后部结构为向前、向上、向左；椎体为向左、向前，见图8。

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引言

材料方法

1.1 设计不同角度推拿肘按法对腰椎椎体及其后部结构影响的有限元分析。
1.2 时间及地点 2019年8月至2020年6月在湖南中医药大学附属第一医院完成。
1.3 材料
1.3.1 数据来源 CT图像来源于1名25岁健康男性志愿者，既往无腰椎病史。人体腰椎部图像层厚1 mm，共272张，以DICOM 3.0格式保存。该研究方案的实施符合湖南中医药大学第一附属医院的相关伦理要求，受试者对测试过程及用途完全知情同意，并签署知情同意书。
1.3.2 实验软件 Mimics 17.0(Materialise公司，比利时)；Geomagic Studio 12.0(Geomagic 公司，美国)；Solidworks 2016(Dassault Systemes公司，美国)；Hypermesh (Altair公司，美国)；ABAQUS 6.11(Dassault Systemes公司，美国)。
1.4 方法
1.4.1 L4-L5正常椎体及腰椎间盘突出有限元模型的建立将Dicom格式的L4-L5椎体CT断层扫描资料利用三维重建软件Mimics 17.0初步建立三维几何模型。将腰椎几何模型导入Hypermesh 中，利用填充空搭桥建立髓核和纤维环，其中髓核和纤维环分别约占椎间盘的44%，56%[7]。后改变正常椎间盘髓核及纤维环的形状，建立向左、后突出的椎间盘三维几何模型，见图1。

最后利用Solidworks 2016软件进行优化处理，完成正常及腰椎间盘突出的 L4-L5节段三维几何模型的建立，见图2。

在Hyperworks中对椎体皮质骨、松质骨等进行网格划分，其中皮质骨厚度为 1 mm[8]。椎间盘使用四面体网格进行划分，后通过椎间盘与上下椎骨的曲面的节点合并，实现结构连接部分共节点[9]。将椎骨材料假设为各向同性材料，椎间盘基质和髓核定义为一种不可压缩的超弹性材料[10]，关节突接触设置为面-面接触[11]，摩擦系数为0.01[12]。通过弹性模量和泊松比设置皮质骨、松质骨、髓核、纤维环基质及韧带等材料属性，材料参数引自文献[13-19]，并改变髓核和纤维环基质的弹性模量、泊松比建立腰椎间盘向左、后突出的有限元模型[20-21]。各部分单元类型及具体材料参数见表1。

1.4.2 模型有效性验证对正常 L4-L5 节段有限元模型进行验证，见图3。

模型在500，1 000，1 500，2 000 N的轴向载荷下的位移为0.25，0.50，0.75，0.99 mm，与方新果等[12]、LI等[22]，颜文涛等[23]文献结果对比相近，轴向压力与腰椎轴向位移几乎呈线性关系，此结果说明腰椎模型在受力状态下表现出弹性性质。
其后，将L4椎体上表面所有节点刚性连接于一中心点，根据右手法则对中心点分别按照X，Y，Z 三个方向，施加10 kN的弯矩，模拟其前屈、后伸、侧屈和旋转状态并比较验证有限元模型与正常人体腰椎关节的活动度，见图4。

由表可知，有限元模型的活动度由大到小为：前屈、旋转、侧屈、后伸，与正常人体腰椎活动度的趋势一致。
1.4.3 手法加载将模型L5椎体的下底面完全固定后，模拟按压部位为L4椎板左侧即椎间盘突出部位在椎体的投影处，见图5。

模拟按压力度为400 N，受力面积2 cm2，角度以按压部位为中心，从左向右，以模拟施术者前臂与模型冠状面形成的夹角为角度，每隔15°模拟按压1次。
1.5 主要观察指标不同角度肘按法下，正常腰椎间盘及腰椎间盘突出模型腰椎椎体及后部结构的应力分布、位移分布及方向。

