脊柱手法是众多国家卫生防治指南中建议使用针对脊柱损伤退变性疾病的治疗方法之一。但是,由于脊柱手法的安全性和规范性问题而导致关于脊柱手法的临床争议却一直不断。究其原因,这与脊柱手法机制的力学及临床的基础研究很难全面客观地阐述其临床意义有关。首先,当前有关脊柱生物力学基础实验的研究主要是围绕椎体附件、盘椎间进行研究,对椎旁软组织关注少,脊柱手法的安全性及疗效评价等问题往往与椎旁软组织损伤有直接关系；其次,临床研究对于脊柱手法对于椎旁软组织影响的实验研究也比较少,但这一点恰好是临床上脊柱损伤病理过程及脊柱手法安全实施的关键环节。所以,本课题就当前主流的两种脊柱手法对椎旁肌群等软组织的应力影响进行立题,探讨这两种模拟脊柱手法对于脊柱关节运动的应力影响和损伤的机制。这对于确立脊柱手法实施的安全原则具有重要的临床意义。在课题第一部分,使用数字散斑相关技术,从解剖学实验中观察和客观测量不同手法对深浅层肌群、椎间盘和后关节的应力变化,尤其是椎旁肌群在各种条件下模拟实施脊柱不同手法时造成的组织应变,探讨脊柱手法的力学特性,为脊柱手法实施的原则提供生物力学实验基础。在课题第二部分,利用多柔体动力学数据源建立了腰段脊柱多柔体动力学模型,并得到了解剖实验数据的验证。该模型可以为脊柱手法等力学实验提供包括椎旁软组织应力反应,计算出更为客观的模拟数据,为脊柱手法等力学实验研究提供重要的研究手段。在课题第三部分,利用可重复性好、应力单纯、患者依从度高、利于掩饰手法意图的脊柱定点旋转复位法作为干预因素进行临床实验对照研究,通过特殊的应力监控方法和特别设计的对照和观察组,实现了既往无法达到的盲法原则。最终完成了对当前两种主要脊柱手法疗效的临床比较。获得了安全性高且疗效肯定的脊柱关节松动手法的临床数据,提出了实施脊柱关节手法力学基本原则。研究目的：1、在新鲜尸体试验中,利用数字散斑应变技术获得脊柱关节冲击手法和关节松动手法对椎间盘、后关节、椎旁软组织应力数据,为脊柱手法的应力特点分析提供基础数据；分析两种手法的力学特性、脊柱的生物力学响应有何区别。2、建立更真实、便捷的脊柱多柔体动力学模型,模拟计算不同脊柱手法的脊柱力学响应特性,进一步证实分析解剖实验数据。3、在临床对照观察中,按照随机、盲法、对照和可重复原则,实际比较松动和冲击手法的临床效应,分析不同关节手法力学特点和安全性。研究内容：1.脊柱关节手法力学特征解剖学实验：1.1建立肌肉应变测量新方法：通过散斑法进行冲击手法、松动手法时肌肉应变的测量,逐层分解测量浅层、深层软组织在手法中受到的应力变化,可以为安全和有效的手法治疗提供依据。1.2通过新鲜尸体标本生物力学试验,说明松动和冲击手法的力学特性,研究关节、间盘、肌群的力学响应规律。2构建包含主要肌肉韧带的腰椎多柔体动力学模型,进一步证实分析解剖实验数据,比较不同关节手法的力学特征和脊柱力学响应特性。3脊柱关节手法的临床观察：通过手法压力分析系统,观察冲击手法、松动手法的临床实效性和安全性。研究方法：1、脊柱关节手法力学特征解剖学实验1.1标本制备：取1具年龄在40岁50kg急性死亡(48小时内急冻)男性新鲜尸体的脊柱,经CT及MRI扫描后评估无脊柱骨盆的损伤及病理性破坏后,在室温恒定25摄氏度,湿度45%条件下,制备脊柱标本(包括T11至骨盆,上端T11、12及骨盆下端树脂包埋固定用),生物力学机夹具固定,T11椎体加装旋转杆,施以加压载荷(预载荷150N模拟上半身的重量),同时用生理盐水喷浴,防止失水。1.2测量方法：1.2.1椎间盘压力变化监测：在椎间盘内穿刺植入压力传感器,通过压力变送器建立的测压系统,标定后监测椎间盘压力变化。