有限元分析技術(shù)在腰椎推拿手法生物力學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀*

曾雪玲，張 帆，王芳莉

安徽中醫(yī)藥大學(xué)，安徽 合肥 230000

有限元分析技術(shù)（finite element analysis，F(xiàn)EA）這一概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代，被應(yīng)用于工程力學(xué)領(lǐng)域，是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值和用于結(jié)構(gòu)分析的矩陣分析方法[1]。有限元分析在20 世紀(jì)70 年代被引入醫(yī)學(xué)研究。由于當(dāng)下對推拿手法在生物力學(xué)效應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究尚不完善，故其安全性和手法作用的理論假說不統(tǒng)一，常有爭議。而FEA 能通過數(shù)字化的方式將脊柱內(nèi)部應(yīng)力改變及生物力學(xué)特性的變化過程更加直觀的展示出來。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外研究于1972 年BREKELMANS 等［2］首次將FEA 應(yīng)用于骨生物力學(xué)問題的研究，開醫(yī)工合作之先河?；驹硎菍⒆杂蛇B續(xù)的脊柱分割為有限的小單元幾何體。再推導(dǎo)出這些小單元的作用方程，該過程稱之為有限元的離散化。之后組合整個自由連續(xù)體的單元推算出系統(tǒng)方程組，后將其求解。此后其在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛和深入。腰椎有限元分析研究的發(fā)展主要有以下幾個階段：1）原有工學(xué)有限元模型變形后建立二維對稱模型。1978 年LIN 等［3］首次建立腰椎活動節(jié)段的有限元模型，研究小關(guān)節(jié)傳遞軸向載荷的作用，并得出腰椎間盤的9 個彈性模量；2）建立三維有限模型。1986 年SPIKER 等［4］在二維對稱有限元模型的基礎(chǔ)上建立了三維有限元模型，從而為椎體有限元分析創(chuàng)立了最初始方法。3）1994年SHIRAZI-ADL等［5］首次建立了L2～L3椎體有限元模型。從而對椎體的有限元建立更加精準(zhǔn)化，細(xì)微化，該模型包括了椎間盤、終板、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨。并進(jìn)行了應(yīng)力分析研究。4）引入椎體，椎間盤材料屬性。RAO等［6］分別測量皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、髓核、纖維環(huán)的波松比和楊氏模量，建立了不同材料下的椎體模型。5）加入錐體旁軟組織。SHIRAZI-ADL 等［7］不再區(qū)分皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨，而在原有模型基礎(chǔ)上引入了前縱朝帶、后縱鑰帶、關(guān)節(jié)囊朝帶、黃初帶、橫突間韌帶、棘間初帶和棘上韌帶等7種韌帶。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于脊柱有限元模型研究起步較晚。1990 年戴力揚(yáng)等［8］首次在國內(nèi)依靠SHIRAZI-ADL等所建模型的基礎(chǔ)上，建立了包括椎體、椎間盤、韌帶的腰椎活動節(jié)段三維有限元模型，探討了腰椎在屈伸活動下對椎體間應(yīng)力分布的情況。后2002 年張美超等［9］建立L4～L5節(jié)段有限元模型分析了小關(guān)節(jié)不同狀態(tài)下的生物力學(xué)特性。陳肇輝等［10］首次對頸椎CT 圖進(jìn)行了三維重建。畢勝等［11］對腰椎牽引過程進(jìn)行了有限元分析，得出纖維環(huán)由于負(fù)壓的產(chǎn)生促使應(yīng)力增加，小關(guān)節(jié)垂直應(yīng)力幾乎為零，髓核內(nèi)壓力隨著牽引力的增加而逐漸減小后增大。后畢勝等［12］再次通過有限元法探究了三類腰椎斜板手法下對髓核內(nèi)壓、纖維環(huán)、小關(guān)節(jié)的受力機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M后得出牽引扳法下髓核內(nèi)壓最小，甚而出現(xiàn)負(fù)值，小關(guān)節(jié)受力減小，內(nèi)側(cè)纖維環(huán)所受壓力最大，有助于椎間盤的回納。坐位扳法和斜板法外側(cè)纖維環(huán)受力增加，小關(guān)節(jié)受力和髓核內(nèi)壓變化不明顯。

