坐位腰椎旋转手法治疗退行性腰椎滑脱症的临床与有限元研究

研究背景 退行性腰椎滑脱症是导致中老年人腰腿痛的常见临床骨科疾病之一,随着人们现代生活方式的改变,本病的发病人群有年轻化的趋势。中医正骨手法是非手术治疗退行性腰椎滑脱症的重要手段之一,其中坐位腰椎旋转手法在临床上应用较为广泛,因其显著、稳定的临床疗效得到了广大医者和患者的认可。而功能锻炼可以辅助手法治疗,巩固临床疗效,两者协同作用,筋骨并重,对本病的治疗具有积极作用。目前,坐位腰椎旋转手法配合腰椎康复操已被确立为国家中医药管理局“中医药行业科研专项”立项项目中的临床治疗方案。 然而,坐位腰椎旋转手法的基础研究相对滞后,手法的作用机制不明,安全性与合理性也受到质疑,这在很大程度上制约着本手法的临床应用与发展。运用有限元方法对腰椎手法进行分析,具有其他传统生物力学研究不可替代的优势。近年来,一些学者将坐位腰椎旋转手法与有限元技术相结合,为探讨本手法的作用机制及安全性提供了一条新的思路。但回顾文献发现,既往研究对坐位腰椎旋转手法时正常与椎间盘退变后的腰椎节段的应力和位移进行过有限元分析,但对手法作用时退行性腰椎滑脱节段的应力和位移的分析尚处于空白,而退行性腰椎滑脱节段与正常腰椎节段及椎间盘退变后的腰椎节段在形态上存在着较大的差异,这种差异可能会引起腰椎节段的力学变化,因此进一步研究坐位腰椎旋转手法时退行性腰椎滑脱节段的应力和位移变化是十分必要的,这对探讨本手法治疗退行性腰椎滑脱症的作用机制及安全性具有重要意义。此外,目前尚缺乏退行性腰椎滑脱节段与正常腰椎节段力学分布的对比研究,利用有限元方法分析相同力学条件下二者力学分布的异同对探讨退行性腰椎滑脱发生后腰椎节段的力学变化并进一步指导临床防治具有很大的价值。 研究目的 1评价坐位腰椎旋转手法配合腰椎康复操治疗退行性腰椎滑脱症的临床疗效。 2通过对中立位自然负重下退行性腰椎滑脱节段与正常腰椎节段应力分布的对比研究,初步探讨退行性腰椎滑脱发生后腰椎节段的应力分布变化。 3分析坐位腰椎旋转手法时退行性腰椎滑脱节段的应力和位移分布,并与正常腰椎节段进行对比研究,初步探讨本手法治疗退行性腰椎滑脱症的作用机制、安全性及合理性。 研究方法 1临床研究 采用中央随机系统将120例符合本研究入选标准的退行性腰椎滑脱症患者随机分为试验组与对照组,两组各60例。试验组采用坐位腰椎旋转手法配合腰椎康复操,对照组采用仰卧位腰椎牵引法配合腰围制动。两组治疗均持续3周,试验组手法隔日1次,每周3次,共9次；对照组腰椎牵引每日1次,每周5次,共15次。对病例筛选入组当天及之后第1、3、5、8、10、12、15、17、19天及疗程结束后1个月、3个月、6个月随访访视的13个时间点的总体症状体征积分(JOA积分)、临床疼痛程度(VAS积分)进行观察记录,采用JOA腰痛疾患疗效评定标准进行总体疗效评价。所得数据应用SPSS13.0统计软件包分析处理,计数资料和等级资料采用例数进行统计描述,计数资料应用χ2检验,等级资料应用Wilcoxon秩和检验；计量资料采用均数±标准差(x±s)进行统计描述,组内比较应用配对样本t检验,组间差值比较应用Wilcoxon秩和检验。P<0.05被认为差异具有统计学意义。 2基础研究 2.1中立位自然负重下退行性腰椎滑脱节段与正常腰椎节段应力分布的对比研究 采集正常志愿者与退行性腰椎滑脱患者L4-5CT断层图片,应用Mimics10.01软件与Abaqus6.10软件建立正常L4-5节段与退行性腰椎滑脱L4-5节段三维有限元模型。约束有限元模型L5椎体底面上所有节点平移和旋转共6个自由度,在L4上表面施以450N轴向压缩载荷,模拟腰椎在中立位自然负重下的负载情况。分别对两种有限元模型进行上述条件的加载,利用Abaqus6.10软件分析中立位自然负重下模型各结构的应力分布。 2.2坐位腰椎旋转手法时退行性腰椎滑脱节段应力和位移的有限元分析 采集正常志愿者与退行性腰椎滑脱患者L4-5CT断层图片,应用Mimics10.01软件与Abaqus6.10软件建立正常L4-5节段与退行性腰椎滑脱L4-5节段三维有限元模型。模拟向右侧进行坐位腰椎旋转手法,模型加载条件如下：①L5椎体下表面固定；②L4椎体上表面施以垂直压缩载荷450N；③将腰椎有限元模型模拟手法快速旋扳前的前屈、侧屈、旋转的准备阶段进行弯曲：在Y-Z平面沿Y轴负方向弯曲6。