斜扳手法对人体腰椎间盘退变后三关节复合体的力学效应

doi:10.12307/2023.499

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (27): 4277-4282.doi: 10.12307/2023.499

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

斜扳手法对人体腰椎间盘退变后三关节复合体的力学效应

许光明1，2，梁梓扬3，王宏波2，张震2，肖庆华2，杨吉勇4，林晓生2

1广州中医药大学，广东省广州市 510000；2深圳市中西医结合医院，广东省深圳市 518000；3中南大学湘雅二医院，湖南省长沙市 410011；4 深圳市坪山区中医院，广东省深圳市 518000

收稿日期:2022-05-13 接受日期:2022-07-23 出版日期:2023-09-28 发布日期:2022-11-07
通讯作者: 林晓生，博士，教授，博士生导师，主任医师，深圳市中西医结合医院，广东省深圳市 518000
作者简介:许光明，男，1991年生，广东省潮州市人，汉族，广州中医药大学在读博士，主要从事中西医结合防治骨质疏松症及骨关节疾病研究。
基金资助:
长沙市自然科学基金(61825)，项目负责人：梁梓扬

Mechanical effect of oblique-pulling manipulation on triarticular complex after human lumbar intervertebral disc degeneration

Xu Guangming1, 2, Liang Ziyang3, Wang Hongbo2, Zhang Zhen2, Xiao Qinghua2, Yang Jiyong4, Lin Xiaosheng2

1Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, Guangzhou 510000, Guangdong Province, China; 2Shenzhen Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China; 3Second Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410011, Hunan Province, China; 4Shenzhen Pingshan Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China

Received:2022-05-13 Accepted:2022-07-23 Online:2023-09-28 Published:2022-11-07
Contact: Lin Xiaosheng, MD, Professor, Doctoral supervisor, Chief physician, Shenzhen Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China
About author:Xu Guangming, Doctoral candidate, Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, Guangzhou 510000, Guangdong Province, China; Shenzhen Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Changsha, No. 61825 (to LZY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

腰椎三关节复合体：腰椎的椎间盘和小关节突关节是腰椎的运动节段，两者共同组成腰椎三关节复合体，为人体提供腰椎的生理运动，且限制腰椎的活动幅度而维持脊柱的稳定性。
腰椎间盘退变：人体腰椎间盘是由纤维环、髓核及软骨终板三者构成，由于其类似关节的形式位于两个椎体之间，也被称为椎间关节。椎间盘能限制腰椎的过度运动，且能缓冲人体重力及运动负荷的作用，对于维持腰椎的稳定性起到重要作用。由于人体日常活动中，对于腰椎间盘的负荷及力学作用更易损伤椎间盘的组织结构，且由于其血供较少，损伤后的恢复难度较大，进而导致椎间盘退变的发生。

背景：斜扳法治疗腰椎间盘退变的生物力学研究主要集中于纤维环、髓核及骨性结构的应力及位移分析，对腰椎间盘退变后三关节复合体的力学研究目前较少见。
目的：通过有限元分析斜扳手法对腰椎间盘退变后三关节复合体生物力学的影响。
方法：将人体腰部CT图像导入到Mimics、Geomagic studio、solidworks、Hypermesh等有限元软件，构建L4、L5椎体、椎间盘、韧带、关节囊等有限元模型。根据腰椎间盘退变材料属性的不同分别给予赋值，建立正常及轻度、中度退变腰椎模型，分析斜扳法对不同退变程度腰椎间盘三关节复合体的力学分布影响。
结果与结论：①斜扳手法作用后，正常及轻度、中度退变椎间盘的最大应力分别为0.78，3.21，3.94 MPa，而对应的椎间盘最大位移逐渐减少；②斜扳手法作用后，正常及轻度、中度退变椎间盘的纤维环应力逐渐增大，中度退变椎间盘的纤维环应力明显增加；正常及轻度、中度退变椎间盘髓核内的最大应力分别为0.87，0.56，0.44 MPa，关节囊的最大拉伸高度分别为1.74，2.48，3.10 mm；③结果表明，正常椎间盘能减少腰椎三关节复合体的应力加载，起到保护作用；斜扳手法对中度退变椎间盘的操作是安全的，其最大应力值不会造成腰椎组织的破坏。

https://orcid.org/0000-0001-8533-5317 (许光明)

