段为民
（广西田东段为民诊所；广西百色531500）
【摘要】基于信息化时代背景下，以有限元技术为代表的现代分析理论为构建腰椎模型提供了重要支持。近年来，有限元模型的精确性及有效性逐步提升，为腰椎融合、椎板与椎间盘切除、脊柱内固定材料等生物力学课题研究提供了广阔平台。有限元分析的力学改变可反映脊柱内部结构的应力状态，提示部分结构变化后所引发的应力情况，有利于辅助指导临床治疗方案的优化及改善。目前有限元分析在模拟腰椎间盘突出症患者的腰椎状态上依然存在局限性，但其在脊柱推拿方面可较好地模拟出各类推拿手法的具体情况。本研究针对有限元分析在腰椎间盘突出症中的相关文献报道进行分析及整合，为临床治疗提供新的研究思路。
【关键词】有限元分析；手法；腰椎间盘突出症；研究进展
腰椎间盘突出症是一种具有高发病率的骨伤科疾病，由于受诸多致病因素影响，使得腰椎间盘退变，纤维环破裂后髓核发生压迫或突出，并对神经根、马尾神经、脊髓等造成刺激，引发神经组织水肿、充血，同时出现并发炎性变化，从而导致下肢麻木、腰腿疼痛、放射性疼痛，严重时还可能诱发马尾神经功能障碍[1-2]。腰椎间盘突出症的病情较易反复发作，对患者的正常生活与工作带来了不利影响。有限元分析是临床研究腰椎手法的重要手段，多应用于腰椎间盘突出症手法治疗的力学分析中，目前计算机技术不断优化，通过计算机进行分割赋值研究、CT扫描、力学加载、三维重建、应力分析、位移研究的三维有限元方法促进生物力学探究迈入体外模拟阶段，已逐步发展为临床研究的热点[3-4]。
一、有限元分析的概念
继光弹法、电测法以及机械法等常规的实验生物力学检测技术后，又衍生出有限元法这类新型的生物力学测试手段，其归属于计算生物力学研究技术范畴。在1972年，Brekelmans等将有限元法首次引入生物力学领域，经过几十年的发展，其建模技术以及应用范围均获得了有效改进。有限元模型从二维线性逐步延伸至三维非线性，同时由单个运动节段进展为脊柱整体，甚至整个人体。在模型中涵盖了骨性的被动结构，还引入了肌肉的主动特性[5-6]。此外，有限元技术已从静态响应逐步过渡至动态响应。有限元在评估病理与生理过程中的力学改变，为设计和优化手术器械提供了有效的参考价值，可在术前模拟手术环节，预估手术效果，以协助临床医师不断改进手术方案。
二、有限元在腰椎建模的应用
有相关研究利用有限元技术搭建了健康者腰椎Ll相关模型，对其给予受力分析，并基于CT扫描CAD技术建立了正常人体的L3-L5下腰段腰椎三维有限元模型，其覆盖了椎体、椎间盘与部分软组织。国外学者针对模型完整性方面，提出在肌肉作用力导入模型前后，椎间盘分布应力存在明显的差异性[7]。因此在后期研究中，有文献报道通过不同方法建立肌肉有限元模型，完成了肌肉的有限元模型搭建。伴随科学技术不断发展，通过完整腰椎有限元模型的建立，为之后利用有限元模型辅助生物力学研究提供了良好基础，是脊柱力学发展的必经之路[8]。
三、有限元应用于中医手法治疗
有限元模型联合生物力学分析已逐步应用在中医手法中的研究中，分析单一手法对健康及患病腰椎的效用，评测各类手法所表现的结构变化、作用疗效等，同时对其治病机理加以评估。有学者选取健康受检者构建了L3-S1模型，对拔伸手法作用腰椎进行模拟，其结果表明手法可能会影响神经根以及破裂椎间盘的相对位置，对神经根和突出椎间盘之间的粘连进行松解，或是促进相互之间进行位移以缓解对神经根的压迫。通过逐步深入探究，一些学者针对安全性、手法作用要素、运用疗效等展开研究，通过三维有限元技术对腰部拔伸按压手法时腰椎内部结构的改变进行模拟，可获取模拟按压的最强压力与良好角度[9-10]。
