旋转手法对颈椎间盘粘弹性影响的实验研究
作者：姜宏 施杞 王以进
单位：姜宏 (苏州市中医院 215003 苏州)；施杞(上海中医院大学)；王以进(上海大学嘉定校区)
关键词：旋转手法；颈椎间盘；蠕变；应力松弛
中国中医骨伤科990102 摘要 选用3具新鲜尸体整段颈椎标本制成颈椎生物力学模型，观察了旋转手法对颈椎间盘粘弹性的影响。结果：旋转手法可降低颈椎间盘的蠕变与应力松弛速率，调整颈椎间盘的粘弹性与应力分布。结论：手法可提高颈椎的稳定性，但临床上颈椎手法操作的力度要恰当，理筋手法的时间可掌握在15分钟左右。
Experimental Study on the Effect of Rotation Manipulation on
Stickine ss and Elasticity of Cervical Disc
, 百拇医药
Jiang Hong,Shi Qi,Wang Yijin
Suzhou Hospital of Traditional Chinese Medicin,215003 Suzhou
ABSTRACT We made a cervical spine biomechanical model by using three cadavers sample,observe the effect of rotation manipulation on cervi cal disc.The result show that rotation manipulation can reduce the pace of creep and rate of stress relaxation of cervical disc,hence demonstrating that rotatio n manipulation has an effect on adjustment of the stickiness elasticity,and stre ss distribution.It also demostrate that rotation manipulation can enhance the st ability of cervical spine.Note:In clinic,the srength of manipulation should be proper and the duration is less than 15 minutes.
, 百拇医药
KEY WORDS Rotation manipulation Cervical disc Creep Relaxation
颈椎手法作为力的疗法，迄今为止，其生物力学的实验研究不多，疗效的生物力学机制尚不十分清楚。本文选用三具新鲜尸体整颈椎标本建立颈椎生物力学模型，并观察旋转手法对颈椎间盘粘弹性的影响，旨在探讨颈椎手法的生物力学机制，现报告如下。
材料和方法
1 标本来源
选用3具新鲜尸体正常整颈椎标本，均为男性，标本年龄26～32岁。大体解剖及X线正侧位摄片未见明显异常。截取标本后，先仔细剔除颈椎部所附肌肉，避免损伤并保留主要韧带与后关节等结构的完整性。低温保存待测。
2 生物力学模型的准备
, http://www.100md.com
2.1 制作传感器 力传感器采用优质磷青铜片作弹性原料，制成弓形式传感器，并在上粘贴应变片，经标准衡器校正后，绘制力-应变曲线，预调范围2500με±2%，灵敏度<2με。
2.2 制作骨水泥平台 在颈椎实验标本上下二端浇注骨水泥平台，以便轴向加载。骨水泥平台上下端平行度不大于0.1度，以提高测量精度。
3 测定方法
颈椎实验标本于实验前二小时逐级解冻。按照实验应力分析要求严格进行贴片、接线、密封、温度补偿等电测技术的准备。试件在WD-5电子万能试验机上安装，尔后安置万能转盘及压弯组合载荷装置。上端用压力传感器、力载板及钢球滚珠加载，下端固定在试验台基上。液压加载，强度为50N，速度1.5mm/min，采用匀速中心压缩加载，应变测量传感器置于实验标本C5-6间。
4 推拿手法的模拟
, 百拇医药
对实验颈椎标本进行旋转手法，左右各一次，旋转角度30°，手法的力值为6.11±2.48kg。分别在旋转手法前后，每隔15秒、30秒、1分钟、1.5分钟、2分钟、10分钟、60分钟测量恒应力应变状态下(加载50N)椎间盘的蠕变、应力松弛及其扭矩的变化。
结果
1 手法对颈5-6椎间盘蠕变特性的影响
生物材料均具有粘弹性特性，尤其是颈椎间盘更明显，粘弹性材料的特征是对该材料的蠕变。所谓蠕变，椎间盘在恒定值应力作用下，应变随时间而增加的现象。发生蠕变的机理是高聚物分子在外力长时间作用下逐渐发生够象变化或位移。