3 腰椎有限元建模的原理及其研究方法

利用有限元分析技術(shù)探究手法作用，首先是建立一個與脊柱相類似的生物力系統(tǒng)模型，該模型根據(jù)所研究的目的不同可以建立為正常生理模型和病理模型。將臨床診斷收集來的原始資料通過三維重建軟件建立一個與受試者相類似的脊柱三維結(jié)構(gòu)。并在此基礎(chǔ)上添加椎間盤（纖維環(huán)、髓核）之后采用劃分立體網(wǎng)格的方式將模型分割為許多小單元個體并賦予各個單元相應(yīng)的材料屬性。眾多國內(nèi)外學(xué)者［13-14］將腰椎旁周圍韌帶，肌肉直接或間接加入模型中。進(jìn)而獲得完善的腰椎有限元模型。所建模型應(yīng)當(dāng)接近真實(shí)人體腰椎，故當(dāng)驗(yàn)證其可靠性。常用的驗(yàn)證手段有文獻(xiàn)驗(yàn)證、尸體標(biāo)本驗(yàn)證和臨床觀察驗(yàn)證。在確定該模型的可靠性后再將手法力進(jìn)行轉(zhuǎn)化分解為模擬力，假設(shè)出不同的工況帶入模型中運(yùn)算所得腰椎和椎間盤各個部位受力和位移情況。工況可以由模擬手法操作所得或自定義工況中的某個單位數(shù)值來探究在獲得最大療效時所需手法操作的角度或力的大小。

原始資料的收集方法有X 線、電子計算機(jī)斷層掃描攝影（CT）、磁共振成像（MRI）、超聲、數(shù)字解剖學(xué)技術(shù)等影像學(xué)技術(shù)和壓力傳感器、等速肌力測試系統(tǒng)等生物力學(xué)檢測技術(shù)。處理CT、MRI數(shù)據(jù)的有關(guān)軟件主要有Mimics、Unigraphics、Simpleware 等，生成模型后導(dǎo)入有限元軟件如Abaqus、Ansys和ADINA等［15-17］。其流程圖見圖1。

圖1 腰椎有限元分析流程

4 FEA在腰椎推拿手法中的應(yīng)用

4.1 腰椎旋轉(zhuǎn)手法與有限元臨床上，腰椎旋轉(zhuǎn)手法以腰椎定點(diǎn)腰椎旋轉(zhuǎn)手法最具代表性。腰椎坐位定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)手法在操作過程中通過兩個杠桿力而使錯位的整個腰椎階段發(fā)生同步位移，一個杠桿作用的作用力由施術(shù)者置于頸部的右手產(chǎn)生（以棘突右偏為例），自上而下經(jīng)左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)進(jìn)行傳遞，以偏歪椎體右側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，進(jìn)而通過杠桿作用將力擴(kuò)大為15 倍產(chǎn)生偏歪側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的撥正力。在右手施力的同時左手拇指發(fā)生的椎體撥正力通過指腹傳遞于患椎偏歪側(cè)棘突，同樣以患椎偏歪側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)為支點(diǎn)。此時兩個不同施力點(diǎn)的杠桿力同時以偏歪側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)為支點(diǎn)促使整個患椎在瞬間復(fù)位，帶動小關(guān)節(jié)粘連得以松動，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)間隙增大，緩解神經(jīng)根壓迫。由此可見，在定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)手法作用下，對于患椎偏歪側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的受力顯著增高，這也正是該手法臨床操作的風(fēng)險所在，提示我們需重視關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的安全性。通過有限元模型模擬該手法操作時施以不同的力和不同角度下探究患椎的位移變化和椎體各個部位的受力情況。徐海濤等［18］在L4～L5有限元模型下，分解坐位旋轉(zhuǎn)手法探究在不同前屈角（6°、9°、12°）下對椎間盤的應(yīng)力作用和對退變椎間盤的應(yīng)力改變。結(jié)果顯示前屈角的改變對椎間盤位移影響不明顯，椎間盤幾乎無后突現(xiàn)象。應(yīng)力主要集中于椎間盤前緣右側(cè)和后緣左側(cè)（手法右旋操作），退變椎間盤后緣左側(cè)壓力隨前屈角增大而增大。向健側(cè)旋轉(zhuǎn)方案優(yōu)于向患側(cè)旋轉(zhuǎn)且前屈角不宜過大。王國林等［19］通過CT 三維重建L4～L5腰椎有限元模型，檢測坐位旋轉(zhuǎn)手法作用時椎體各個部位的應(yīng)力變化（垂直載荷300 N，X 軸側(cè)彎6°Y 軸前屈6°L4棘突左偏前30°3NM 旋轉(zhuǎn)力矩L4椎體上緣右15 NM 旋轉(zhuǎn)力矩延時0.25 s），結(jié)果顯示，應(yīng)力：在手法操作時應(yīng)力最早發(fā)生于左側(cè)小關(guān)節(jié)下端（右側(cè)旋轉(zhuǎn)），后應(yīng)力傳遞于左峽部和椎弓根部，后力平行傳遞于右側(cè)。椎間盤應(yīng)力集中點(diǎn)于外側(cè)環(huán)前外側(cè)部和右外側(cè)部，左外側(cè)部相對較小。位移：位移自上位椎體上緣向下位椎體椎間盤遞減，位移最明顯且最早出現(xiàn)于上位椎體左側(cè)關(guān)節(jié)突，由此使左側(cè)椎間孔增大明顯，右側(cè)略微減小。胡華等［20］建立“腰椎-骨盆-股骨上端”三維有限元生物力學(xué)模型，將使用64層CT掃描志愿者12腰椎下兩側(cè)及股骨上端以上，建立模型，前屈（15°、20°）側(cè)屈（9°、15°、20°）右旋（15°）縱向（加載300 N牽引300 N），將以上相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入所建模型中，運(yùn)算手法作用下各部位的位移及其應(yīng)力變化。進(jìn)而得出：1）在同前屈15°下，側(cè)屈增加，同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨質(zhì)、椎間盤以及各韌帶的最大位移增加。位移最大值出現(xiàn)在前屈20°側(cè)曲12°；2）在同前屈15°下，側(cè)屈增加，同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨質(zhì)、椎間盤以及各韌帶應(yīng)力增加。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在前屈15°側(cè)曲20°。胡華等［21］用同樣方法建模，探究在旋轉(zhuǎn)定位手法操作中，約束雙側(cè)股骨遠(yuǎn)端部分對腰椎位移的影響作用，運(yùn)算所得腰椎位移值大于以往文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)，推測與約束及加載的范圍有關(guān)；但對于腰椎和椎間盤的應(yīng)力和應(yīng)變，其結(jié)果基本保持一致。

