基于有限元模型探討不同角度肘按法對 腰椎間盤位移的影響

李棋龍 陳芯儀 呂倩憶 鄭慧娥 何灝龍 盧小葉 田浩梅 陳楚淘

〔摘要〕 目的 觀察不同角度肘按法下腰椎間盤生物力學的改變情況，以探討肘按法的作用機制及肘按法治療腰椎間盤突出癥的最適宜角度，為臨床治療本病提供部分實驗依據。方法 根據健康成人腰椎運動節段（L4-5）的CT影像學資料，運用Mimics 17.0、Geomagic 10.0軟件，構建正常的腰椎間盤模型及突出腰椎間盤（L4-5）模型，利用Abaqus軟件模擬正常腰椎間盤和突出腰椎間盤（L4-5）于軸向、扭轉壓力下前屈、后伸、側屈、旋轉載荷下生物力學參數，即時顯示不同角度肘按法下正常腰椎間盤和突出腰椎間盤（L4-5）的位移變化。結果 不同角度肘按法下，正常腰椎間盤與突出腰椎間盤位移分布趨勢基本一致;與正常腰椎間盤相比，突出腰椎間盤位移量小，位移范圍較集中。與正常腰椎間盤相比，應用15°～60°的按壓角度，腰椎間盤突出部位向右、向前方位移;應用75°按壓時，腰椎間盤突出部位向前位移;應用90°～165°按壓時，腰椎間盤突出部位向左、向前方位移。不同角度肘按法下，正常模型與突出模型的腰椎間盤突出部位的位移值，組間比較差異無統計學意義（P>0.05）;但是組內比較，采用15°按壓時與運用30°～150°按壓時相比較，腰椎間盤突出部位的位移值差異均有明顯統計學意義（P<0.01）。結論 肘按法發揮作用的機制可能與腰椎間盤后部的相對位移有關，且不同的按壓角度會對腰椎間盤產生不一樣的位移效果。

〔關鍵詞〕 腰椎間盤突出癥;腰椎間盤位移;肘按法;有限元模型;生物力學

〔中圖分類號〕R244;R681? ? ? ?〔文獻標志碼〕A? ? ? ?〔文章編號〕doi：10.3969/j.issn.1674-070X.2021.08.014

Influence of Different Angle Elbow Press Method on the Displacement of Lumbar

Disc Based on Finite Element Model

LI Qilong， CHEN Xinyi， LV Qianyi， ZHEN Huie， HE Haolong， LU Xiaoye， TIAN Haomei， CHEN Chutao*

（Hunan University of Chinese Medicine， Changsha， Hunan 410208， China）

〔Abstract〕 Objective To observe the changes of biomechanics of lumbar intervertebral disc under different angles of elbow press， in order to explore the mechanism of action of elbow press and the best angle of treatment of lumbar intervertebral disc protrusion， to provide some experimental basis for clinical treatment of this disease. Methods According to CT imaging data of lumbar motion segment （L4-5） in healthy adults， normal lumbar disc models and prolapsed lumbar disc models （L4-5） were established by using Mimics 17.0 and Geomagic 10.0 software. Abaqus software was used to simulate the biomechanical parameters of normal lumbar intervertebral disc and protruded lumbar intervertebral disc （L4-5） under axial， torsional pressure， flexion， extension， lateral flexion and rotation load， the displacement changes of normal and protruded lumbar intervertebral discs （L4-5） were observed through elbow press method at different angles. Results Under different angles of elbow press， the displacement of normal lumbar disc was similar to that of protruded lumbar disc， and the displacement of protruded lumbar disc was smaller and more concentrated than that of normal lumbar disc. Compared with the normal lumbar intervertebral disc， the position of lumbar intervertebral disc protrusion moved to the right and forward at the pressing angle of 15°～60°; the position of lumbar intervertebral disc protrusion moved to forward at the pressing angle of 75°; and the position of lumbar intervertebral disc protrusion moved to the left forward at the pressing angle of 90°～165°. There was no significant difference in displacement values of lumbar intervertebral disc protrusion between the normal model and the protrusion model （P>0.05）; there were statistically significant differences in the displacement values of lumbar disc herniation when pressing at 15° compared with pressing at 30°～150° （P<0.01）. Conclusion The mechanism of elbow press method may be related to the relative displacement

of the posterior part of the lumbar intervertebral disc， and different pressing angles have different displacement effects on the lumbar intervertebral disc.