图1显示了旋转手法前后颈5-6椎间盘的蠕变情况。本实验所得的曲线同Voigt模型所得的曲线十分相似。所有标本手法前后的蠕变率均随时间的增加而降低。整个蠕变通达时间为65分钟左右。通观整个蠕变过程，可分为三个阶段：(1)定量加载后蠕变率很高，标本被迅速压缩，变形显著；(2)蠕变逐渐降低，形变趋于缓慢；(3)标本的变形，近于常量，变形趋向于零。
, 百拇医药
图1 手法对椎间盘蠕变的影响
在0.5、1.0、1.5、2.0分钟时，手法前蠕变率分别为75%、80%、90%和96%，达到平衡的时间为10分钟；手法后标本迅速松介，其相应的蠕变率则为34%、67%、83%和94%达到平衡的时间为15分钟。上述结果显示，手法后蠕变曲线降低，椎间盘蠕变率变小，变形速率减慢，平均较手法前约减少33%(P<0.01)。
2 手法对颈5-6椎间盘应力松弛的影响
椎间盘材料粘弹性的另一特征是应力松弛。所谓应力松弛，即外力的作用使椎间盘发生形变时，物体内部发生一定的应力，如果形变保持一定，则此应力随时间而衰减，这种现象称为应力松弛。组织松弛过程可用maxwell力学模型加以模拟。
由图2可见，椎间盘初始加载时，椎间盘松弛率较小，继而变大，尔后进入拐点降低直至平衡阶段，并将应力松弛为零。一般经过2分钟后趋于平衡。其中在1分钟时，手法前松弛率为81.8%，手法后松弛率为91.6%，手法后椎间盘载荷平均下降52.7%(P<0.05)。实验结果显示，手法可加速松弛率变化，从而松介组织的挛缩状态。
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图2 手法对椎间盘应力松弛的影响3 手法对颈椎扭转试验的影响
在外力扭矩作用下，可使颈椎特别是椎间盘组织发生扭转变形。我们在实验中还发现，承受扭矩的颈椎，经手法后均有不同程度的下降，其由213±3.17Mn下降至194±9.6Mn(P<0.05)，扭矩刚度亦由440±3.17N/mm下降至370±2.13N/mm，平均下降15.9%(P<0.05)。
讨论
1 颈椎间盘的粘弹性特征
椎间盘是颈椎承载系统中最关键的部分。和多数生物材料相似，椎间盘的宏观力学行为也具有粘弹性。虽然近几年来，国内外对椎间盘进行了大量的实验研究，但有关椎间盘粘弹性的研究仍不多见，尤其在颈椎间盘方面更为鲜见。研究进展表明，[1，2]腰椎椎间盘的蠕变和髓核与纤维环所受应力的重新分布有关，其过程不仅包含着结构的变形，而且也包含了液体的自由交换。其中，水分子向髓核中运动对椎间盘粘弹性的维持具有重要意义。人体椎间盘的蠕变特性，在很大程度上和椎间盘的含水量有关。即髓核含水率越高，蠕变速率越小；含水越少，蠕变速率越大。由于椎间盘含水量和年龄相关，因此，根据生物力学的理论可以认为，中老年及退行性严重者，其椎间盘蠕变速率大，缓冲时间短，冲击响应强，故易导致颈部急慢性损伤。此外，松弛、蠕变幅度越大，颈椎保持生理平衡的稳定性能越差，当达到一定界限时，将发生和产生病痛。
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2 手法对颈椎间盘粘弹性的影响
颈椎病的手法一般分为二类。整骨手法(如旋转手法)和理筋手法(各式软组织推拿手法)。[4，5，11，12]迄今为止，有关手法对颈椎间盘蠕变、松弛影响的实验国内外未见报告。我们在研究中发现，旋转手法可使椎间盘蠕变速率降低7～13%，平衡时间延长5分钟，应力松弛率降低10%，载荷平均下降57%，即产生与椎间盘退变逆向变化的蠕变松弛特性。此表明旋转手法对颈椎间盘的流变学特性具有一定的调整作用——改善颈椎间盘的粘弹性与应力分布，并提高颈椎的稳定性。当然，椎间盘是粘弹性组织，在生理状态下可受手法挤压而变化，去除手法恢复至原形状，属于弹性阶段而呈线性变化，而且受压或受拉过度即呈非线性阶段，属于塑性阶段，此时椎间盘又易发生损伤。大岛博[3]的研究显示，长时间或反复过度的应力作用，如压缩应力、振动载荷因抑制椎间盘基质合成，并使其含量下降，故有可能导致椎间盘变性。适度的应力对维持椎间盘正常营养是必不可少的，但异常高应力环境却是导致椎间盘退变的重要因素，其可以改变椎间盘软骨细胞的周围环境。力学上异常受载是加速椎间盘退变的重要原因。[8，9]我们通过其他生物力学研究也发现，[6，7，10]病损颈椎的椎间盘在手法中所承受的应变变化幅度与载荷远远大于正常颈椎，且其保持稳定与抵抗外力的平衡能力降低，易导致急慢性损伤。对此，临床上要恰当地掌握手法的力度，避免粗暴手法、重手法或长期反复进行整骨手法。我们的实验结果还表明椎间盘蠕变趋向平衡的时间一般为10～15分钟左右，并达到饱和。之后即使时间再增加很多，应变也不会再增大。为适应椎间盘的这种粘弹性规律，临床上施行理筋手法的时间也应掌握在15分钟左右，此有待深入研究。