(前屈)；在X-Z平面沿X轴负方向弯曲6°(向右侧屈)；在X-Y平面顺时针旋转2°(向右旋转)；④L4棘突施以50N向左偏前方30°的力；⑤L4椎体上表面施以15Nm的向右旋转力矩；⑥手法快速旋扳的作用时间为0.25s。分别对两种有限元模型进行上述条件的加载,利用Abaqus6.10软件分析坐位腰椎旋转手法作用下模型各结构的应力和位移分布。 研究结果 1临床研究 1.1两组总体疗效比较 在疗程结束时、1个月随访、3个月随访、6个月随访,试验组总有效率分别为96.67%、96.67%、96.67%、95.00%,愈显率分别为73.33%、68.33%、65.00%、61.67%；而对照组总有效率分别为90.00%、83.33%、71.67%、63.33%,愈显率分别为58.33%、45.00%、38.33%、20.00%,经秩和检验,两组总体疗效差异均具有统计学意义(P<0.01)。 1.2两组各访视点与入组时JOA积分的组内比较 经配对t检验,试验组从入组后第1天开始至随访结束的各访视点JOA积分均高于入组时JOA积分,差异具有统计学意义(p<0.01)；对照组入组后第1天JOA积分与入组时JOA积分相比较,差异无统计学意义(p>0.05),从入组后第3天开始至随访结束的各访视点JOA积分均高于入组时JOA积分,差异具有统计学意义(p<0.05或p<0.01)。 1.3两组间各访视点与入组时JOA积分差值的比较 经秩和检验,试验组从入组后第1天至随访结束的各访视点与入组时JOA积分差值均明显大于对照组,差异具有统计学意义(p<0.05或p<0.01)。 1.4两组各访视点与入组时VAS积分的组内比较 经配对t检验,试验组从入组后第1天开始至随访结束的各访视点VAS积分均低于入组时VAS积分,差异具有统计学意义(p<0.05或p<0.01)；对照组入组后第1天及第3天VAS积分与入组时VAS积分相比较,差异无统计学意义(p>0.05),从入组后第5天开始至随访结束的各访视点VAS积分均低于入组时VAS积分,差异具有统计学意义(p<0.01)。 1.5两组间各访视点与入组时VAS积分差值的比较 经秩和检验,试验组从入组后第1天至随访结束的各访视点与入组时VAS积分差值均明显大于对照组,差异具有统计学意义(p<0.05或p<0.01)。 2基础研究 2.1中立位自然负重下退行性腰椎滑脱节段与正常腰椎节段应力分布的对比研究 (1)L4椎体皮质骨：正常腰椎节段L4椎体皮质骨在两侧中央部位的环形区域应力较集中。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L4椎体前方皮质骨应力减小,其他部位应力分布基本一致。 (2)L4后部结构：正常腰椎节段L4后部结构应力集中区域位于椎弓峡部、下关节突关节面、椎弓根。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L4后部结构应力集中区域明显增大,除椎弓峡部、下关节突关节面、椎弓根出现应力集中外,下关节突内侧椎板也出现了明显的应力集中,且下关节突关节面应力集中区域扩大。 (3)椎间盘：正常腰椎节段椎间盘的应力主要分布于外周纤维环,髓核的应力相对较小。与正常腰椎节段椎间盘相比,退行性腰椎滑脱椎间盘外周纤维环的应力更为集中。 (4)L5椎体皮质骨：正常腰椎节段L5椎体皮质骨应力分布较均匀,未出现明显应力集中。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L5椎体皮质骨在近椎弓根处出现了应力集中。 (5)L5后部结构：正常腰椎节段L5后部结构中上关节突关节面出现了小区域的应力集中,其他部位应力分布较均匀。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L5后部结构中上关节突关节面应力集中区域明显扩大,且椎弓根、椎弓峡部、上关节突外侧根部也出现了明显的应力集中。 2.2坐位腰椎旋转手法时退行性腰椎滑脱节段应力和位移的有限元分析 2.2.1应力分布 (1)L4椎体皮质骨：正常腰椎节段L4椎体皮质骨应力集中区域主要位于椎体左前侧、右外侧。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L4椎体皮质骨的应力集中区域出现了后移,椎体左前侧的应力集中区域减小,椎体左外侧与两侧近椎弓根处出现了应力集中。 (2)L4后部结构：正常腰椎节段L4后部结构中左侧椎弓峡部腹侧、左侧下关节突关节面的应力集中最为明显,右侧椎弓峡部背侧与左侧下关节突关节背侧的应力较为集中。