1.2.2小关节压力变化监测：在小关节内植入压力传感薄膜(美国,Flexforce),标定后监测关节突间压力变化。1.2.3拇指压力变化监测：术者拇指上佩戴压力传感器(美国,Flexforce),标定后监测不同手法时拇指压力变化。1.2.4数字散斑法肌群应变测量：架设数字散斑动态应变测量系统,标本上喷涂散斑,监测肌群应变。1.3模拟手法：1.3.1单纯旋转：生物力学机在标本上预载荷150N,5s向顺逆时针各旋转20度角,然后回到中立位,每个动作停顿10秒。做3次。1.3.2模拟松动手法：生物力学机在标本上预载荷150N,5s向顺逆时针旋转20度角,L4棘突上以拇指施以水平扭转外力1kg,5s,做侧旋运动,然后回到中立位。每个动作停顿10秒。做3次1.3.3模拟冲击手法：生物力学机在标本上预载荷150N,同上过程,当转到3s转到15度时,停顿0.5s后,在0.4s内再转5度,同时拇指冲击3kg。2、多体动力学模型验证脊柱关节手法力学特征2.1脊柱多体动力学模型建模：脊柱标本进行64排CT和3.OT核磁进行扫描,通过清华大学多体动力学软件ThuDynamics进行建模,基于以上研究数据和参考文献,分别构建腰椎骨骼、肌肉、韧带、椎间盘、关节接触模型。2.1.1骨骼模型：使用清华大学航天航空学院自主开发的多体动力学软件ThuDynamics进行建模。其中骨骼模型的几何信息和质量信息使用OpenSim提供的模型。2.1.2关节突接触模型：赫兹接触模型。2.1.3椎间盘模型：剪切梁的椎间盘模型。2.1.4韧带模型：非线性的绳索单元的模拟。2.1.5腰椎骨骼肌模型：Hill肌腱模型来构建。2.2三种不同载荷下的力学分析：2.2.1力学加载条件：在计算过程中,加载曲线按照生物力学机数据进行。分别模拟在T11椎体加载生物力学机所施加的旋转力,使模拟位置发生前屈15度,旋转20度,回复旋转过程,并在L4棘突上水平方向,加载拇指实测脊柱上施加的力学曲线。2.2.2力学观察指标：模拟三种手法的不同力学状态,加载于脊柱模型,分别计算间盘、关节的压力变化和深浅肌群的应变趋势,与实验尸体实测的结果比较,证明模型的科学性,并分析不同手法的力学特点,为手法力学的生物力学研究提供基础方法和数据。3、脊柱关节手法的临床观察3.1病例选择：将2012年1月到2014年1月空军总医院正骨科住院,核磁确诊为腰椎间盘突出症患者,随机分为3组。3.2治疗方法：3.2.1基础保守治疗：卧床,镇痛,脱水,中药热敷等。3.2.2手法力学干预：3.2.2.1手法：A组关节冲击手法,B组关节松动手法,C组安慰手法(假手法)。3.2.2.2疗程：全部患者每周治疗2次,疗程15天,观察时间为住院第一天和住院第15天。3.3.3观察指标：3.3.3.1Oswestry功能障碍指数。3.3.3.2体征量化评价：物理查体记录患者椎旁体征和根性刺激体征。3.3.3.3手法应力干预的指标采集：采用手法压力测量分析系统记录手法治疗拇指压力,作为分析手法应力损伤的基础数据。研究结果：1脊柱关节手法力学特征解剖学实验1.1关节压力变化：L3-4、L4-5关节内压力变化：冲击手法>松动手法>单纯旋转,三种力学状态,关节压力差异显著。扭力中心L4-5关节压力明显增大。L5-S1关节压力变化：单纯旋转小于冲击手法和松动手法压力,冲击手法和松动手法无显著差异。1.2椎间盘压力变化：单纯旋转小于冲击手法和松动手法压力,冲击手法椎间盘压力变化较大,松动手法椎间盘压力变化较小。