研究背景腰痛是临床骨科常见症状之一,而腰椎小关节病是腰部筋伤中常见病,是引起腰痛的原因之一。腰椎小关节紊乱多因患者腰部在不正确姿势下负重或突然的闪扭致伤引起,或者由于外力作用使腰椎关节突关节发生错位移动,自行复位困难而造成,临床表现为腰痛或伴有臀部或骶尾部牵扯痛等不适,又区别于神经根性下腰痛和腰肌劳损。本病好发于L4-L5、L5-S1部位,发病人群以20-40岁青壮年为主,可涉及肌肉、韧带、筋膜、椎间小关节、腰骶或骶髂关节,中医病名可概括为“筋伤”、“腰痛”和“筋痹”等。腰骶关节属腰椎小关节范畴,腰舐关节紊乱同属腰椎小关节病范畴,腰部活动受限程度视病情轻重而不一,发病后对生活质量影响较大[1-2]。对腰骶关节紊乱疾病的治疗,不同的治疗方法临床效果不一。清宫正骨弯腰挺立手法是我院孙树椿教授针对该病的独特的治疗方法,在临床中取得较为满意的治疗效果。然而,前期对弯腰挺立手法的研究仅局限于对该手法的临床和生物力学的研究,故仍需进一步探讨手法的作用机制以利于该手法的临床应用和推广。近年来有限元分析法被越来越多地应用到手法的生物力学研究中,为手法的作用机制的研究开辟了新的途径。查阅文献可知,目前尚未发现有限元分析技术和弯腰挺立手法相结合的相关研究。通过有限元分析技术研究模拟弯腰挺立手法作用于腰骶关节紊乱节段与正常腰骶关节节段时的应力和位移分布情况,有利于深入探讨弯腰挺立手法治疗腰骶关节紊乱的作用机制。研究目的1建立腰骶关节三维有限元模型,验证所建立的模型的可靠性与有效性并探讨造成腰骶关节紊乱的可能内在因素。2分析中立位自然负重状态下的正常模型与紊乱模型腰骶关节的应力和位移分布,初步探讨腰骶关节紊乱发生后腰骶节段的生物力学变化。3分析弯腰挺立手法时正常腰骶节段和腰骶关节紊乱节段的应力和位移分布,探讨该手法治疗腰骶关节紊乱的机制。研究方法采集正常志愿者与腰骶关节紊乱患者腰骶部断层图片,通过Mimics 10.01、Solidworks 2016、Hypermesh 12.0等软件经过图像定位、平滑处理、逆向处理、划分网格等步骤建立正常腰舐节段与腰骶关节紊乱节段的三维有限元模型。验证两模型的有效性后,分别对两模型进行以下三种工况的加载:(1)对有限元模型S1椎体底面节点施加全约束,即限制平移和旋转共6个自由度,在两模型L5上表面施以人体自身体重2/3的轴向压缩载荷,即在正常模型和紊乱模型L5上表面分别施加431.20N和463.87N的轴向压缩载荷,利用Abaqus6.13软件分析中立位自然负重下两模型各结构的应力和位移分布情况,此为工况一;(2)根据弯腰挺立手法作用原理以及结合前期对弯腰挺立手法的研究成果,对有限元模型S1椎体底面节点施加全约束,在两模型L5棘突施加向前上方34°的186.10N的载荷,分析在弯腰挺立手法推顶作用力下两模型腰骶部各结构的应力和位移分布,此为工况二;(3)对有限元模型L5椎体节点施加全约束,在两模型舐骨耳状面施加垂直向上的2215.66N的载荷,分析在弯腰挺立手法操作过程中落地时两模型各结构的应力和位移分布,此为工况三。研究结果1建立了正常和紊乱的腰骶关节三维有限元模型,经过有效性验证后证明所建立的模型准确有效。2中立位自然负重下腰骶关节各部分应力和位移分布2.1 应力分布2.1.1 L5椎体及后部结构正常L5椎体节段在中立位自然负重状态下,应力分布主要集中两侧椎弓根腹侧、两侧下关节突上缘和下终板前缘。相对于正常腰骶关节模型,腰骶关节紊乱模型L5椎体应力较集中在下终板中央,应力大小由中央向四周逐渐减小。2.1.2椎间盘正常椎间盘中立位自然负重状态下应力较均匀分布在纤维环边缘两侧和前缘,后缘应力不明显。对比之下,腰骶关节紊乱节段的椎间盘出现明显应力集中,主要在椎间盘中央,其余部分应力集中不明显。2.1.3 S1椎体及后部结构在中立位自然负重状态下,正常腰骶关节骶骨应力较均匀分布于椎体前缘和椎弓根部位,腰骶关节紊乱模型应力较集中分布在椎体前缘和后缘。2.2位移分布2.2.1 L5椎体及后部结构正常模型L5椎体位移分布变化较均匀对称,最大位移分布在椎体右前缘,从前缘-后缘-椎弓根-上下关节突-椎板-棘突,从上终板到下终板较均匀地减少。而腰骶关节紊乱模型位移分布明显不对称,最大位移分布在左侧横突、上下关节突和棘突左侧部分,从左侧往右侧逐渐较小。