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L4后部结构中左侧椎弓峡部腹侧、右侧椎弓峡部背侧、左侧下关节突关节背侧的应力更为集中,左侧下关节突关节面的应力集中区域明显扩大,椎弓根出现了应力集中。 (3)椎间盘：正常腰椎节段椎间盘应力主要集中在纤维环右后侧并沿纤维环从右侧向左侧环形分布,呈递减趋势。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段椎间盘纤维环的应力集中更为明显,其分布区域发生变化,纤维环左后侧及左后外侧的应力最为集中,前侧、右外侧及右后侧的应力较为集中。 (4)L5椎体皮质骨：正常腰椎节段L5椎体皮质骨在近左侧椎弓根处的应力最为集中,椎体前部、椎体左外侧、近右侧椎弓根处的应力较集中。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L5椎体皮质骨在椎体前部的应力集中区域减小,其他部位应力分布基本一致。 (5)L5后部结构：正常腰椎节段L5后部结构中左侧上关节突小关节面和上关节突外侧根部出现了应力集中。与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段L5后部结构中左侧上关节突小关节面和上关节突外侧根部的应力更为集中,左侧椎弓峡部和椎弓根出现了应力集中。 2.2.2位移分布 (1)L4的位移分布：正常腰椎节段L4的最大位移位于棘突,椎体右后上部与椎弓根结合处有一近圆形区域位移最小；退行性腰椎滑脱节段L4的最大位移也位于棘突,而最小位移位于椎体右后下部至右侧椎弓根下部的弧形区域。正常腰椎节段和退行性腰椎滑脱节段L4都是以各自位移最小区域为中心的一个三维运动,越靠近位移最小区域的结构位移越小。正常腰椎节段与退行性腰椎滑脱节段L4后部结构位移相比,相同点：最大位移位于棘突,左侧位移大于右侧；不同点：退行性腰椎滑脱节段L4左侧上、下关节突及横突的位移较大,右侧横突位移较小。 (2)椎间孔的变化：正常腰椎节段与退行性腰椎滑脱节段左侧椎间孔均明显增大,右侧椎间孔均增大不明显。 (3)椎间盘的位移：正常腰椎节段椎间盘中央偏左后部的椭圆形区域位移最小,位移从此区域向四周呈层状递增,椎间盘右外侧至左前外侧的位移最大,左外侧和后侧的位移较大；退行性腰椎滑脱节段椎间盘右后外侧部位移最小,位移从此区域向四周呈层状递增,椎间盘右前外侧的位移最大,左后侧的位移较大。正常腰椎节段椎间盘右后侧向后内方位移,随着向左侧的靠近,位移逐渐向上,左后侧主要为向外上方位移；退行性腰椎滑脱节段椎间盘右后侧位移很小,左后侧主要为向前上方的拉伸位移。 研究结论 1临床研究 (1)疗程结束时与随访期间,试验组(坐位腰椎旋转手法+腰椎康复操)治疗退行性腰椎滑脱症的总体疗效均优于对照组(腰椎牵引+腰围制动),且随访期间试验组的总体疗效更持久。 (2)治疗及随访期间,试验组与对照组均可改善退行性腰椎滑脱症患者的症状体征和临床疼痛,且试验组起效时间早于对照组。 (3)治疗及随访期间,试验组对退行性腰椎滑脱症患者症状体征和临床疼痛的改善均优于对照组。 综上所述,坐位腰椎旋转手法配合腰椎康复操治疗退行性腰椎滑脱症起效快、疗效持久,无论近期还是中远期均取得了满意的临床疗效。 2基础研究(1)在模拟腰椎中立位自然负重下,与正常腰椎节段相比,退行性腰椎滑脱节段的应力分布发生明显改变,这种改变可能导致滑脱节段后部结构中小关节、椎弓峡部、椎弓根等处以及椎间盘纤维环更易发生急慢性损伤。 (2)坐位腰椎旋转手法时,退行性腰椎滑脱节段后部结构中小关节、椎弓峡部、椎弓根等处及椎间盘纤维环出现了应力集中,且较正常腰椎节段更为明显,提示手法操作时应轻柔,切忌随意加大操作力度,以免对上述部位造成损伤。 (3)坐位腰椎旋转手法作用下,退行性腰椎滑脱节段的椎间盘后部与小关节均产生了相对位移,椎间孔也相应增大,其可能与手法作用机制有关。 (4)坐位腰椎旋转手法作用于退行性腰椎滑脱节段时,向两侧旋转都是可行的,而旋转向有症状的对侧可能更为合理。 创新点 l以正常志愿者与退行性腰椎滑脱患者L4-5CT断层图片为影像学资料,建立正常腰椎节段与退行性腰椎滑脱节段有限元模型,对二者的力学分布进行对比研究。 2利用有限元方法分析了坐位腰椎旋转手法时退行性腰椎滑脱节段的应力和位移分布,探讨本手法治疗退行性腰椎滑脱症的作用机制、安全性及合理性。