腰椎定点旋转手法治疗L_(4)~S_(1)双节段腰椎间盘突出症力学效应的三维有限元分析

目的:分析腰椎定点旋转手法治疗L_(4)~S_(1)双节段腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,LDH)的力学效应。方法:提取1名健康成年男性志愿者脊柱L_(4)~S_(1)段的CT薄层扫描数据,建立正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型,并进行有效性验证。基于建立的正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型,通过调整椎间盘高度和髓核体积及修改髓核和纤维环的材料属性模拟椎间盘退变,建立L_(4)~S_(1)双节段LDH(左旁中央型)三维有限元模型。在建立的L_(4)~S_(1)双节段LDH三维有限元模型上,模拟腰椎定点旋转手法操作,并以拇指推顶位置为条件,建立2种操作模式(拇指推顶于L_(4)棘突上为M1,拇指推顶于L_(5)棘突上为M2)。分析腰椎定点旋转手法2种操作模式下,L_(4)~S_(1)双节段LDH三维有限元模型整体应力变化情况,L_(4~5)和L_(5)S_(1)椎间盘纤维环与髓核的应力和位移情况,以及L_(4~5)和L_(5)S_(1)关节突关节软骨接触力与应变情况。结果:(1)正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型的建立与验证结果。建立的正常脊柱L_(4)~S_(1)节段三维有限元模型共有508705个节点、318640个单元,经验证可用于进一步研究。(2)L_(4)~S_(1)双节段LDH三维有限元模型整体应力测定结果。M1操作模式下,模型整体应力最大为16.85 MPa,主要集中于L_(4~5)、L_(5)S_(1)的上下软骨终板和L_(5)椎体,以及L_(4~5)、L_(5)S_(1)关节突关节;M2操作模式下,模型整体应力最大为15.02 MPa,主要集中于L_(4~5)、L_(5)S_(1)关节突关节和L_(4)椎弓根,以及L_(5)双侧椎板。(3)椎间盘纤维环应力与位移测定结果。M1操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)纤维环的最大等效应力分别为4.3 MPa、3.8 MPa,L_(4~5)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.31 mm、0.24 mm、1.20 mm,L_(5)S_(1)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.20 mm、0.23 mm、1.10 mm;M2操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)纤维环的最大等效应力分别为4.2 MPa、3.7 MPa,L_(4~5)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.35 mm、0.24 mm、1.10 mm,L_(5)S_(1)纤维环向左、向前、向上的最大位移分别为0.32 mm、0.22 mm、1.00 mm。(4)椎间盘髓核应力与位移测定结果。M1操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)髓核的最大等效应力分别为0.35 MPa、0.32 MPa,L_(4~5)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.10 mm、0.46 mm、0.41 mm,L_(5)S_(1)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.08 mm、0.40 mm、0.40 mm;M2操作模式下,L_(4~5)和L_(5)S_(1)髓核的最大等效应力分别为0.34 MPa、0.31 MPa,L_(4~5)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.23 mm、0.46 mm、0.41 mm,L_(5)S_(1)髓核向左、向前、向上的最大位移分别为0.09 mm、0.45 mm、0.40 mm。(5)关节突关节软骨接触力与应变测定结果。M1操作模式下,L_(4~5)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为17.0 MPa、15.8 MPa,最大应变值分别为0.34%、0.32%;L_(5)S_(1)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为9.7 MPa、9.4 MPa,最大应变值分别为0.33%、0.27%。M2操作模式下,L_(4~5)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为15.0 MPa、13.0 MPa,最大应变值分别为0.31%、0.27%;L_(5)S_(1)左右侧关节突关节软骨最大接触力分别为10.0 MPa、8.4 MPa,最大应变值分别为0.29%、0.24%。结论:腰椎定点旋转手法治疗L_(4)~S_(1)双节段LDH,可使L_(4~5)和L_(5)S_(1)椎间盘产生一定的应力变化和位移,促进关节突关节滑动;且手法操作时拇指推顶于L_(4)棘突,力学效应更明显。

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