腰椎间盘在手法作用下的应力及位移是有限元分析必须进行核算的重要力学指标。当前这一指标的验算通常使用一步加载求解模式，譬如直腰旋转手法模拟治疗腰椎间盘突出症，也就是将上半身体质量或是旋转力矩等力学参数共同加载至模型，获取椎间盘左后方位移与应力的结果（手法作用结果）[11]。但在这过程中存在易长期忽略的问题，即应力或是位移不是手法单一作用结果，还涉及了椎间盘被患者上半身体质量所作用所形成的位移和应力，这是由于在进行手法操作前，取其坐位，患者的上半身重力在腰椎间盘上加以作用，从而造成椎间盘发生位移和应力。张人文,莫灼锚,李冬[12]学者提出分为两步进行力的加载，一是仅加载垂直压力，主要是为了对手法操作前的椎间盘受力状态完成模拟；二是共同施加旋转力矩或是垂直压缩载荷，以对手法作用后的椎间盘力学情况进行模拟。分为两步计算应力或位移差值，也就是分析椎间盘力学改变的手法操作前后状态，即利用二步加载分步求解方法求解手法作用的真实力学效应。以单节段腰椎和直腰旋转手法为例，针对侧卧位旋转手法、其他坐位手法或是多节段模型，均会面对二步加载问题；在进行操作前，斜扳手法等卧位手法椎间盘会感知到轴向压力，只是这类压力源自腰椎肌肉，并不是上半身体质量。在二步加载分步求解验算的方法中，首先需施加垂直压缩载荷后L4-5椎间盘左后方所形成的向后方位位移和应力，不过这一位移及应力无法有效起到改善症状的效用；之后验算旋转力矩与垂直压缩载荷共同施加后L4-5椎间盘左后方的位移及应力方位的变化，从手法作用前的方向往后转换至产生向前的应力和位移，其研究结果提示L4-5椎间盘在手法作用下其左后部位会发生大约1.5毫米的前向位移。此外，对两类不同计算方法结果进行对比，发现二步加载分步求解获取的位移与应力显著高于一步加载求解方式，由此提示了在椎间盘初始应力和位移与手法效应力中，体质量所起到的作用不可忽视。国内手法有限元分析在现阶段还未充分考量体质量或脊柱纵向压力影响椎间盘初始应力、位移的结果，因此不利于提升研究结果的精确度，后期关于二步加载分步求解分析手法有限元的相关研究还需进一步进行探究。
腰椎牵引也是治疗腰椎间盘突出症的保守方法之一，其机制主要在于持续进行牵引力作用下，利用外力牵引改善腰部肌肉的肌痉挛情况，提升椎管内容积，降低椎间盘所承担的压力，以改善对神经根的刺激作用，并突出松解神经根、髓核复位以及硬膜囊间的粘连，从而实现神经根受压形成炎症的改善效用，在临床中可促进症状缓解[13]。腰椎牵引方式主要是利用胸廓牵引带固定胸廓、脊柱骨盆牵引带固定骨盆，以此对抗牵引，在实际操作过程中可通过牵引力的大小不同，行仰卧位或是俯卧位，或是在牵引基础上选取不同牵引角度。目前虽然有许多文献报道对腰椎牵引治疗腰椎间盘突出症的方法进行改进以及综合评估，但是因牵引力在牵引期间需要借助各类结构的传递才可抵达椎间盘，但牵引力的大小不同是否会对椎间盘产生不同效应，如何选取适宜大小的牵引力还缺乏充分的生物力学依据。赵文韬,向俊宜,李具宝[14]学者针对不同牵引力在腰椎间盘突出症生物力学效应中影响进行了三维有限元分析，研究结果表明，为了获取良好的牵引治疗效果，需要在患者耐受的前提上适当选取较大的牵引力加以治疗，但必须注意的是在研究结果中椎间盘应力会随着牵引力升高而逐步升高，而纤维环的应力显著高于髓核，具体原因还未明确，现对临床的影响尚无现成文献报道，研究结果是受到不同的材料属性而导致，还是因两者与椎体终板接触面形态存在差异性而导致仍需深入分析和研究。