4.2 腰椎斜扳手法與有限元腰椎斜扳法是推拿的常用方法之一，符合力學(xué)中的杠桿原理，對脊柱源性疾病有較好的治療作用［22］。但其操作中含有操作者個人的主觀意識，手法確切的操作方法和適應(yīng)證并未完全清楚，尚缺乏金標(biāo)準(zhǔn)。近些年內(nèi)由于該手法的普遍使用，臨床醫(yī)生的操作經(jīng)驗(yàn)參差不齊，從而導(dǎo)致意外事故頻發(fā)。國內(nèi)有學(xué)者［23］提出以自身經(jīng)驗(yàn)為主要依據(jù)的手法教學(xué)及臨床操作存在相當(dāng)?shù)闹饔^性和隨意性，這也許是斜扳手法發(fā)生意外事件的潛在風(fēng)險之一?！斑菄}”聲響預(yù)示著關(guān)節(jié)活動達(dá)到極位，同時也標(biāo)志著旋轉(zhuǎn)手法整復(fù)操作成功，偏位椎體回到正常生理位置［24］。有學(xué)者［25］得出了在“咔噠”聲響出現(xiàn)時該手法作用在右側(cè)肩部的應(yīng)力為（12.552±1.714）kg，作用在右側(cè)臀部的應(yīng)力為（13.587±1.631）kg。進(jìn)而利用有限元模擬“咔噠”聲響出現(xiàn)時的推扳力和力距下對椎管后部應(yīng)力改變和椎間盤應(yīng)力改變數(shù)值，為該手法的定量化提供了依據(jù)。徐海濤等［26］通過在患者腰椎安裝壓力傳感器來測量當(dāng)斜扳手法所致咔噠聲響時，其力與力矩的大小隨時間曲線的變化。結(jié)果顯示手法操作有彈響時力主要集中于椎間盤后部結(jié)構(gòu)，而椎間盤直接所受壓力很小。以上研究說明腰椎斜扳法對椎間盤相對安全。但對椎間盤后部組織薄弱的患者不適用。韓磊等［27］采用有限元光電定位方式測試斜扳手法在體運(yùn)動軌跡及其作用力的大小。得出斜扳手法的力學(xué)特征即預(yù)加載力越大，扳動力就越大，最大作用力亦越大；運(yùn)動特征即高速扳動的運(yùn)動是腰椎小幅度扭轉(zhuǎn)的軌跡。因此要求在手法操作時以“醫(yī)患穩(wěn)定接觸”“順勢發(fā)力”“隨發(fā)隨收”為原則。豆夢琳等［28］用有限元方法模擬L1～L5的自由度振動系統(tǒng)，研究比對脈沖激勵的傳統(tǒng)斜扳法和簡諧激勵的改良斜扳法兩種不同手法的力學(xué)特性，對基本方程進(jìn)行解析，求解得出頻率≤1 的簡諧激勵改良斜扳法作用下的位移大于脈沖激勵傳統(tǒng)斜扳法下的位移且可控制損傷范圍。