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: 腰椎间盘退变, 斜扳法, 有限元, 三关节复合体, 力学效应, 腰椎

Abstract: BACKGROUND: Biomechanical studies on the treatment of lumbar intervertebral disc degeneration by oblique-pulling manipulation mainly focus on the stress and displacement analysis of the annulus fibrosus, nucleus pulposus and bony structure, while mechanical studies on the three-articular complex after lumbar intervertebral disc degeneration have not been found.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical dynamic changes of the three-joint complex after lumbar intervertebral disc degeneration by oblique-pulling manipulation with finite element method.
METHODS: CT images were imported to Mimics, Geomagic Studio, SolidWorks, Hypermesh and other finite element software to construct L4 and L5 vertebral body, intervertebral disc, ligament, joint capsule and other finite element models. According to the different material properties of lumbar disc degeneration, the values were assigned to establish normal, mild and moderate degeneration models. The mechanical distribution differences of the three-joint complex with different degrees of lumbar disc degeneration were analyzed by oblique-pulling manipulation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) After oblique-pulling manipulation, the maximum stresses of normal, mild and moderate degenerative intervertebral discs were 0.78, 3.21, and 3.94 MPa, respectively, while the corresponding maximum displacement of the intervertebral disc gradually decreased. (2) After oblique-pulling manipulation, the annulus fibrosus stress of normal, mild and moderate degenerative intervertebral discs increased gradually, and the annulus fibrosus stress of moderate degenerative intervertebral discs increased significantly. The maximum stresses in the nucleus pulposus of normal, mild and moderate degenerative intervertebral discs were 0.87, 0.56, and 0.44 MPa, and the maximum stretched heights of the joint capsule were 1.74, 2.48, and 3.10 mm, respectively. (3) The results suggest that the normal intervertebral disc without degeneration can reduce the stress loading of the lumbar triarticular complex and play a protective role. Oblique-pulling manipulation of moderate degenerative intervertebral disc is safe, and its maximum stress will not cause damage to lumbar tissue.

Key words: lumbar intervertebral disc degeneration, oblique-pulling manipulation, finite element, triarticular complex, mechanical effect, lumbar spine

中图分类号:

许光明, 梁梓扬, 王宏波, 张震, 肖庆华, 杨吉勇, 林晓生. 斜扳手法对人体腰椎间盘退变后三关节复合体的力学效应[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(27): 4277-4282.

Xu Guangming, Liang Ziyang, Wang Hongbo, Zhang Zhen, Xiao Qinghua, Yang Jiyong, Lin Xiaosheng. Mechanical effect of oblique-pulling manipulation on triarticular complex after human lumbar intervertebral disc degeneration[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(27): 4277-4282.