1.3散斑法测量肌肉应变结果：1.3.1散斑法测量肌肉应变的可行性和精确性：标本肌肉位移最接近生物力学机牵引头实际位移距离,上中下肌群的各个观察点位移和应变符合肌肉生物力学特性,说明散斑法测量物体形变的精确性,也能如实的反应出肌肉的材料学特性。1.3.2比较A组单纯旋转、B组松动手法、C组冲击手法上中下三个区域的应变：1.3.2.1浅层肌群y方向应变：冲击手法上部中部肌肉y方向应变较大,下部肌肉应变三种状态无显著差别。1.3.2.2浅层肌群剪切应变：上部和中部肌肉三种条件下无显著差异,下部肌肉单纯旋转应变较小,松动和冲击手法剪切应变无显著差异。1.3.2.3深层肌肉Y方向应变：上部中部肌肉,单纯旋转应变较小,松动和冲击手法Y方向应变较大,两种手法应变无显著差异,拇指加力节段L4周围肌肉应变明显增加。下部肌肉应变单纯旋转和松动手法较小,而冲击手法Y方向应变较大。1.3.2.4深层肌肉剪切应变：上部中部深层肌肉,单纯旋转应变较小,松动和冲击手法剪切应变较大,两种手法应变无显著差异。下部肌肉应变单纯旋转和松动手法较小,冲击手法剪切应变较大。1.4冲击手法、松动手法拇指压力变化：冲击手法、松动手法加载在L4棘突上的拇指压力变化差异很大,平均约3倍。2多体动力学模型验证脊柱关节手法力学特征研究2.1脊柱多体动力学模型建模：脊柱标本进行双源64排CT和3.0T核磁进行扫描,通过清华大学多体动力学软件ThuDynamics进行建模,基于以上研究数据和参考文献,分别构建腰椎骨骼、肌肉、韧带、椎间盘、关节接触模型。2.2纯旋转、松动手法、冲击手法仿真计算结果：2.2.1后关节压力曲线：冲击手法>松动手法>单纯旋转,与标本实验趋势一致。2.2.2椎间盘压力变化：L3-4、L4-5椎间盘压力变化：冲击手法>松动手法>单纯旋转。L5-S1椎间盘压力变化：冲击手法和松动手法椎间盘压力变化明显大于单纯旋转压力,冲击手法和松动手法间没有显著差异。与标本实验趋势一致。2.3.3肌肉应变趋势：2.3.3.1浅层肌肉：单纯旋转应<松动手法<冲击手法应变,与标本实验趋势一致。2.3.3.2深层肌群(多裂肌)：三种条件下深层肌肉应变平均值,单纯旋转应变较小,松动和冲击手法应变较大,符合标本实测结果。3脊柱关节手法的临床观察3.1冲击组、松动组和假手法组的男女比例和年龄等基线一致具有可比性。3.2ODI指数比较：冲击组、松动组显著好于假手法组,治疗前后变化值和疗效指数差异极显著,冲击组、松动组间差异不显著。3.3根性征指数(RS指数)比较：冲击组、松动组显著好于假手法组,治疗前后变化值和疗效指数差异极显著,冲击组、松动组间差异不显著。3.4椎旁体征(PS指数)比较：冲击组、松动组显著好于假手法组,治疗前后变化值和疗效指数差异极显著,冲击组、松动组间差异不显著。3.5冲击组、松动组拇指手法应力分析：两组间拇指手法应力手法峰值(N),达峰时间(s),扳动速度(N/s)差异极显著(p0.0001<0.01)。3.6发生不良反应分析：由于冲击组2个患者出现手法副反应,疼痛明显加重,退出观察,其余两组未发生严重不良反应,但三组不良反应发生率并无显著差异(p=0.238>0.05)。结论1数字散斑图像相关技术得到肌肉应变数据精确可行。2腰椎多柔体动力学模型计算趋势与实验结果一致,模型得到验证,并可以真实模拟不同手法时,肌肉、关节、椎间盘的应力变化。3松动手法作用点为后关节和深部肌肉,对椎间盘影响小。冲击手法对于深浅层肌群、后关节、椎间盘应力影响较大,在扭力中心有明显的应力集中现象。4腰椎冲击手法、松动手法力学特性不同而疗效相同,对软组织作伤害性损伤相对较小,更为安全。