有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病研究中的應(yīng)用進展

洪雙威，呂智楨，胡會杰，田雨，呂立江

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

腰椎是人體活動量和負載最大的結(jié)構(gòu)，在肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)囊等組織的協(xié)同作用下維持著動態(tài)平衡[1]。生物力學(xué)失衡是誘發(fā)腰椎疾病的重要原因之一。臨床上采用正骨手法治療腰椎疾病取得了良好的效果[2]，但由于正骨手法的作用機制尚未完全明確，且缺少完整的量化標準，國際上對正骨手法的認可度不高[3]。有限元分析具有準確性、定量性、經(jīng)濟性及可重復(fù)性等多重優(yōu)勢，成為腰椎生物力學(xué)研究的首選實驗方法，在正骨手法治療腰椎疾病的相關(guān)研究中發(fā)揮了重要作用。本文對腰椎有限元分析進行了概述，并從作用機制、安全性及規(guī)范化3個方面就有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病研究中的應(yīng)用進展進行了綜述，對目前研究中存在的問題進行了分析。

1 腰椎有限元分析概述

有限元分析是將連續(xù)體離散化為若干有限大小的單元體，進而對實際問題進行模擬求解的分析方法[4]。Brekelmans等[5]于1972年首次將有限元分析與脊柱生物力學(xué)相結(jié)合，Liu等[6]于1975年采用有限元分析建立了世界上第一個腰椎三維模型。國內(nèi)學(xué)者戴力揚等[7]于1989年構(gòu)建了第一個退行性腰椎有限元模型，該研究發(fā)現(xiàn)腰椎間盤退變導(dǎo)致腰椎上的應(yīng)力分布與載荷傳遞出現(xiàn)明顯改變，為臨床上研究腰椎疾病的發(fā)病機理提供了生物力學(xué)基礎(chǔ)。Zander等[8]研究發(fā)現(xiàn)腰椎有限元模型中有無肌肉對椎間盤的應(yīng)力分布影響顯著，進而提出在腰椎有限元分析中，應(yīng)加入肌肉組織以提高模型的完整性與真實性。呂立江等[9]對比分析了杠桿定位手法作用于有肌肉腰椎模型和無肌肉腰椎模型的力學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示后者的力學(xué)數(shù)據(jù)較為集中，不能反映腰椎結(jié)構(gòu)的真實變化。有限元分析可用于傳統(tǒng)實驗方法無法開展的研究，且可用于模擬時間跨度較長的研究[10]。隨著有限元分析建模精度的不斷提高、模型內(nèi)容的不斷豐富，其已成為研究腰椎生物力學(xué)的重要方法。

2 有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病作用機制研究中的應(yīng)用

正骨手法治療腰椎疾病作用機制研究主要包括體內(nèi)研究和體外研究。體內(nèi)研究受限于影像技術(shù)，發(fā)展較為緩慢；體外研究是目前主要的研究方式，常用的實驗?zāi)Ｐ桶▌游锬Ｐ汀⑷祟愂w模型、有限元模型等。然而，動物的腰椎結(jié)構(gòu)與人體存在一定的差異，實驗結(jié)論的適用性尚需進一步驗證；人類尸體具有保存難、生物力學(xué)特性易改變、操作環(huán)境苛刻等局限性[11]。因此，有限元分析逐漸成為研究正骨手法治療腰椎疾病作用機制的主要方法。呂立江等[9]采集健康成人志愿者的腰椎影像信息，構(gòu)建了網(wǎng)格單元形狀規(guī)則、幾何精度高的完整的有肌肉腰椎有限元模型，并利用該模型分析杠桿定位手法對腰椎生物力學(xué)的影響，研究結(jié)果顯示杠桿定位手法增加了腰椎曲度，L4～5椎間盤的前后緣位移明顯，推測杠桿定位手法治療腰椎疾病的作用機制是通過重塑腰椎的生理曲度、促進椎間盤突出部分回納而解除神經(jīng)根壓迫。張仁倩等[12]等構(gòu)建了L4～L5有限元模型，分析三小定點整脊法對L4～L5的生物力學(xué)影響，結(jié)果顯示三小定點整脊法對椎體所產(chǎn)生的位移和應(yīng)力均大于對椎間盤產(chǎn)生的位移和應(yīng)力，進而提出正骨手法的主要機制是調(diào)整椎體的位置以恢復(fù)腰椎的力學(xué)平衡。張曉剛等[13]建立了正常腰椎和椎間盤突出腰椎的有限元模型，比較分析了拔伸按壓手法對2種模型的生物力學(xué)影響，結(jié)果顯示拔伸按壓手法能改變退變腰椎節(jié)段椎間盤內(nèi)的應(yīng)力分布，減輕神經(jīng)根受壓情況并且不會增加小關(guān)節(jié)受損風(fēng)險。陳忻等[14]應(yīng)用有限元模型分析坐位腰椎旋轉(zhuǎn)手法對退變腰椎產(chǎn)生的生物力學(xué)影響，結(jié)果顯示應(yīng)力主要集中在纖維環(huán)，引起椎間盤向前上方拉伸移位進而促使神經(jīng)根粘連松解。李延紅等[15]建立了健康男性L3～S1有限元模型，并在腰椎前屈、后伸、中立位分別施以拔伸手法，結(jié)果顯示與神經(jīng)根相鄰的腰椎間盤后外側(cè)發(fā)生了0.5～1.0 mm的位移，提示正骨手法通過改變神經(jīng)根與椎間盤的相對位置而減輕神經(jīng)根壓迫。