2.2.2椎间盘正常模型椎间盘位移分布变化均匀,位移最大分布于椎间盘右前上方,由右前方往左后方递减,最小位移位于左后方;腰骶关节紊乱模型的椎间盘位移分布不均匀,位移最大主要集中在前缘,椎间盘后缘位移分布基本均匀,大小基本一致。2.3韧带应力变化在正常模型和紊乱模型中韧带的应力变化基本保持一致,前纵韧带、后纵韧带松弛,黄韧带、棘间韧带和棘上韧带绷紧,张力增大。3弯腰挺立手法模拟下腰骶关节各结构的应力和位移分布3.1工况二3.1.1应力分布3.1.1.1 L5椎体及后部结构正常L5椎体节段在工况二作用下,应力分布主要集中在椎体上终板后缘和下终板右前方。在椎体后部结构,应力对称性集中在两侧椎弓根、腰椎峡部腹侧。紊乱模型L5椎体应力集中在上终板前缘、后缘和下终板中央圆形区域,其余部位应力不明显。3.1.1.2椎间盘正常节段腰5骶1椎间盘应力集中在纤维环左右两侧环形区域,紊乱模型椎间盘应力更加集中,集中在髓核中央一小圆形区域,其余部位应力不明显。3.1.1.3 S1椎体和后部结构正常节段骶骨椎体应力集中在椎弓根和上关节突部位,相对于正常模型,紊乱模型应力在椎体前缘和后缘散在分布。3.1.2位移分布3.1.2.1 L5椎体及后部结构正常模型L5节段最大位移位于椎体和后部结构的右侧横突的右缘和上关节突,由右往左其位移较均匀地减小,最小位移位于左侧横突的左缘。在紊乱模型,位移最大分布于左侧横突、下关节突和棘突的左侧,由右后侧向左前侧逐渐减少。3.1.2.2椎间盘腰5骶1椎间盘的位移与L5椎体和后部结构位移分布情况基本一致。在正常模型,位移从右往左逐渐减少,最小位移位于左侧纤维环一近似三角形区域。紊乱模型椎间盘位移集中在椎间盘左半椎间盘纤维环外周。3.1.2.3椎间孔和关节突关节从工况二模拟过程的视频动画分析得到,在受力过程中两模型的椎间孔和关节突关节面均发生明显位移,L5椎体下切迹向前上方移位,使椎间孔面积明显增大,L5椎体下关节突向前移行,使该处的关节突接触面减少。加载力解除后恢复原位。3.1.3韧带应力变化在正常模型和紊乱模型中韧带的张力变化基本保持一致,前纵韧带松弛,后纵韧带、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带紧张,张力增大。3.2工况三3.2.1应力分布3.2.1.1 L5椎体及后部结构正常模型L5椎体节段在地面反作用力模拟状态下,应力分布主要集中在椎体上终板前缘和后缘,在后部结构中应力集中出现在腰椎峡部、椎弓根腹侧和椎板位置。紊乱模型应力分布与正常模型相似,集中在椎弓根腹侧、峡部和椎板背侧。3.2.1.2椎间盘正常腰骶椎间盘模型应力集中在纤维环右缘小范围椭圆形区域,而紊乱模型椎间盘应力分布在后缘散在小圆形区域。3.2.1.3 S1椎体及后部结构在正常模型骶骨应力集中在椎体左缘和舐骨嵴上,在紊乱模型应力主要分布在骶骨椎体后缘和骶骨嵴上。3.2.2位移分布3.2.2.1 L5椎体及后部结构在正常模型L5椎体和后部结构位移最大集中在棘突尖上,由后往前呈递减趋势,椎体上终板部位位移最小。在紊乱模型,位移分布情况与正常模型基本一致,最大位移集中在棘突尖上。由于L5椎体为固定状态,其位移很小。3.2.2.2椎间盘正常模型椎间盘位移最大集中在纤维环前缘区域,从前到后逐渐减少;在紊乱模型中,最大位移发生在椎间盘前缘纤维环下部分。3.2.2.3椎问孔和关节突关节从工况三模拟过程的视频动画可以看到,在受力过程中两模型的关节突关节面均发生明显位移,骶骨上关节突向前下方移位,关节突关节距离加大,椎间孔面积变化相对较小,加载力解除后恢复原位。3.2.2.4 S1椎体及后部结构正常和紊乱的模型中,骶骨的位移比L5椎体和椎间盘更加集中,且位移更加明显。正常模型骶骨位移最大发生在骶骨椎体后缘和骶正中嵴上。在紊乱模型中,骶骨位移最大集中在椎体后缘和骶正中嵴上。3.2.3韧带应力变化在正常模型和紊乱模型中韧带的张力变化基本保持一致,前纵韧带应力变化不明显,后纵韧带、黄韧带、棘间韧带以及棘上韧带松弛,张力减小。研究结论1与正常腰骶关节节段模型相比,腰舐关节紊乱模型椎间盘退变,引起腰骶关节各部分结构应力发生变化,为发生腰骶关节紊乱的内在因素。2弯腰挺立手法操作时,应力较多的集中在椎弓根和腰椎峡部,提示在手法操作过程中应注意掌握技巧,忌盲目用力,以免引起骨折。3弯腰挺立手法作用下,在关节突关节部位,上下关节突产生相对位移,可能是该手法复位的主要机制。