有限元分析在正骨手法治療腰椎疾病研究中的應(yīng)用進(jìn)展

洪雙威，呂智楨，胡會(huì)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(dòng)量和負(fù)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(dòng)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(jī)制尚未完全明確，且缺少完整的量化標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上對(duì)正骨手法的認(rèn)可度不高[3]。有限元分析具有準(zhǔn)確性、定量性、經(jīng)濟(jì)性及可重復(fù)性等多重優(yōu)勢(shì)，成為腰椎生物力學(xué)研究的首選實(shí)驗(yàn)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(duì)腰椎有限元分析進(jìn)行了概述，并從作用機(jī)制、安全性及規(guī)范化3個(gè)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(jìn)展進(jìn)行了綜述，對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題進(jìn)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(jìn)而對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)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(gè)腰椎三維模型。國(guó)內(nèi)學(xué)者戴力揚(yáng)等[7]于1989年構(gòu)建了第一個(gè)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(jī)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(wú)肌肉對(duì)椎間盤的應(yīng)力分布影響顯著，進(jìn)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(shí)性。呂立江等[9]對(duì)比分析了杠桿定位手法作用于有肌肉腰椎模型和無(wú)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(shí)變化。有限元分析可用于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法開展的研究，且可用于模擬時(shí)間跨度較長(zhǎng)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(jī)制研究中的應(yīng)用

正骨手法治療腰椎疾病作用機(jī)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶▌?dòng)物模型、人類尸體模型、有限元模型等。然而，動(dòng)物的腰椎結(jié)構(gòu)與人體存在一定的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的適用性尚需進(jìn)一步驗(yàn)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(jī)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(duì)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(cè)杠桿定位手法治療腰椎疾病的作用機(jī)制是通過(guò)重塑腰椎的生理曲度、促進(jìn)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(diǎn)整脊法對(duì)L4～L5的生物力學(xué)影響，結(jié)果顯示三小定點(diǎn)整脊法對(duì)椎體所產(chǎn)生的位移和應(yīng)力均大于對(duì)椎間盤產(chǎn)生的位移和應(yīng)力，進(jìn)而提出正骨手法的主要機(jī)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(duì)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(huì)增加小關(guān)節(jié)受損風(fēng)險(xiǎn)。陳忻等[14]應(yīng)用有限元模型分析坐位腰椎旋轉(zhuǎn)手法對(duì)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(jìn)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(guò)改變神經(jīng)根與椎間盤的相對(duì)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(xiǎn)[16-17]。治療師對(duì)正骨手法認(rèn)識(shí)不足而選擇錯(cuò)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(duì)腰椎各結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)影響對(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下退變腰椎小關(guān)節(jié)的負(fù)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(shí)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(shí)。

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(wèn)題[20]。椎間盤內(nèi)壓的增大會(huì)增加椎間盤突出的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于椎間盤突出患者則會(huì)加重病情，而對(duì)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(xiǎn)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(duì)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(rèn)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(duì)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(duì)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(jì)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(duì)腰椎的生物力學(xué)效應(yīng)時(shí)更加科學(xué)和準(zhǔn)確。

在關(guān)于正骨手法對(duì)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(huì)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(píng)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(rèn)為不同手法亦會(huì)對(duì)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(yùn)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(méi)有蘊(yùn)含縱向的拔伸力，則會(huì)導(dǎo)致髓核內(nèi)壓增加或不變。在臨床上面對(duì)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(yùn)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(huì)的進(jìn)步，規(guī)范化在諸多領(lǐng)域成為一種趨勢(shì)，而標(biāo)準(zhǔn)化則成為一門學(xué)科成熟的標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)與療效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其在國(guó)際上的認(rèn)可度并不高。因此，正骨手法治療腰椎疾病的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化是其發(fā)展的重要方向，同時(shí)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(jìn)行正骨手法治療腰椎疾病規(guī)范化研究主要集中在2個(gè)方面，其一是比較不同手法對(duì)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(duì)腰椎的生物力學(xué)影響。Zhang等[28]比較了腰椎定點(diǎn)斜扳法與傳統(tǒng)斜扳法對(duì)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(diǎn)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(diǎn)斜扳法的療效更佳。吳山等[29]比較了定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)手法與直腰旋轉(zhuǎn)手法對(duì)腰椎生物力學(xué)的影響，結(jié)果顯示施以定點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(guò)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(lái)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(duì)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(fù)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(wèn)題

采用有限元分析研究正骨手法對(duì)腰椎生物力學(xué)的影響，可利用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，并可通過(guò)改變參數(shù)探究不同因素對(duì)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(shì)。然而，目前國(guó)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(guò)于理想化、模型腰椎節(jié)段較少、缺少動(dòng)態(tài)模擬分析、模型生理反應(yīng)不真實(shí)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(jī)制、安全性及規(guī)范化方面仍存在以下問(wèn)題：①相關(guān)研究多集中在不同手法作用機(jī)制的有限元分析，缺少針對(duì)同一手法治療不同腰椎疾病或不同證型的作用機(jī)制的深入研究；②現(xiàn)有研究多集中于正骨手法對(duì)腰椎安全性的有限元分析，而對(duì)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(huì)損傷神經(jīng)、是否會(huì)導(dǎo)致血栓脫落、是否會(huì)損傷臟腑等均是值得深入探討的問(wèn)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(duì)于正骨手法標(biāo)準(zhǔn)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(jī)制研究、安全性研究及規(guī)范化研究方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并取得較大進(jìn)展。但在正骨手法治療腰椎疾病作用機(jī)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(duì)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。