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(本文为上海市教委博士基金资助项目)
参考文献
[1]Cyron BM.外力反复作用下的腰椎间盘蠕变.国外医学创伤与外科问题基本分册，1983，2：15
[2]马洪顺，初日德，董心，等.人脊柱椎间盘应力松弛实验研究。中国生物学工程学报，1992，(4)：294
[3]大岛博.椎间板の小扩および基质合成能と上力学的ストレス.临整外，1994，29(4)：351
[4]徐山.提旋复位法治疗颈椎病3687例.中医杂志，1993，34(5)：289
[5]王道全.国内颈椎病分型椎拿研究近况.福建中医药，1992，23(4)：54
, http://www.100md.com
[6]姜宏.牵引推拿对颈椎生物力学影响的实验研究.中医博士论文集萃.上海中医大学出版社，1996，170～174
[7]姜宏，郑清波，施杞，等.颈椎急慢性损伤的生物力学研究概况.中医正骨，1996，8(6)：31
[8]平野典和.椎间板の物性代谢.整灾外，1993，36：873
[9]冈小天.レオロジ-，1976，50～81
[10]姜宏，施杞，王以进，等.颈椎失稳临界值和极限强度的测量.医用生物力学，1997，(4)：224
[11]John,J Triano.Studies on the Biomechanical effect of a spinal adjust ment.J Manipulative and physiological therapeutics,1992,15(1):71
[12]Heraoy W.Force exerted during spring spinal manipulative therapy.Spi ne,1993,18(9):1206
(收稿：1998-6-10), 百拇医药
单位：姜宏 (苏州市中医院 215003 苏州)；施杞(上海中医院大学)；王以进(上海大学嘉定校区)
关键词：旋转手法；颈椎间盘；蠕变；应力松弛
中国中医骨伤科990102 摘要 选用3具新鲜尸体整段颈椎标本制成颈椎生物力学模型，观察了旋转手法对颈椎间盘粘弹性的影响。结果：旋转手法可降低颈椎间盘的蠕变与应力松弛速率，调整颈椎间盘的粘弹性与应力分布。结论：手法可提高颈椎的稳定性，但临床上颈椎手法操作的力度要恰当，理筋手法的时间可掌握在15分钟左右。
Experimental Study on the Effect of Rotation Manipulation on
Stickine ss and Elasticity of Cervical Disc
, 百拇医药
Jiang Hong,Shi Qi,Wang Yijin
Suzhou Hospital of Traditional Chinese Medicin,215003 Suzhou
ABSTRACT We made a cervical spine biomechanical model by using three cadavers sample,observe the effect of rotation manipulation on cervi cal disc.The result show that rotation manipulation can reduce the pace of creep and rate of stress relaxation of cervical disc,hence demonstrating that rotatio n manipulation has an effect on adjustment of the stickiness elasticity,and stre ss distribution.It also demostrate that rotation manipulation can enhance the st ability of cervical spine.Note:In clinic,the srength of manipulation should be proper and the duration is less than 15 minutes.