〔Keywords〕 lumbar disc herniation; displacement of lumbar intervertebral disc; elbow press method; finite element model; biomechanics

腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation， LDH）是指腰椎間盤發生退行性病變后，纖維環部分或全部破裂，髓核單獨或者連同纖維環、軟骨終板向外突出，刺激或壓迫竇椎神經和神經根引起的以腰腿痛為主要癥狀的一種綜合征[1]。據相關報道，LDH的發病率為2%～3%，而35歲以上的男性發病率約為4.8%，女性約為2.5%。至少95%的LDH發生于L4-5和L5-S1[2-3]，患者多伴有不同程度的腰骶部疼痛、下肢疼痛等不適癥狀，嚴重影響了患者的生活質量，威脅著人類的健康。LDH的發病機制目前尚不完全清楚，主流觀點有神經機械壓迫機制、炎癥化學性刺激機制、自身免疫反應機制等[4]。推拿是中醫常用的外治方法，肘按法是推拿治療中常用的基礎手法之一，其著力面小、刺激量大，具有行氣通絡、消腫止痛、調節臟腑等功效。現代醫學研究[5]證實，肘按法可以促進炎癥物質吸收;改善椎間盤與神經根、硬膜囊及血管的毗鄰關系，使受壓神經根與周圍組織的粘連得到充分松解，減輕或解除脊髓、神經所受機械壓迫;緩解肌肉緊張，調節失穩腰椎小關節的位置，松解小關節的嵌頓、扭曲或半脫位狀態，糾正脊柱生理弧度及側彎，恢復脊柱的正常生物力學狀態。

有限元分析（finite element analysis， FEA）是一種有效的離散化數值計算方法，把一個復雜的彈性實體可以當作是由無限個質點組成的集合體，用這種離散化的有限單元模型可以替代實體來進行椎體及退變腰椎間盤的生物力學研究[6]，相較于傳統的實驗方法，它能夠模擬多種載荷施加情況，且可獲得骨骼內部的應力分布[7]。近年來，有限元技術被也越來越多的引入到手法治療LDH作用機制的研究中[8-10]，基于此，本研究擬選取LDH好發部位L4-5為研究對象，構建L4-5 LDH三維有限元模型，以推拿常用手法肘按法為干預手段，觀察在此運動節段中L4-5腰椎間盤的位移情況，探討肘按法的作用機制及肘按法治療LDH的最適宜角度，為臨床治療本病提供部分實驗依據。

1 研究對象和方法

1.1? 研究對象

選擇一例無腰椎間盤疾病病史的25歲男性健康志愿者，志愿者對本實驗研究知情同意。

1.2? 研究方法

1.2.1? 數據采集? 采用64排螺旋CT（美國GE Medicalhealthcare公司）對受試者腰椎L4-5運動節段橫斷面掃描，獲取斷層醫學圖像資料，以DICOM 格式儲存，掃描條件：管電壓80～140 kVp，管電流230 mA，層厚0.625 mm，共272層。

1.2.2? 建模工具? 計算機配置：intel（R）Core（TM）i7-7500 U，2.90 GHz，4 G內存，顯卡intel（R）HD Graphics 620，顯存容量 2 G，Windows 10 操作系統。軟件包括：醫學圖像處理軟件Mimics 17.0（比利時Meterialise公司）;逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0（美國Geomagic公司）、Solidworks 2016（美國Dassault Systemes公司）;有限元前處理軟Hyperworks（美國Altair公司）;有限元分析軟件Abaqus（美國Dassault Systemes公司）[8]。

