有限元方法在脊柱推拿手法生物力学中的应用
有限元概念（fi nite element method，FEM） 于 20 世纪 40 年代最早提出，最初是应用于工 程学领域。但随着现代力学、计算数学和计算 机技术等学科的发展，有限元方法由工程领域扩 展到医学研究领域。1972 年，Breakelmans ［1］ 和 Rybicki ［2］ 等首次将有限元方法应用于骨的力学分 析，1974 年，Belytschko 等 ［3］ 首先将此方法应用 于脊柱力学研究，建立二维椎间盘模型，标志着 有限元方法在骨科生物力学中应用的开端。由于脊 柱推拿手法在临床上广泛使用，且实践证明其是一 种行之有效的治疗手段，但对其三维空间运动变化 尚缺乏清晰的认识，导致临床手法应用不规范，虽 有疗效但不明确，临床操作也存在安全性问题等。 因此，近年来将有限元方法应用于脊柱推拿手法的 生物力学分析，已成为新的研究方向和热点。本文 拟就近年来应用有限元方法研究脊柱推拿手法生物 力学机制的现状与进展进行综述。
一、颈椎手法的有限元方法研究
由于颈椎结构的复杂性，颈椎手法的生物力 学效应多集中于离体研究，颈椎骨性在体无创研 究由于受技术限制开展较少。近年来随着有限元 技术的广泛应用，有些学者通过建立有限元模型 来分析推拿后颈椎生物力学情况，进而揭示手法 的有效性和安全性。
（一）扳法和旋转类手法研究
郎继孝等 ［4］ 构建颈椎 C 1~7 有限元模型，研究模拟斜板手法作用下颈椎内在应力的变化，结果 显示手法作用时，应力主要集中在颈椎中下段 C 4~7 的钩椎关节和小关节上，其中以 C 5~6 处最大，该 研究为临床治疗病变椎体的手法选择提供力学依据。 张明才等 ［5-6］ 建立颈椎“椎骨错缝”节段 C 4~6 有限 元模型，发现 C 5 椎体的空间位置向下平移 0.9 mm， 绕 X 轴顺时针旋转 4.5°，呈现后仰式错缝，并分 析认为该节段空间位置的异常会引起相应椎间盘 或关节突关节的异常应力，并在此模型上实施虚 拟手法矫正，结果显示手法矫正后关节突关节和 椎间盘的异常应力发生重新分布，表明手法可以 调整“椎骨错缝”引起的异常应力。万磊等 ［7］ 针 对目前临床上关于定点旋转手法所强调的旋转中 心“点”的解剖位置以及该“点”与解剖位置异 常的棘突、小关节等之间的关系尚不清晰，造成 临床手法操作的盲目性问题，而建立上颈椎 C 0~4 三维有限元模型来模拟研究不同旋转中心点的寰 枢椎定点旋转手法，分析手法作用前后颈椎相关 结构的解剖位置变化，进而阐明上述问题。结果 显示，以齿突垂直轴心为手法旋转中心点，其解 剖复位最好，据此分析认为手法的旋转中心位于 “枢椎齿突垂直轴心”，定点旋转所强调的“点” 是瞬时旋转轴与二维平面的交点，进而推广到不 同节段的颈椎定点旋转手法的旋转中心点都是其 本节段正常的生理旋转轴心点，因此从颈椎旋转 的解剖特点和手法操作要点来讲，将“颈椎定点 旋转手法”称为“颈椎定轴旋转手法”更加科学 合理，此外该研究还发现，在术者观察角度看小 于轴心旋转角时手法操作比较安全。从生物力学 角度看，颈椎生物力学失衡是颈椎病发生发展的 根源之一，这已成为共识 ［8］ 。而利用有限元方法 研究手法作用机制的实验也表明，手法可以调整 颈椎异常应力，改善颈椎力学失衡，恢复颈椎正 常功能，因此该手法治疗颈椎病的机制是科学的。
（二）拔伸类（牵引）手法研究