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KEY WORDS Rotation manipulation Cervical disc Creep Relaxation
颈椎手法作为力的疗法，迄今为止，其生物力学的实验研究不多，疗效的生物力学机制尚不十分清楚。本文选用三具新鲜尸体整颈椎标本建立颈椎生物力学模型，并观察旋转手法对颈椎间盘粘弹性的影响，旨在探讨颈椎手法的生物力学机制，现报告如下。
材料和方法
1 标本来源
选用3具新鲜尸体正常整颈椎标本，均为男性，标本年龄26～32岁。大体解剖及X线正侧位摄片未见明显异常。截取标本后，先仔细剔除颈椎部所附肌肉，避免损伤并保留主要韧带与后关节等结构的完整性。低温保存待测。
2 生物力学模型的准备
, http://www.100md.com
2.1 制作传感器 力传感器采用优质磷青铜片作弹性原料，制成弓形式传感器，并在上粘贴应变片，经标准衡器校正后，绘制力-应变曲线，预调范围2500με±2%，灵敏度<2με。
2.2 制作骨水泥平台 在颈椎实验标本上下二端浇注骨水泥平台，以便轴向加载。骨水泥平台上下端平行度不大于0.1度，以提高测量精度。
3 测定方法
颈椎实验标本于实验前二小时逐级解冻。按照实验应力分析要求严格进行贴片、接线、密封、温度补偿等电测技术的准备。试件在WD-5电子万能试验机上安装，尔后安置万能转盘及压弯组合载荷装置。上端用压力传感器、力载板及钢球滚珠加载，下端固定在试验台基上。液压加载，强度为50N，速度1.5mm/min，采用匀速中心压缩加载，应变测量传感器置于实验标本C5-6间。
4 推拿手法的模拟
, 百拇医药
对实验颈椎标本进行旋转手法，左右各一次，旋转角度30°，手法的力值为6.11±2.48kg。分别在旋转手法前后，每隔15秒、30秒、1分钟、1.5分钟、2分钟、10分钟、60分钟测量恒应力应变状态下(加载50N)椎间盘的蠕变、应力松弛及其扭矩的变化。
结果
1 手法对颈5-6椎间盘蠕变特性的影响
生物材料均具有粘弹性特性，尤其是颈椎间盘更明显，粘弹性材料的特征是对该材料的蠕变。所谓蠕变，椎间盘在恒定值应力作用下，应变随时间而增加的现象。发生蠕变的机理是高聚物分子在外力长时间作用下逐渐发生够象变化或位移。
图1显示了旋转手法前后颈5-6椎间盘的蠕变情况。本实验所得的曲线同Voigt模型所得的曲线十分相似。所有标本手法前后的蠕变率均随时间的增加而降低。整个蠕变通达时间为65分钟左右。通观整个蠕变过程，可分为三个阶段：(1)定量加载后蠕变率很高，标本被迅速压缩，变形显著；(2)蠕变逐渐降低，形变趋于缓慢；(3)标本的变形，近于常量，变形趋向于零。
, 百拇医药
图1 手法对椎间盘蠕变的影响
在0.5、1.0、1.5、2.0分钟时，手法前蠕变率分别为75%、80%、90%和96%，达到平衡的时间为10分钟；手法后标本迅速松介，其相应的蠕变率则为34%、67%、83%和94%达到平衡的时间为15分钟。上述结果显示，手法后蠕变曲线降低，椎间盘蠕变率变小，变形速率减慢，平均较手法前约减少33%(P<0.01)。
2 手法对颈5-6椎间盘应力松弛的影响
椎间盘材料粘弹性的另一特征是应力松弛。所谓应力松弛，即外力的作用使椎间盘发生形变时，物体内部发生一定的应力，如果形变保持一定，则此应力随时间而衰减，这种现象称为应力松弛。组织松弛过程可用maxwell力学模型加以模拟。
由图2可见，椎间盘初始加载时，椎间盘松弛率较小，继而变大，尔后进入拐点降低直至平衡阶段，并将应力松弛为零。一般经过2分钟后趋于平衡。其中在1分钟时，手法前松弛率为81.8%，手法后松弛率为91.6%，手法后椎间盘载荷平均下降52.7%(P<0.05)。实验结果显示，手法可加速松弛率变化，从而松介组织的挛缩状态。