讨论

3.1 有限元法在脊柱生物力学应用中的优势有限元在脊柱生物力学研究方面具有重大意义，其应用范围十分广泛，包括脊柱疾病的病理分析、手术疗效分析等[24-27]，有着经济、便捷、可重复、操作性强等诸多优点[28]。
目前，国内很多学者也通过有限元模型对推拿手法的适应证和作用原理进行了研究。王宇等[29]通过建立人体颈椎(C2-C7)有限元模型，探究推拿旋转角度对不同退化程度椎间盘的影响，认为施加颈部拔伸旋转法时应根据椎间盘退化程度而适当减小旋转角度。田强等[30]通过构建L4-5节段的腰椎模型，模拟加载提拉旋转扳法，提出纤维环局部的位移变化可能是手法疗效的机制。黄法森[31]建立腰骶关节三维有限元模型，模拟弯腰挺立手法作用于正常腰骶关节和紊乱腰骶关节节段，分析其应力和位移分布，提出调整关节突关节部位，使上下关节突产生相对位移，可能是该手法复位的主要机制。
3.2 根据椎体及后部结构的应力分析不同角度肘按法的安全性腰椎是脊柱的主要承载部分，其中后部结构主要由椎板、椎弓根、关节突及韧带构成，长期承载着巨大的载荷及生物力学变化。根据ASANO等[32]研究结果，腰椎24%-30%的压力、21%-26%的张力和42%-54%的旋转应力由椎体后部结构承受。故在运用治疗手法时，腰椎椎体及后部结构的稳定性及应力变化对治疗安全性和起重要作用。
此次研究肘按法着力的部位为椎间盘突出部在椎体上的投影，即临床治疗腰椎间盘突出症时常选用的夹脊穴所在之处。研究结果显示：当按压角度为 15°-45°时，椎体应力主要集中在右侧L4椎板下部、L5 椎弓根及关节突关节，对患侧椎体的影响相对较小；按压角度60°时，双侧椎体应力均较集中，主要集中在L5双侧椎弓根、关节突关节，L5椎体两侧面及模拟按压部位；当按压角度为75°-165°时，椎体应力主要集中在左侧L5椎弓根及关节突关节，可能会加剧患侧椎间盘对神经根、硬膜囊等结构的压迫，加重病情。同时椎间盘突出后，小关节、椎弓根、模拟按压部位等处应力集中区域明显增大，L4右侧椎板下部及L5椎体下部后面与侧面等多处出现应力集中。这说明，当腰椎间盘突出后，椎间盘不能均匀地将外力传递到椎体，整个腰椎的应力状态和载荷传递方式发生变化，椎体发生疲劳骨折的风险同时也增高。
综上所述，使用肘按法时应注意按压角度，当按压角度为 15°-45°时，椎体应力主要集中于右侧，椎间盘突出侧应力负荷相对较小，推荐临床参考。
3.3 根据椎体及后部结构的位移分布与方向分析肘按法适宜的按压角度椎间盘突出后压迫神经根、硬膜囊和血管是腰椎间盘突出症疼痛产生的主要原因[33]。据研究报道，腰椎间盘突出后将造成腰椎关节力学紊乱，进而影响脊柱的生物力学[34]，其中造成的后部结构中关节突关节的角度不对称是加重腰椎间盘突出症的重要因素之一[35-38]。在推拿治疗方面，有研究报道通过改善神经根的相对位移[39]，松解突出椎间盘与神经根的机械压迫减轻炎性粘连，是推拿手法解除疼痛的原因之一；另一方面，也有研究认为推拿手法可使错缝的关节突关节对位、调节失稳腰椎小关节的位置，进而改变节段的生物力学，恢复正常或代偿的脊柱内外平衡[40-41]。在此次研究中，当按压角度为 15°-60°时，椎体及后部结构位移为向右、向前、向上；且当按压角度在15°-30°时，位移分布最大的为L4棘突；当按压角度在30°-60°时，位移分布最大的为 L4双侧上关节突；当按压角度为 75°-90°时，椎体及后部结构的位移方向为向前、向上，位移分布最大的为L4椎体；按压角度为 105°-165°时，位移方向为向左、向前、向上，位移分布最大的为L4左侧上关节突。故根据研究结果，当肘按法按压角度为30°-60°时，椎体后部结构的位移方向和分布相对适宜调节L4-L5腰椎关节突关节的位置。
综上，分析比较正常及腰椎间盘突出腰椎有限元模型的应力分布和位移方向认为：当肘按角度为从左往右30°-45°时，对腰椎间盘突出的模型患侧椎体的负荷较小，安全性较高，且可调节L4-L5腰椎关节突关节的位置，恢复脊柱的正常生物力学状态，推荐临床参考。
此次研究的创新之处在于：构建了L4-L5腰椎模型及L4-L5椎间盘突出腰椎的有限元模型，并根据临床推拿肘按法治疗腰椎间盘突出症的常用穴位夹脊穴为模拟着力部位，探究不同角度肘按法对L4-L5正常腰椎及椎间盘突出腰椎椎体及后部结构的力学变化，并讨论推拿治疗腰椎间盘突出症的相对安全和适宜的角度，为肘按法治疗腰椎间盘突出症提供一定的实验数据依据。
3.4 研究的不足与局限性有限元作为一种模拟分析方法，在建模过程中，对模型进行了诸多合理的简化与假设，且腰椎后部韧带及肌肉等组织对腰椎的受力也有一定影响，因此实验所获得的结果并不能精确反映实际受力与位移。人体组织处于动态变化中且其力学性质复杂[42]，目前有限元模型仅能反映某一时刻的力学特性，故实验结果仅为临床提供理论参考。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

不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析

Stress and displacement of normal lumbar vertebra and posterior structure with different elbow pressing methods

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