罗军 ［9］ 建立颈椎 C 4~5 有限元模型研究牵引旋 转手法对颈椎关节的影响，结果显示手法作用时， 颈椎各结构所受的应力是不均匀的，主要集中在 C 4 下终板、C 5 上终板及椎间盘，其中在终板和椎 间盘上的应力又集中在旋转侧前部和对侧后部； 后部结构未见明显的应力变化和应力集中点。这 表明该手法对小关节是安全的，但旋转角度不宜 过大，避免损伤椎间盘和终板。邬黎平等 ［10］ 建立 颈椎 C 3~6 模型分析颈椎拔伸旋转手法作用下颈椎 内在应力的变化规律，发现在拔伸中，模型应力 集中区域及大小呈由大到小再增大的趋势，应力 主要在 C 3~4 关节突关节；左椎 C 4 棘突时，C 4 棘突 的左下部、根部、棘突左侧根部与椎弓根结合处 先后出现应力集中；右旋转 40°时应力依次集中 于 C 3~6 双侧关节突关节、C 4~6 的椎弓、棘突根部、 两者结合处及椎体侧方，其中右侧 C 3~4 关节突关 节应力最大。显示出关节突关节在颈椎活动中具 有承载和抗扭转作用，也表明手法操作时应该结 合关节突关节的生物力学特点，进而优化拔伸类 手法。
由于拔伸类手法具有机械牵引的力学特点， 因而对于牵引作用下颈椎的生物力学研究成果也 有助于拔伸类手法的生物力学研究。李勇等 ［11］ 根 据患者颈椎 CT 数据建立颈椎 C 4~6 有限元模型，研 究不同牵引角度下颈椎体、椎间盘位移和应力的 分布情况，发现前屈 10°位时，应力集中在椎体 后外两侧神经根出口位置，椎间盘的位移出现在 椎体后缘，尤以 C 4~5 椎间盘位移明显；后伸 10° 牵引时，应力集中在椎体两侧的钩椎关节处，椎 间盘的位移出现在椎体前缘，进而指出神经根型 颈椎病的牵引宜采用前屈 10°位；椎动脉型颈椎 病的牵引宜采用后伸 10°位，为拔伸类手法治疗 颈椎病时选择拔伸角度提供生物力学依据，同时 优化推拿手法操作。
此外，颈椎曲度的异常往往更容易出现应力 集中和活动范围改变 ［12］ ，因此研究拔伸类（牵引） 手法时需要结合颈椎生理曲度、具体病变关节的 位置，选择合适的体位、着力点和拔伸（牵引） 角度等才能指导临床。
二、胸椎手法的有限元研究
对于临床治疗胸椎疾患，推拿手法的使用也 比较广泛，但纵观近年来手法的有限元研究，有若 干学者利用有限元方法研究过伸复位手法治疗胸椎 单纯性压缩性骨折的力学机制，而对其他胸椎手法 的有限元研究尚未见报道。通过建立 T 12 椎体单纯 压缩性骨折有限元模型研究过伸复位手法的作用机 制，结果证实该手法治疗胸椎压缩性骨折的机制为 利用前纵韧带以及受伤椎骨的上下椎间盘在过伸时 产生的杠杆力量，以受伤椎骨的棘突顶点为支点， 对被压缩的椎体骨质产生纵向的牵张力，使受伤的 椎体被带至原位而得到复位 ［13-16］ 。
从目前来看，要阐明胸椎手法的作用机制， 提高手法的有效性和安全性，对有限元方法的认识还须进一步深入，只有这样才能更好地利用有 限元方法为胸椎手法作用机制的研究做出贡献。
三、腰椎手法的有限元研究
传统推拿手法是治疗腰部疾病的重要方法之 一。近年来随着有限元技术的广泛应用，有学者 利用腰椎手法结合有限元建立模型并模拟试验研 究推拿手法作用于腰椎的生物力学效应，进而揭 示推拿手法的有效性和安全性，为推拿手法优化 提供理论和实验依据。
（一）扳法和旋转类手法研究