图/表（结果） 5

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引言

腰椎的小关节突关节和椎间盘是腰椎的运动节段，两者组成腰椎三关节复合体，提供腰椎的生理运动，且限制腰椎的活动幅度而维持脊柱的稳定性。腰椎三关节复合体的退变会引起腰背部疼痛，这可能与其改变腰椎的应力集中有关，其常见的原因包括年龄、工作方式、骶骨倾斜度等[1-2]。椎间盘通常被认为主要是传递人体的轴向(垂直)压缩载荷，而关节突关节的作用主要是稳定脊柱的运动节段[3-4]。部分研究通过轴向压缩对椎间盘和关节突关节的受力，证明了部分载荷是通过关节突关节传递，而关节囊韧带的力学机制起到非常重要的作用[5]。腰椎小关节突关节具有防止运动节段轴向旋转的作用，在脊柱轴向旋转时关节突关节面一侧形成压缩的力，而另一侧趋向牵张的力，小关节的关节囊起到限制轴向运动范围的作用，并防止椎间盘的过度扭转[6-7]。CRAMER等[8]利用磁共振成像测量了轴向旋转位置(侧位姿势定位)下小关节突关节间隙距离，结果表明轴向旋转增加了轴向旋转一侧的小关节突关节间隙距离，还证明了侧位被动轴向旋转引起的关节突关节间隙宽度变化出现进一步增加。
椎间盘对于椎体间的载荷分布至关重要，在行走、跳跃、举重和其他日常活动中承受着较强的冲击和重复的负荷。在提起、扭转或突然撞击时，施加在脊柱上的力和扭矩会导致椎间盘的异常剪切和压缩应变，从而导致损伤，改变椎间盘细胞稳态的生理变化以及椎间盘的变性[9-10]。随着年龄的增长，椎间盘退化变得更严重。腰椎间盘退变是以腰痛、活动受限，下肢麻木等为主要临床症状的常见病，如腰椎椎管狭窄、腰椎间盘突出症等[11]，其发病年龄广泛，呈现出年轻化趋势，严重影响患者的日常生活。有研究指出椎间盘是脊柱退变的初始部位，而小关节退变是椎间盘退变的结果[12]。然而，部分学者认为椎间盘退变不一定先于小关节退变，在部分的腰椎节段小关节退变似乎先于椎间盘退变[13]。随着椎间盘高度的降低，表明退变的程度加重，会加剧在同一水平小关节的退变。
对于椎间盘退行性疾病，目前治疗的方法较多[14-16]，而腰椎斜扳法是临床上有效的治疗方法之一，通过力的传导作用于腰椎组织，纠正小关节的紊乱，从而恢复腰椎的解剖位置进而有效降低椎间盘压力水平。经查阅文献发现，斜扳法治疗腰椎间盘退变的生物力学研究主要集中于纤维环、髓核及骨性结构的应力及位移分析[17-18]，对腰椎间盘退变后的三关节复合体的力学研究目前较少见。
有限元分析方法已在骨科研究中被广泛应用，通过逆向几何工程建立三维模型，对模型受力后产生的力学规律进行可视化分析。卢珏等[17]通过建立有限元模型准确构建了人体腰椎模型，并通过改变骨质、韧带、椎间盘等属性材料模拟受力过程中产生的力学变化，进而分析治疗之间的差异性和有效性。李文银等[19]通过构建骨质疏松椎体模型分析不同骨水泥注入量对椎体应力的影响，从而得出骨水泥的最佳注入量，为临床提供实验依据。因此，此次实验拟通过有限元分析斜扳手法对腰椎间盘退变后三关节复合体的生物力学的影响，即时显示椎间盘及关节囊的应力、应变等变化，展示力学作用下腰椎结构的动态变化，分析其力学机制，为斜扳手法的临床应用提供理论和力学实验依据。
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 设计有限元建模，分析斜扳手法对腰椎间盘退变后小关节生物力学影响。
1.2 时间及地点实验于2022年 3-4月在广州中医药大学附属医院完成。
1.3 对象选择一名青年健康男性志愿者，年龄28岁，身高 172 cm，体质量68 kg，否认既往腰椎手术、创伤、腰椎结核、肿瘤、慢性疾病等病史，在深圳市中西医结合医院采用64排螺旋CT扫描志愿者腰部，腰椎部图像层厚0.625 mm，得到相应等厚的图片，以国际标准DICOM格式保存。受试者对研究过程及后续用途完全知情同意，并签署相关知情同意书。实验过程完全符合广州中医药大学附属医院的伦理要求(伦理批号：KY2022001)。
1.4 方法
1.4.1 建立腰椎(L4-5)三维有限元模型将所收集的患者DICOM 格式的CT数据导入到 Mimics 18.0 软件中，选定合适的灰度值后，根据不同组织成像的差异性，显示骨骼与软组织之间的区别，提取出腰椎骨骼的轮廓，通过提取的L4和L5椎体模型以STL格式保存。将文件导入Geomagic studio逆向建模软件中，通过光滑、划线等方式构建曲面片，建立腰椎模型，以step格式保存文件。再将文件导入到hypermesh软件中，根据腰椎组织的解剖学结构，分别在L4、L5的皮质骨上下表面及椎间隙建立松质骨、纤维环、髓核、终板、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、关节囊、横突间韧带等组织，如图1所示。对建立好的各部件进行网格划分，并根据相关文献的材料属性给与赋值[20-21]，如表1所示，建立正常及轻度、中度退变腰椎模型。

1.4.2 模型验证在 Hypermesh 软件中将所建立的模型，根据相关文献研究方式对模型进行力学加载[20]，限制L5椎体的6个自由活动度，同时在L4上方给予500 N垂直压力以模拟人体质量力及6 N/m力矩，模拟腰椎前屈、后伸、右倾、左倾、右旋转、左旋转等工况，计算并分析其活动度。根据图2可知，此次模型的结果与文献结果趋势一致[22-23]，表明模型的有效性。