3 有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病安全性研究中的應(yīng)用

正骨手法治療腰椎疾病存在疼痛加重、馬尾神經(jīng)受損甚至癱瘓等風(fēng)險[16-17]。治療師對正骨手法認識不足而選擇錯誤的手法是導(dǎo)致這些并發(fā)癥的主要原因。采用有限元分析研究正骨手法對腰椎各結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)影響對于正骨手法治療腰椎疾病的安全性研究具有重要意義。徐海濤等[18]分別構(gòu)建了正常腰椎和退變腰椎有限元模型以分析坐位旋轉(zhuǎn)手法對腰椎生物力學(xué)的影響，結(jié)果顯示施以坐位旋轉(zhuǎn)手法后退變腰椎的最大位移約是正常腰椎的4倍。葉淦湖等[19]采用有限元分析比較了退變腰椎與正常腰椎在施以正骨手法后小關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布情況，結(jié)果顯示在多種運動狀態(tài)下退變腰椎小關(guān)節(jié)的負載均大于正常腰椎小關(guān)節(jié)，而且小關(guān)節(jié)面上的應(yīng)力在腰椎前屈與旋轉(zhuǎn)時迅速增大，提示臨床上采用正骨手法治療腰椎退變患者，應(yīng)注意控制力度，尤其在腰椎前屈與旋轉(zhuǎn)時。

在正骨手法治療腰椎疾病安全性研究中，手法作用下椎間盤內(nèi)壓的變化是關(guān)注的另一核心問題[20]。椎間盤內(nèi)壓的增大會增加椎間盤突出的風(fēng)險，對于椎間盤突出患者則會加重病情，而對于腰椎椎管狹窄患者則可能導(dǎo)致因相應(yīng)節(jié)段脊髓受壓而發(fā)生癱瘓的風(fēng)險增加。然而，目前關(guān)于正骨手法作用下椎間盤內(nèi)壓的變化，不同研究結(jié)果尚存在差異。椎間盤內(nèi)壓的大小由髓核內(nèi)壓決定，畢勝等[21]采用1步加載求解的方式分析斜扳手法對腰椎有限元模型應(yīng)力的影響，結(jié)果顯示髓核內(nèi)壓升高，因此作者認為斜扳手法存在一定的安全隱患。Shu等[22]采用2步加載的方式在有限元模型上模擬斜扳手法，第1步施以軸向壓縮載荷以模擬自身體重對椎間盤的影響，第2步施以軸向壓縮載荷與旋轉(zhuǎn)力矩以模擬斜扳手法，結(jié)果顯示第2步加載后椎間盤的應(yīng)力和位移均小于第1步加載后，提示斜扳手法能夠降低椎間盤內(nèi)壓(椎間盤的應(yīng)力和位移與椎間盤內(nèi)壓呈正相關(guān))。張人文等[23]比較了2步加載分步求解與1步加載求解分析直腰旋轉(zhuǎn)手法對腰椎間盤的影響，結(jié)果顯示2種分析方法L4～5椎間盤左后方的應(yīng)力和位移的組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義；其提出施加手法前腰椎間盤已受到軸向的壓力從而產(chǎn)生了一定的應(yīng)力與位移，忽略已有的軸向壓力是導(dǎo)致不同研究結(jié)果差異的主要原因，2步加載分步求解在闡述正骨手法對腰椎的生物力學(xué)效應(yīng)時更加科學(xué)和準確。

在關(guān)于正骨手法對腰椎間盤壓力影響的研究中，少數(shù)正骨手法能夠降低髓核內(nèi)壓[9,22]，多數(shù)正骨手法會導(dǎo)致髓核內(nèi)壓不變或升高[20-21,24-26]。然而，臨床上并不能依據(jù)這些結(jié)果評估手法的安全性，導(dǎo)致這些結(jié)果差異的原因可能是有限元分析未采用2步加載分步求解的方式[23]。我們認為不同手法亦會對髓核內(nèi)壓產(chǎn)生不同的影響，這與手法的發(fā)力方向有一定的關(guān)系，如果手法中蘊含了縱向的拔伸力，則可能導(dǎo)致髓核內(nèi)壓降低；如果手法中沒有蘊含縱向的拔伸力，則會導(dǎo)致髓核內(nèi)壓增加或不變。在臨床上面對腰椎椎管狹窄或腰椎間盤突出癥患者我們可以優(yōu)先考慮如杠桿定位手法等蘊含縱向拔伸力的正骨手法，以提高正骨手法的安全性。