周楠等 ［17］ 通过建立腰椎椎体三维有限元模型 分析模拟改良侧卧位腰椎斜板法对腰椎突症患者 腰椎位移和角位移的影响，结果显示手法作用下 椎体位移变化以X、 Y轴为主， 角位移以X轴为主， 即椎体发生以水平及旋转移位为主，进而阐明手 法能够调整失稳或退变节段的空间位置，达到纠 正腰椎“骨错缝”的作用。徐海涛等 ［18］ 建立腰椎 L 4~5 有限元模型研究斜板手法对腰椎间盘的力学作 用，结果发现手法作用时椎间盘应力远小于后部 结构，进而指出斜板对椎间盘是安全的；从椎间 盘中心到旋转侧有一向后的扭转矢量，使椎间盘 产生扭转变形，最大位移位于椎间盘旋转侧外缘， 继而指出在健侧进行斜板手法操作更为合理。王 国林等 ［19］ 为优化手法操作，通过建立具有退变椎 间盘的腰椎 L 4~5 有限元模型分析模拟不同前屈状 态下坐位旋转手法作用时椎间盘的应力和位移变 化，结果显示旋转侧椎间盘纤维环的应力和位移 大于对侧，而且不受前屈角度的影响；同一部位 的应力和位移随着前屈角度的增大而增大，故而 也认为坐位旋转手法向椎间盘突出的对侧进行旋 转较为合理。
吴山等 ［20］ 运用有限元方法比较研究直腰旋转 手法、腰椎定点旋转手法对腰椎的力学作用，发 现两种手法作用下椎间盘应力都主要集中在外层 纤维环，椎间盘最大位移均位于旋转对侧后部； 椎体及后部结构主要应力分布，直腰旋转位于小 关节，定点旋转位于椎体峡部、椎弓根侧隐窝及 上位椎体小关节面的下端，应力相对较分散，更 安全；后部结构最大位移，直腰旋转位于 L 4 棘突， 定点旋转位于旋转对侧 L 4 椎体上缘及 L 4 上关节 突。其中定点旋转手法作用下椎间孔位移更明显， 更有利于解除周围神经根粘连，也就更具有效性。 胡华等 ［21-22］ 认为以往研究建立的模型主要集中在 腰椎部分，受力学分析范围所限，故建立腰椎骨 盆和股骨上端有限元模型，并在此模型上研究旋 转类手法对各部位位移和应力的影响，得到与以 往一致的结果，即腰椎应力主要分布在椎体后部、 峡部、椎弓根侧隐窝以及上位椎体小关节面下端， 椎间盘应力集中在纤维环，各椎间盘位移大小从 上到下逐渐递减，同一椎间盘位移旋转对侧大于 旋转侧，且随着前屈、侧弯角度的增大而增大。 不同之处在于观测值比以往研究稍大，分析认为 可能与约束和加载范围有关，对 L 5 椎体下缘进行 约束可能偏高，应该在坐骨结节或股骨上端。同 时还得到骨盆、股骨上端的应力情况，发现骶骨 前面、骶髂关节、股骨颈等处也出现应力明显集 中现象，进而认为使用腰椎旋转手法应考虑到骨 盆和股骨上端各部位的具体情况，以排除骶髂关 节和股骨颈可能潜在的病变，从而更好地指导临 床手法选择以及应用注意事项。
徐海涛等 ［23-24］ 通过建立退变腰椎 L 4~5 有限元 模型，模拟腰椎坐位旋转手法，分析手法对腰椎 产生力学作用，结果显示手法作用时正常腰椎间 盘的前侧出现压缩变形，并向前膨出移位；旋转 对侧后部出现拉伸变形， 并向前、 向内侧回缩移位； 退变型腰椎间盘变形和位移旋转侧大于对侧，旋 转侧后角有压缩变形，向后突出，髓核有后突的 趋势，腰椎最大位移出现在 L 4 上关节突，旋转对 侧椎间孔增大。此外，徐海涛等 ［25］ 还在相似退变 型腰椎有限元模型上模拟研究不同前屈角度下坐 位旋转手法对腰椎椎间盘的影响，得到一致结果， 并证实退变型腰椎间盘旋转侧后缘的应力和位移 均随着腰椎前屈角度的增大而增大，12°状态下 椎间盘旋转侧后缘明显向后突。表明腰椎坐位旋 转手法采用健侧优于患侧，且前屈角度不宜过大， 使手法得到优化，并间接证明手法治疗腰椎间盘 突出症机制“髓核回纳学说”的不科学。
秦明芳等 ［26］ 通过腰椎 L 4~5 三维有限元模型研 究不同工况作用下腰椎运动节段内部结构的应力 变化情况，显示压缩时应力集中在椎体后部 ；拉 伸时应力集中在小关节；侧屈时应力集中在屈侧 椎体、后部小关节及椎间盘部；轴向旋转时应力 集中在后部小关节及椎间盘后部；屈曲加旋转时 应力集中在椎体及椎间盘前缘、后部小关节。该 研究为旋转复位手法治疗腰椎小关节紊乱和腰椎 间盘突出症提供力学依据。