1.4.3 手法加载斜扳手法的力学模拟是通过对上、下2个椎体同时施加推力而形成的，根据文献[24]对椎体的力学加载方式，在 L4上缘右侧加载246 N向后的推扳力，在L5下缘右侧加载266 N 向前的推扳力，上下椎体力学加载的差异形成椎体旋转的力，以此来模拟斜扳手法的临床操作过程。
1.5 主要观察指标在斜扳手法下，分析正常及轻度、中度腰椎间盘退变后小关节囊的生物力学研究，通过小关节囊高度的变化反映其受力牵拉变形情况[25]；同时观察斜扳手法对不同程度退变椎间盘的应力影响。

讨论

3.1 既往他人在该领域研究的贡献和存在的问题人体腰椎间盘由纤维环、髓核及软骨终板三者构成，由于其类似关节的形式位于2个椎体之间，也被称为椎间关节。椎间盘能限制腰椎的过度运动，且能缓冲人体重力及运动负荷的作用，对于维持腰椎的稳定性起到重要作用[26-28]。由于日常活动中，对于腰椎间盘的负荷及力学作用更易损伤椎间盘的组织结构，且由于其血供较少，损伤后的恢复难度较大，进而导致椎间盘退变的发生[29]。
椎间盘退变是常见的渐进性病变，通过改变椎间盘的形态学和力学分布并影响脊柱的力学负荷。腰痛的最常见原因包括腰椎间盘退变。腰椎间盘退变的发生是多种原因造成的，如创伤、异常过载、慢性损伤、剧烈运动等多种因素引起[30]。随着人口老龄化的发展，由椎间盘退变引起的下腰痛患者逐渐增多，这种现状不仅存在于中国，在其他国家也是如此，已然成为一种社会负担[31]。因此，研究脊柱生物力学的基本原理，分析腰椎间盘退变引起三关节复合体损伤的潜在机制非常重要。
既往的研究表明，腰椎间盘退变常伴有纤维环破裂、裂隙、骨赘形成、终板硬化、椎间盘高度降低和髓核体积变小、韧带松弛及材料属性的改变[32]。在椎间盘退化过程中，其几何形态学也在不断发生单独的或多种复杂的变化。通过有限元精准模拟退变椎间盘，不仅需要改变椎间盘的形态，还需要对退变的组织特性变化进行模拟。目前，许多学者研究了椎间盘退变后脊柱生物力学的改变如腰椎的活动度、小关节的接触应力、纤维环和髓核的应力等，发现随着椎间盘退变的进展其节段的活动度降低，小关节的应力也明显加
重[30，33-34]。然而，体外实验研究椎间盘退变无法控制不同退变程度，很难保持各腰椎组织标本的一致性[35]。因此，有限元分析可以提供一种更简单、更可靠的方法来研究由于椎间盘退变引起的机械变化，它在一定程度上弥补了体外实验研究的不足。
斜扳手法在临床中是比较常用于治疗腰椎间盘突出症及腰椎小关节紊乱的整脊手法，临床疗效明显。麦敏军等[36]通过腰椎定位斜扳法治疗腰椎失稳患者，结果表明在缓解腰部疼痛和改善腰椎功能方面疗效明显。有文献表明，腰椎的解剖特点和结构生物力学特性使其对抗旋转的力学较差，而斜扳手法采用的是侧卧旋转手法，对腰椎组织产生较大的力学响应，因此，此次实验着重分析椎间盘及关节囊组成的腰椎三关节复合体的力学分布。王国玉等[37]的研究发现，腰椎小关节与椎间盘两者所组成的三关节复合体，对于维持脊柱的稳定性起到不可替代的作用，且两者的生物力学特点也是目前研究的重点。
由于腰椎三关节复合体的的受力非常复杂，在外力加载下其结构生物力学效应不明确，而三维有限元研究能有效分析其力学机制。有限元分析法在医学研究中已有较长时间应用，由于其重复性、可视化等优势，能有效保持模型的一致性，已成为手法治疗及腰椎生物力学研究中的有效方法之一[38-39]。椎间盘退变后其产生的力学响应较正常椎间盘出现明显变化，而有限元能通过改变材料属性分析正常与退变椎间盘髓核、纤维环、关节囊等的应力应变变化。胡迎春等[40]通过构建不同程度退变椎间盘的4种工况，分析L4/5关节峡部及纤维环的最大应力值，结果显示椎间盘退变后会影响小关节的接触面积，从而引起力学再分布的变化。蔡明等[41]使用有限元研究发现，在退变后的椎间盘模型中，侧弯及后伸的应力与形变最为明显，且向患侧弯曲的工况其应力达到最大值，对椎间盘组织的损伤更甚。这些研究通过有限元方法对不同程度退变椎间盘的腰椎力学进行分析，为临床治疗提供了积极意义，以往的研究大多集中于退变的椎间盘及骨性结构，对斜扳手法治疗后腰椎三关节复合体的有整体限元研究较少见。