1.2.3? L4-5椎間盤、椎體正常模型及突出模型的建立? 由mimics 17.0軟件生成各層面組織窗輪廓線（骨組織的灰度閾值1 250～2 401 Hounsfied unit），定位L4-5圖像，分割出L4-5椎體骨組織，建立L4-5 3D椎體幾何模型，光滑處理，建成全腰椎幾何模型，后利用逆向工程軟件，填充搭橋，建立正常L4-5節段的椎間盤幾何模型（見圖1），通過改變髓核和纖維環的彈性模量和泊松比[9]，建立L4-5節段椎間盤向左后突出三維幾何模型（見圖2）。最后，在Solidworks 2016軟件中進行合并及優化處理，形成L4-5運動節段正常腰椎間盤及突出腰椎間盤三維幾何模型（見圖3-4）。

1.2.4? 設置材料參數及載荷加載? 利用Abaqus，依據文獻[7，9，11]設置材料參數，具體參數見表1，參照離體實驗標本測試條件，固定L5椎體下終板，于L4椎體上均勻施加500 N、1 000 N、1 500 N、2 000 N軸向載荷，觀察模型的軸向位移，在腰椎L4上部指定一特定節點，將其與L4上表面所有節點剛性連接，并對該特定節點按照右手法則在3個解剖主平面上分別施加10 N·m的力矩，模擬脊柱節段的4種生理運動狀態，分別為前屈、后伸、側屈和旋轉，觀察關節活動度及椎間盤的應力及形變，結果與Guo LX等[12-14]體外實驗及理論研究數據一致，模型驗證有效。

1.2.5? 不同角度肘按法的模擬與加載? 固定L5椎體下終板，使其在底面節點的6個自由度為0，模擬的按壓部位設定在L4椎板左側，同時向終板軸施加400 N的按壓力度，受力面積約為2 cm×2 cm，按壓角度以按壓部位為中心，從左向右，每隔15°模擬按壓1次。

1.3? 觀察指標

1.3.1? 不同角度肘按法下，腰椎間盤位移分布? 均選取2張腰椎間盤的位移云圖及腰椎間盤的位移矢量圖以觀察正常模型與突出模型在不同按壓角度下的位移分布狀況，比較不同按壓角度下正常模型與突出模型腰椎間盤位移分布的差異，及相同按壓角度下，正常模型與突出模型的腰椎間盤位移分布的差異。

1.3.2? 不同角度肘按法下，腰椎間盤突出部位的位移值? 分別于正常有限元模型與突出突出有限元模型腰椎間盤前、后、左、右、中5個區域隨機選取2個點，共10個節點，讀取其在不同角度下的位移值。

1.4? 統計學處理

所有數據使用 SPSS 22.0 軟件進行統計處理。數據行正態性檢驗后，符合正態分布的數據用“x±s”進行統計描述，不滿足正態分布者，采用非參數檢驗，用“M（Q）”進行統計描述。滿足正態分布的數據行方差齊性檢驗：方差齊者，采用重復測量方差分析，行Mauchly球形性檢驗后，不滿足Mauchly球形性檢驗者，用Greenhouse-Geisser法或Huynh-Feldt法對結果進行校正，組內不同角度之間兩兩比較用Bonferroni法;方差不齊者，用非參數檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1? 不同角度肘按法下腰椎間盤的位移分布情況 2.1.1? 15°～60°區間按壓下的腰椎間盤位移分布情況? 按壓角度在15°～60°區間時，正常腰椎間盤位移集中在椎間盤上方，位移量由上向下、由右往左逐漸遞減，突出腰椎間盤位移主要集中在椎間盤右上部，位移方向呈現由右向左、由上向下、由后向前均勻遞減，相比正常腰椎間盤，突出腰椎間盤的位移量小、范圍較集中，伴隨按壓角度的增大，腰椎間盤突出部位的位移會逐漸增大，在15°～60°按壓區間，正常腰椎間盤及突出腰椎間盤整體位移方向呈現向右、向前的趨勢。見圖5。