桂志雄等 ［27］ 在建立腰椎 L 4~5 有限元模型上分 解模拟倒悬旋转手法、分析手法对腰椎的力学作用特点、发现手法作用时，应力在腰椎中不是均 匀分布，主要集中在终板和椎间盘的旋转侧前部 和对侧后部，其中终板处应力大于椎间盘，故而 使用该手法时终板要比椎间盘更容易受到损伤， 并指出倒悬牵引使小关节之间分离，椎间盘失去 小关节的保护，因而要注意旋转角度不宜过大， 防止损伤椎间盘和终板。
（二）拔伸类手法研究
李延红等 ［28］ 建立腰椎 L 3 ~S 1 有限元模型， 模拟分析不同体位下拔伸手法的最佳作用状态， 前屈 30°位椎间盘、纤维环、髓核的位移幅度最 大，即拔伸手法在前屈位实施时作用最佳。刘治 华等 ［29］ 研究不同角度牵引下腰椎间盘的最大位 移变化，发现随着牵引角度的增加，椎间盘最大 位移从 L 4~5 逐节向上移，当斜向上 25°时，椎 间盘 L 1~2 位移最大。张晓刚等 ［30-31］ 通过建立腰 椎三维有限元模型，模拟不同体位下拔伸按压手 法对腰椎的力学作用，结果显示腰椎前屈 30° 位手法作用下纤维环沿 X 轴两端后外侧位移变 化最大，提示手法治疗腰椎间盘突出症的力学机 制可能是促进突出髓核与神经根之间发生相对位 移，松解局部组织黏连； 后伸 10°位髓核应变和 应力最小，表明在该体位下手法操作是安全的。 杨学锋和张晓刚 ［32］ 建立腰椎多节段 L 3 ~S 1 三维 有限元模型研究模拟不同体位下，拔伸按压手法 作用时腰椎内部结构变化。结果显示，当压力增 加至300 N时， 后伸10°位椎间盘位移幅度最大， 进而指出在按压作用力 300 N 时后伸 10°位治 疗效果最好。杨学锋等 ［33］ 也做过类似实验，得 出在相同手法载荷下拔伸按压手法在前屈 30° 位时治疗效果最好的不同结果。对比分析这两个 实验方法，发现两者在定位手法作用力的方向描 述上不一致，或许这也是结果不同的原因。由此 可以看出，有限元方法模拟手法的研究虽然能够 为手法作用机制提供生物力学依据，但是如果方 法不正确就有可能得出前后矛盾的结果，使得实 验无效，从而也就无助于提高临床手法操作的有 效性和安全性。
总体上对于拔伸类手法的有限元研究结果均 揭示，该手法能够促使椎间盘与神经根之间发生 一定的相对位移，从而增大椎间孔容积，松解神 经根粘连，这与传统生物力学试验的结果是一致 的 ［34］ ，同时也证明有限元方法研究手法作用机制 的有效性。
四、结语与展望
目前，由于脊柱结构的复杂性，诸如椎间盘、 神经、肌肉、韧带、关节囊等软组织结构的属性 尚难精确定性，影响这些结构的建模，进而影响 实验结果的可靠性，故而利用有限元方法研究脊 柱手法还处于初级阶段，对手法的三维运动变化 还有很多尚待深入研究。未来随着计算机技术的 飞速发展，使得大容量数据的快速处理、复杂的 运算成为可能，也不断推动着有限元技术的迅速 发展，使模拟复杂的脊柱手法成为可能，并且随 着人们对脊柱组织力学特性认识的进一步加深， 更多的软组织单元被加入到模型中，建立的模型 更加精确、逼真，在模拟过程中可以考虑的因素 不断增加，这样就使计算的结果越来越接近实际 情况，以致脊柱推拿手法机制的阐述更加明确、 客观、科学、手法的有效性和安全性不断提高， 为推拿手法的优化创新和推广提供强大动力。
来源：中华针灸电子杂志 作者：田向东