另一方面，国内现阶段对于腰椎间盘突出症的特色手法分析方面还较为空缺，有学者曾成功建立了健康受检对象的L2-L5节段三维有限元模型，其分析显示踩跷的9种工况均可能提升L4-L5椎间盘应力与矢状位移、L4-L5小关节应力，提高L4-L5椎间孔横径以及椎间隙前缘高度，减少L4-L5椎间孔高度以及椎间隙后缘高度。和其他7种工况相比，在60°或90°往下给予21 N时，L4-L5椎间盘的前移、间隙高度调整以及椎间孔横径提升更为显著[15]。
四、结论
关节突关节、椎间盘以及椎体等多种韧带协同保持了腰椎的稳定作用，而腰椎间盘突出症的发病因素主要在于椎间盘和椎体之间的稳定平衡受到破坏，引发纤维环破裂，进一步导致髓核突出压迫神经根。在临床中如何客观评估术前及术后腰椎间盘突出症的生物力学变化，如何有效分析脊柱稳定度和活动度，如何减少术后复发风险，是目前急需解决的重要课题。随着有限元技术不断发展，有望在后期研究中更好地发挥出低成本、可重复性强等优势，进一步深化手法治疗腰椎间盘突出症的病理理论，提升对疾病发生及进展的认识。
参考文献：
[1]叶宜颖,高景华,高春雨.有限元分析法在脊柱推拿手法生物力学研究中的应用[J].中医正骨,2016,28(10):29-31,37.
[2]张帆,曾雪玲,姚长风.近十年来手法治疗腰椎间盘突出症生物力学的研究进展[J].陕西中医药大学学报,2018,41(3):117-120.
[3]蔡明,马朋朋,张春林, 等.L4-5椎间盘退变在不同方向应力下有限元建模与分析[J].中国数字医学,2019,14(12):62-64.
[4]西尔艾力·买买提,吐尔洪江·阿布都热西提,穆合塔尔·阿卜杜热合木, 等.有限元分析在腰椎间盘突出症中应用的现状及进展[J].世界最新医学信息文摘（连续型电子期刊）,2019,19(96):78-79.
[5]舒新农,牟文芝,陈金凤, 等.斜扳手法与坐位直腰旋转手法治疗腰椎间盘突出症的生物力学作用比较[J].针灸推拿医学（英文版）,2017,15(5):317-321.
[6]刘慧,沈国权,张喜林, 等.肌肉加载下腰椎间盘突出的有限元研究[J].医用生物力学,2019,34(5):493-499.
[7]陈金凤,舒新农,唐树杰, 等.腰椎退变对坐位腰椎定点旋转手法疗效影响的有限元分析[J].针灸推拿医学（英文版）,2016,14(4):295-299.
[8]周楠,吕强,方舟, 等.推拿手法对腰椎间盘突出症腰椎结构三维位移的影响[J].医用生物力学,2013,28(3):269-274.
[9]吕立江,冯喆,廖胜辉, 等.杠杆定位手法对腰椎间盘影响的有限元分析[J].中华中医药学刊,2014,32(5):971-973,后插1.
[10]王志鹏,张晓刚,赵文韬, 等.有限元分析在腰椎手法治疗中的生物力学研究进展[J].医用生物力学,2017,32(3):293-298.
[11]郭清华,黄鹏.经皮内镜腰椎间盘髓核摘除术后脊柱生物力学改变的有限元分析[J].山东医药,2018,58(13):74-77.
[12]张人文,莫灼锚,李冬, 等.二步加载分步求解在手法治疗腰椎间盘突出症有限元分析中的应用[J].中国中医骨伤科杂志,2019,27(1):1-5.
[13]张坤木,钟灼琴,陈彦, 等.基于文献整理的腹部推拿手法治疗腰椎间盘突出症作用机制研究[J].中医学,2020,9(02):65-69.
[14]赵文韬,向俊宜,李具宝.不同牵引力对腰椎间盘突出症生物力学效应的三维有限元分析[J].山西医药杂志,2018,47(24):2907-2909.
[15]刘潇,刘耀升,刘蜀彬.有限元法分析腰椎融合与非融合后的应力分布[J].中国组织工程研究,2018,22(3):409-414.