2.1.2? 75°按壓下的腰椎間盤位移分布情況? 以75°按壓時，正常腰椎間盤位移集中在椎間盤的左前上方，位移量由左向右、由前向后、由上方向下方逐漸遞減。突出腰椎間盤位移分布狀況與正常腰椎間盤的位移分布狀況基本一致。但相較于正常腰椎間盤，突出腰椎間盤的位移量較大，且集中范圍減小。正常腰椎間盤整體方向向右、向前，突出腰椎間盤整體方向從后部位移向前。見圖6。

2.1.3? 90°～165°區間按壓下的腰椎間盤位移分布情況? 按壓角度在90°～165°區間時，正常腰椎間盤位移集中在椎間盤左上方，位移量由左往右、由上向下逐漸遞減。突出腰椎間盤位移分布狀況與正常腰椎間盤的位移分布狀況基本一致。相較于正常腰椎間盤，突出腰椎間盤的位移集中范圍減小，伴隨按壓角度的擴大，腰椎間盤的突出部位位移也會逐漸增大。在90°～165°按壓區間，正常腰椎間盤及突出腰椎間盤整體位移方向呈現向左、向前的趨勢。見圖7。

2.2? 不同角度肘按法下腰椎間盤突出部位的位移值

組間比較：不同角度肘按法下，正常有限元模型與突出有限元模型，腰椎間盤突出部位的位移值差異沒有統計學意義（P>0.05）。組內比較：在正常有限元模型中，采用15°按壓時與運用30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°按壓時相比較，腰椎間盤突出部位的位移值差異有明顯統計學意義（P<0.01）;在腰椎間盤突出的有限元模型中，采用15°按壓時與運用30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°按壓時相比較，腰椎間盤突出部位的位移值差異有明顯統計學意義（P<0.01）。見表2。

3 討論

3.1? 肘按法在LDH治療中的應用

中醫學認為，LDH多屬于“腰痛”“痹癥”范疇。肝腎不足、氣血虧虛、筋骨關節失于濡養而發生的腰腿疼痛，稱為“不榮則痛”;“邪之所湊，其氣必虛”，因虛致外邪侵襲，合而為痹引起的腰腿疼痛，稱為“不通則痛”[15]，《醫宗金鑒正骨心法要旨》曰：“按其經絡，以通郁閉之氣”。但目前，肘按法治療LDH機制尚處于探究階段。臨床上，方周林[16]用肘按法治療LDH療效顯著;胡軍飛等[17]研究認為，以45°角按壓治療LDH可以明顯的提高療效。以上文獻并未就肘按法治療LDH機制進行詳細探討。目前，與肘按法相關的實驗研究鮮有報道，尚不能全面指導臨床治療。此外，在臨床中運用肘按法治療各種軟組病變時，存在按壓不到位的情況，包括按壓力度的不同、按壓的角度差異，這種情況下，往往需要操作者根據自己的經驗進行調整。

