“腰-盆-髋”模型模拟腰椎定点坐位旋转手法的有限元分析

摘要

目的：建立“腰椎-骨盆-股骨上端”三维有限元生物力学模型，验证所建模型的可靠性;利用所建立的“腰椎-骨盆-股骨上端”模型模拟腰椎定点坐位旋转手法，探索腰椎定点坐位旋转手法的作用机制，评价腰椎定点坐位旋转手法的安全性。
　　 方法：使用64层螺旋CT扫描志愿者第12胸椎以下双侧股骨上端以上范围，得到的CT原始影像图片879张，以DICOM格式存储;将DICOM格式的CT图片导入Mimics10.01软件进行“蒙面”编辑，利用其三维重建功能建立“腰椎-骨盆-股骨上端”几何模型;将模型导入geomagic12进行精修（减少噪音、松弛、删除钉状物、快速平滑、砂纸、填充孔、自动修补功能），以利于网格划分，确定三角形无自相交后输出模型;将geomagic12精修过的几何模型导入hypermesh10，划分四面体网格并添加椎间盘（区分纤维环和髓核）与相关韧带。参照相关文献设置模型各部分材料属性，以双侧股骨上端下表面为边界，模拟腰椎斜扳手法、坐位旋转手法以及牵扳手法加载三个不同工况（①工况1:不加载荷，单纯右旋15°;②工况2:前屈15°，纵向加载300N，右旋15°;③工况3:前屈15°，牵引300N右旋15°），参考前期实验生物力学和有限元分析数据对模型进行加载，运算模拟腰椎三种手法下模型各部位的位移及应力分布，以验证模型的有效性。根据腰椎定点旋转手法的作用原理，将腰椎定点坐位旋转手法进行分解，改变腰椎前屈和侧弯参数，设计四种不同的工况（④X轴:前屈15°，Y轴:侧曲15°，Z右旋15°，纵向加载300N，L1椎体上面15Nm右旋力矩，L4棘突3Nm左偏前30°旋转力矩。⑤X轴:前屈15°，Y轴:侧曲9°，Z右旋15°，纵向加载300N，L1椎体上面15Nm右旋力矩，L4棘突3Nm左偏前30°旋转力矩。⑥X轴:前屈20°，Y轴:侧曲12°，Z右旋15°，纵向加载300N，L1椎体上面15Nm右旋力矩，L4棘突3Nm左偏前30°旋转力矩。⑦X轴:前屈15°，Y轴:侧曲20°，Z右旋15°，纵向加载300N，L1椎体上面15Nm右旋力矩，L4棘突3Nm左偏前30°旋转力矩），将相关数据导入三维有限元模型，进行运算手法作用下各部位的位移及应力分布。
　　 结果：
　　 1.得到腰椎-骨盆-股骨上端骨质（区别骨松质和骨密质）、椎间盘（区分纤维环和髓核）以及前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、骶髂韧带、骶结节韧带、髂腰韧带、腹股沟韧带有限元模型。模型包括290771个节点，1321886个四面体单元，296个spring单元。
　　 2.不加载荷，单纯旋转15°工况下，腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘及各韧带的位移值和应力值与牵引和加载相比，各项指标明显普遍较小。
　　 3.同时旋转15°，纵向加载和牵引，腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘以及各韧带位移值总体趋势自上而下逐步减小;应力集中分布在椎弓根、腰椎小关节、骶髂关节、股骨颈处，右侧更明显。
　　 4.相同前屈角度（前屈15°）的情况下，随着侧曲角度的增加（9°-15°-20°），同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘以及各韧带位移增加。同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘以及各韧带的最大位移出现在前屈20°侧曲12°。
　　 5.相同前屈角度（前屈15°）的情况下，随着侧曲角度的增加（9°-15°-20°），同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘以及各韧带应力增加。同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨质以及各韧带的最大应力出现在前屈20°侧曲12°。椎间盘的最大应力出现在前屈15°侧曲20°。
　　 6.3模拟腰椎定点坐位旋转手法，观察腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘以及各韧带位移的变化趋势，出现自上而下，由右前上方向左后下方递减的趋势。同平面腰椎-骨盆-股骨上端骨质、椎间盘以及各韧带各部位移由右前方向左后方递减的趋势递减。观察腰椎-骨盆-股骨上端骨质以及各韧带位移:对骨质来讲，左髋关节以下基本没有什么位移，但是左髂腰韧带和、右骶棘韧带和右骶结节韧带却出现了明显的位移。
　　 7.模拟腰椎定点坐位旋转手法，观察椎间盘以及各韧带应力的变化趋势，出现自上而下，由左后上方向右前下方递增的趋势。
　　 8.模拟腰椎定点坐位旋转手法，腰椎-骨盆-股骨上端骨质的应力没有出现规律性分布，应力集中在腰椎椎体右前部、椎弓、椎间小关节、骶髂关节以及右股骨颈等处，右侧更明显。
　　 9.纤维环和髓核做为一个整体，和腰椎并不存在同步位移，相邻的椎体和椎间盘的位移相差1-3mm。纤维环和髓核的应力分布并不同步，而且差别比较大。
　　 结论：
　　 1.所建立的“腰椎-骨盆-股骨上端”三维有限元模型有效，可以用于对“腰椎定点坐位旋转手法”进行有限元生物力学分析。
　　 2.在施行“腰椎定点坐位旋转手法”过程中，腰椎侧弯和前屈都是影响腰椎-骨盆-股骨上端骨质（区别骨松质和骨密质）、椎间盘（区分纤维环和髓核）以及各韧带位移和应力分布的因素。相对来说，前屈对骨质的影响较大，侧弯对椎间盘的影响较大。
　　 3.“腰椎定点坐位旋转手法”可以调整小关节结构，松解腰椎小关节粘连，缓解小关节结构紊乱以及滑膜嵌顿引起的腰腿疼痛症状。
　　 4.在施行“腰椎定点坐位旋转手法”时注意选择手法旋转的方向，以及手法操作的合适力度，以免加重临床症状或出现并发症。

目录

声明

摘要

主要英文缩略词

引言

第一部分 腰椎-骨盆-股骨上端三维有限元模型的建立与验证

1 材料与方法

2 结果

3．小结

4．讨论

第二部分 “腰-盆-髋”模型模拟腰椎定点坐位旋转手法的有限元分析

1 材料与方法

2 结果

3．小结

4．讨论

结论

参考文献

综述

致谢