此次实验通过建立更真实的腰椎有限元模型，对退变后的腰椎结构给予斜扳手法处理，分析腰椎三关节复合体的应力应变，并对腰椎间盘和关节囊进行分析，为手法治疗腰椎间盘退变的安全性提供力学依据。
3.2 研究的重要意义此次实验结果显示，斜扳手法对不同程度退变椎间盘的力学响应结果有较大差异，纤维环、髓核的应力值有明显的变化，关节囊的高度值也存在差异。中度退变椎间盘纤维环的应力最高，表明退变的程度能明显增加纤维环承载力；中度退变椎间盘模型髓核的应力值为0.44 MPa，
相较于正常椎间盘模型的应力值降低，由于髓核刚度随椎间盘退变的程度而增加，且应力更集中于纤维环，而出现中度退变椎间盘的髓核最大应力值较正常椎间盘模型降低，而纤维环的最大应力值明显升高，表明外力载荷的加载下退变纤维环更容易受损，应注意操作手法的力度。在斜扳手法受力下，正常椎间盘模型关节囊的高度值为1.74 mm，中度退变椎间盘模型关节囊的高度值为3.10 mm，表明椎间盘退变后关节囊所受的应力明显增加，导致关节囊的分离，斜扳的力间接形成对关节囊的拉力，促使关节囊分离，使得其间隙增宽，容易造成损伤。研究表明，腰椎三关节复合体中的任意一个关节单元退化都会影响复合体中的其他2个关节单元，这可能使得应力不对称地传递到关节突关节和相应的椎间盘，从而导致应力集中在椎间盘和关节突关节的特定区域，这也证明了椎间盘退变和小关节退变之间非有常紧密的联
系[30，42]。上述结果证明，正常组织能更好地形成对外界冲击载荷的保护作用。后期也将在此模型的基础上构建整个脊柱的三维有限元，以更真实地仿真分析脊柱在各种环境下的力学响应，探讨椎体及软组织具体的力学负荷分布。
综上所述，此次实验建立了更真实的腰椎模型，通过改变材料属性构成椎间盘退变模型，根据手法的力学特点在模型上给予力学加载，分析不同程度退变腰椎的力学响应情况。根据上述腰椎间盘的应力及关节囊高度结果可知，退变后模型的纤维环应力值及关节囊分离值明显加大，容易造成损伤，结果表明了正常腰椎三关节复合体对于腰椎的稳定及保护作用，因此在手法操作过程中对退变椎间盘腰椎的操作力度和幅度应适当减小。
3.3 研究的局限性实验存在不足和局限性：第一，模型未构建整体脊柱模型，未将黄韧带、前纵韧带、后纵韧带、骨骼等组织的应力应变进行分析，对腰椎在手法操作过程中所产生的力学响应未能完全体现；第二，有限元腰椎节段模型是根据单一受试者的几何信息建立的，而个体之间的形态差异可能导致应力位置和运动方式的差异；第三，模型缺乏腰椎肌肉组织的构建，然而肌肉对于维持腰椎运动和维持稳定方面具有重要的作用；第四，由于不同研究者所建立的腰椎间盘退变模型的建模方法、载荷和边界条件不同，很难与这些模型中的数据进行定量比较；第五，腰椎的材料参数与真实人体仍存在差异，与实际有一定误差，仍需不断完善。
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

斜扳手法对人体腰椎间盘退变后三关节复合体的力学效应

Mechanical effect of oblique-pulling manipulation on triarticular complex after human lumbar intervertebral disc degeneration

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