3.2? 有限元分析在中醫推拿手法研究中的應用

推拿，是在人體體表上運用各種手法以及做某些特定的肢體活動來防治疾病的中醫外治法，是中醫特有的綠色療法。隨著科學技術的進步，FEA被越來越多地引入到脊柱生物力學研究領域，近年來，部分研究者[18-21]開始將FEA與脊柱推拿手法的研究相結合，以期進一步探討手法的作用機制。李延紅等[18]構建的L3-S1三維有限元模型，證明了拔伸按壓手法治療LDH的機制是由于手法作用時，可能改變破裂椎間盤與神經根的相對位置，松解神經根與突出椎間盤的粘連或相互之間發生位移而減輕對神經根的壓迫。此外，推拿手法的施治也存在一定差異，鑒于此，部分學者圍繞手法作用的要素、安全性、有效性、規范性展開研究[19]。徐海濤等[20]運用三維有限元模型模擬腰椎斜扳法對腰椎內部結構的變化，結果證明腰椎斜扳手法對椎間盤是安全的，并且在腰椎間盤突出的對側進行手法操作更為合理。張曉剛等[21]研究顯示，在拔伸按壓狀態下，腰椎前屈30°椎間盤組織的位移、應變和應力變化最明顯。總之，FEA可以很好地模擬各種腰部推拿手法的狀態，包括載荷的施加情況、應力的分布情況等，并得到與生物力學實驗基本一致的結論，FEA重復性強、設計性強、可操作性強，作為離體實驗的必要補充，其作用是其他力學實驗無法替代的[22]。因此，應用三維有限元建模，可為臨床治療的安全性、有效性提供實驗支持，也為推拿手法的定量研究提供了新思路。本研究構建立了人體正常L4-5運動節段有限元模型及L4-5運動節段椎間盤突出有限元模型，并在以往大量研究[18]基礎上進行了補充，完成了纖維環纖維的構建。此外，本研究設定了椎體、纖維環基質、纖維環纖維、髓核、終板、韌帶等均以共節點連接，確保了模型間力的傳導。

3.3? 模擬不同角度肘按法下，腰椎間盤的位移分析

肘按法治療LDH的機制，楊舟等[5]認為按壓改善了腰椎間盤與神經根、硬膜囊及血管的毗鄰關系，使受壓神經根與周圍組織的粘連得到充分松解，減輕或解除脊髓、神經所受機械壓迫。楊學鋒等[23]通過構建腰椎運動節段三維有限元模型，模擬不同角度下按壓手法的生物力學狀況，發現在手法干預下治療LDH，腰椎間盤的后側和神經根的相鄰處的位移具有明顯變化。本次研究結果顯示，在不同角度肘按法下，突出腰椎間盤的突出部位位移明顯增大，究其原因可能是當腰椎間盤發生旋轉時，破裂纖維環帶動了整個突出部位的移動，使得腰椎間盤后部與神經根產生了相對位移，使得神經根、突出腰椎間盤及其周圍軟組織的粘連得以松解，從而取得一定的療效，同時我們還發現在不同的按壓角度下，治療效果也不盡相同。

本實驗結果顯示，不同角度肘按法下，正常模型與突出模型的腰椎間盤突出部位的位移值雖然組間比較差異不明顯，但是組內比較差異顯著。應用15°～60°的按壓角度，腰椎間盤突出部位向右、向前方位移;應用75°按壓時，腰椎間盤突出部位向前位移;應用90°～165°按壓時，腰椎間盤突出部位向左、向前方位移。當按壓角度為15°～30°時，突出部位的位移方向趨向于向右，大小為0.17 mm;當按壓角度為45°與60°時，突出部位的位移方向趨向于向前，大小為0.20 mm。本研究建立的腰椎間盤突出有限元模型其方向為向左、向后，椎間盤的遠離神經根方向位移值最大，理論上可以最大程度上改善神經根、突出部位及周圍軟組織的位置關系，達到最佳治療效果。

本次研究基于有限元模型的成功構建，從生物力學角度觀察不同角度肘按法下腰椎間盤位移相關參數變化，為臨床治療提供了部分實驗依據，本次有限元研究只采用了單個樣本，未對肌肉組織等影響脊柱運動的其他因素進行模擬且模型中未包含神經根結構，試驗結果可信度有待提高。因此，在今后的研究當中，擴大樣本量，積極尋找更好的定義材料參數的方法，將軟組織和骨性結構結合起來構建模型，是接下來的重點和難點[24]。目前，推拿手法的有限元研究尚處于起步階段，其實驗結果仍需用臨床療效加以驗證。

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