4 有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病規(guī)范化研究中的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，規(guī)范化在諸多領(lǐng)域成為一種趨勢，而標準化則成為一門學(xué)科成熟的標志，傳統(tǒng)中醫(yī)也不能例外[27]。然而，由于正骨手法缺少客觀的量化標準與療效評價標準，其在國際上的認可度并不高。因此，正骨手法治療腰椎疾病的規(guī)范化和標準化是其發(fā)展的重要方向，同時也是傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)。目前，臨床上應(yīng)用有限元分析進行正骨手法治療腰椎疾病規(guī)范化研究主要集中在2個方面，其一是比較不同手法對腰椎的生物力學(xué)影響，其二是比較不同體位或不同角度同一手法對腰椎的生物力學(xué)影響。Zhang等[28]比較了腰椎定點斜扳法與傳統(tǒng)斜扳法對正常型、輕度退變型、中度退變型腰椎有限元模型產(chǎn)生的生物力學(xué)影響，結(jié)果顯示施以腰椎定點斜扳法的正常型、輕度退變型、中度退變型椎體的平均前移距離均大于施以傳統(tǒng)斜扳法，提示腰椎定點斜扳法的療效更佳。吳山等[29]比較了定點旋轉(zhuǎn)手法與直腰旋轉(zhuǎn)手法對腰椎生物力學(xué)的影響，結(jié)果顯示施以定點旋轉(zhuǎn)手法后椎體、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間孔的位移更大，提示定點旋轉(zhuǎn)手法的療效更佳。盧鈺等[30]比較了在腰椎前屈30°位、中立位及后伸10°位施以腰椎斜扳手法對腰椎生物力學(xué)的影響，結(jié)果顯示腰椎前屈30°位后外側(cè)椎間盤與神經(jīng)根的距離最大，腰椎后伸10°位髓核內(nèi)應(yīng)力最小，纖維環(huán)應(yīng)力最大；作者提出可以通過先于后伸10°位施以腰椎斜扳手法，再于前屈30°位施以腰椎斜扳手法來提高臨床療效。陳芯儀[31]在腰椎有限元模型上自左至右每隔15°施以1次肘按手法以比較不同角度施以肘按手法對腰椎生物力學(xué)的影響，結(jié)果顯示在左側(cè)30°～45°施以肘按手法，L4～L5關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的位移較大，且椎體的負荷較小，提示以該角度施以肘按手法療效最佳。

5 有限元分析應(yīng)用于正骨手法治療腰椎疾病研究中存在的問題

采用有限元分析研究正骨手法對腰椎生物力學(xué)的影響，可利用計算機圖像技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，并可通過改變參數(shù)探究不同因素對腰椎生物力學(xué)的影響[32]。因此，利用有限元分析開展正骨手法治療腰椎疾病的相關(guān)基礎(chǔ)研究，具有顯著的優(yōu)勢。然而，目前國內(nèi)外建立的有限元模型尚存在未考慮椎體其他病變、模型參數(shù)過于理想化、模型腰椎節(jié)段較少、缺少動態(tài)模擬分析、模型生理反應(yīng)不真實等不足。此外，關(guān)于應(yīng)用有限元分析開展正骨手法治療腰椎疾病的相關(guān)研究雖已取得了初步成果，但在作用機制、安全性及規(guī)范化方面仍存在以下問題：①相關(guān)研究多集中在不同手法作用機制的有限元分析，缺少針對同一手法治療不同腰椎疾病或不同證型的作用機制的深入研究；②現(xiàn)有研究多集中于正骨手法對腰椎安全性的有限元分析，而對于神經(jīng)、血管及臟腑等層面的研究較少，比如正骨手法引起的生物力學(xué)改變是否會損傷神經(jīng)、是否會導(dǎo)致血栓脫落、是否會損傷臟腑等均是值得深入探討的問題；③目前正骨手法治療腰椎疾病的規(guī)范化研究較為局限，多集中在2～3種同類型的正骨手法的分析比較，而不同類型正骨手法間的比較研究較少，而對于正骨手法標準化的研究則更為稀少。

6 小 結(jié)

隨著建模精度的不斷提高、模型內(nèi)容的不斷豐富，有限元分析已成為腰椎生物力學(xué)研究的重要方法。有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病作用機制研究、安全性研究及規(guī)范化研究方面顯示出獨特的優(yōu)勢，并取得較大進展。但在正骨手法治療腰椎疾病作用機制研究及安全性研究方面，不同研究間尚存在差異；而在規(guī)范化研究方面，相關(guān)研究尚存在一定的局限性。因此，對于正骨手法治療腰椎疾病，還需應(yīng)用有限元分析開展更加深入、全面的高質(zhì)量研究。