4.3 拔伸、按壓類手法與有限元李延紅等［29］通過CT 斷層重建的方法模擬了一名體檢無腰椎退變志愿者，后將所得圖像數(shù)據(jù)通過ADINA 有限元模擬軟件進(jìn)行建模，并分別模擬水平位、后伸、前屈3 種拔伸手法，從小到大逐漸模擬提升拔伸力的數(shù)值，加載到700N 時提取各個層次的云圖。后分析可得，拔伸手法在各個位置對椎間盤內(nèi)壓減小都有效，前屈位最為明顯，水平位次之，后伸位最弱。該結(jié)論與臨床所得結(jié)論大致相同，該分析為離體實(shí)驗(yàn)提供了有力數(shù)據(jù)。張曉剛等［30-31］通過成年無腰椎退變志愿者，建立有限元模型。探究水平位、后伸10°位、前屈30°位3種體位下模擬拔伸按壓手法對椎間盤組織受力位移情況，發(fā)現(xiàn)在前屈30°位下位移最明顯且對椎間盤壓力最小，該位置治療腰椎疾患安全和有效。隨后，張曉剛等［31］、楊學(xué)鋒等［32］建立了退變腰椎段（L1～L5）的有限元模型，模擬同等的手法作用力，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)對于腰椎狹窄和骨質(zhì)疏松較為嚴(yán)重的患者其椎管內(nèi)供神經(jīng)根移動的空間過小，用拔伸按壓手法操作時神經(jīng)根受力的損傷明顯增高，不宜使用拔伸按壓類手法操作。該實(shí)驗(yàn)研究為臨床拔伸按壓類手法操作的適應(yīng)證和所施術(shù)的力度有一個明確的閾值，以示參考。

5 問題與展望

為了更好地評價脊柱生物力學(xué)，目前在方法學(xué)上有3 種，包括體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)、體內(nèi)活體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)及計算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)［33］。近年來，突飛猛進(jìn)的有限元分析技術(shù)使計算機(jī)模擬生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了快速發(fā)展。有限元應(yīng)用于探究腰椎推拿手法在國內(nèi)雖然起步較晚，早期主要基于L4～L5建模，不過近年發(fā)展迅速，立足長遠(yuǎn)。為更好模擬手法作用力的特點(diǎn)，形成以L5～S1、腰-盆-髖等的新型建模方法。為臨床所常用腰椎推拿手法闡明了作用機(jī)制，肯定了手法操作治療腰椎疾病的有效性并為制定手法的準(zhǔn)確操作規(guī)范提供了參考。綜合近年來國內(nèi)外學(xué)者用有限元分析法探究腰椎手法看，國內(nèi)建模和手法力的分解方面仍存在明顯不足。西方學(xué)者對腰椎有限元的建模將韌帶及關(guān)節(jié)囊等關(guān)節(jié)附屬組織引入模型中，從而更好模擬脊柱生物力學(xué)的特點(diǎn)［34-35］。且不單單局限于對正常腰椎體的建模，CharoskySL 和MORENO P 等［36］利用有限元建立了健康、高脫水和完全退變不同病理狀態(tài)下的L1～S1模型，目前國內(nèi)仍以正常腰椎體建模較多，病理性腰椎建模較少，但臨床手法治療大多為病理性腰椎，故其材料的彈性模量和泊松比與文獻(xiàn)所提供的大有不同，因而運(yùn)算所得手法操作力的參數(shù)與臨床有一定誤差。其次對手法操作力的分析過于單一，忽略了在實(shí)際操作過程中手法作用力的復(fù)雜性。近年有學(xué)者［37］提出將推拿手法作用時腰椎的三維運(yùn)動通過笛卡爾坐標(biāo)系和光電定位的方法定性、定量的測量，并顯示出來。使各種復(fù)雜的手法，轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)可以識別和模擬的應(yīng)力、距離、角度等力學(xué)參數(shù)。今后應(yīng)深入研究腰椎模型的仿真性、病理性腰椎模型材料、手法操作力的分解等方面。以更好地闡釋推拿手法的作用機(jī)制，為手法的臨床操作提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。