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图2 手法对椎间盘应力松弛的影响3 手法对颈椎扭转试验的影响
在外力扭矩作用下，可使颈椎特别是椎间盘组织发生扭转变形。我们在实验中还发现，承受扭矩的颈椎，经手法后均有不同程度的下降，其由213±3.17Mn下降至194±9.6Mn(P<0.05)，扭矩刚度亦由440±3.17N/mm下降至370±2.13N/mm，平均下降15.9%(P<0.05)。
讨论
1 颈椎间盘的粘弹性特征
椎间盘是颈椎承载系统中最关键的部分。和多数生物材料相似，椎间盘的宏观力学行为也具有粘弹性。虽然近几年来，国内外对椎间盘进行了大量的实验研究，但有关椎间盘粘弹性的研究仍不多见，尤其在颈椎间盘方面更为鲜见。研究进展表明，[1，2]腰椎椎间盘的蠕变和髓核与纤维环所受应力的重新分布有关，其过程不仅包含着结构的变形，而且也包含了液体的自由交换。其中，水分子向髓核中运动对椎间盘粘弹性的维持具有重要意义。人体椎间盘的蠕变特性，在很大程度上和椎间盘的含水量有关。即髓核含水率越高，蠕变速率越小；含水越少，蠕变速率越大。由于椎间盘含水量和年龄相关，因此，根据生物力学的理论可以认为，中老年及退行性严重者，其椎间盘蠕变速率大，缓冲时间短，冲击响应强，故易导致颈部急慢性损伤。此外，松弛、蠕变幅度越大，颈椎保持生理平衡的稳定性能越差，当达到一定界限时，将发生和产生病痛。
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2 手法对颈椎间盘粘弹性的影响
颈椎病的手法一般分为二类。整骨手法(如旋转手法)和理筋手法(各式软组织推拿手法)。[4，5，11，12]迄今为止，有关手法对颈椎间盘蠕变、松弛影响的实验国内外未见报告。我们在研究中发现，旋转手法可使椎间盘蠕变速率降低7～13%，平衡时间延长5分钟，应力松弛率降低10%，载荷平均下降57%，即产生与椎间盘退变逆向变化的蠕变松弛特性。此表明旋转手法对颈椎间盘的流变学特性具有一定的调整作用——改善颈椎间盘的粘弹性与应力分布，并提高颈椎的稳定性。当然，椎间盘是粘弹性组织，在生理状态下可受手法挤压而变化，去除手法恢复至原形状，属于弹性阶段而呈线性变化，而且受压或受拉过度即呈非线性阶段，属于塑性阶段，此时椎间盘又易发生损伤。大岛博[3]的研究显示，长时间或反复过度的应力作用，如压缩应力、振动载荷因抑制椎间盘基质合成，并使其含量下降，故有可能导致椎间盘变性。适度的应力对维持椎间盘正常营养是必不可少的，但异常高应力环境却是导致椎间盘退变的重要因素，其可以改变椎间盘软骨细胞的周围环境。力学上异常受载是加速椎间盘退变的重要原因。[8，9]我们通过其他生物力学研究也发现，[6，7，10]病损颈椎的椎间盘在手法中所承受的应变变化幅度与载荷远远大于正常颈椎，且其保持稳定与抵抗外力的平衡能力降低，易导致急慢性损伤。对此，临床上要恰当地掌握手法的力度，避免粗暴手法、重手法或长期反复进行整骨手法。我们的实验结果还表明椎间盘蠕变趋向平衡的时间一般为10～15分钟左右，并达到饱和。之后即使时间再增加很多，应变也不会再增大。为适应椎间盘的这种粘弹性规律，临床上施行理筋手法的时间也应掌握在15分钟左右，此有待深入研究。
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(本文为上海市教委博士基金资助项目)
参考文献
[1]Cyron BM.外力反复作用下的腰椎间盘蠕变.国外医学创伤与外科问题基本分册，1983，2：15
[2]马洪顺，初日德，董心，等.人脊柱椎间盘应力松弛实验研究。中国生物学工程学报，1992，(4)：294
[3]大岛博.椎间板の小扩および基质合成能と上力学的ストレス.临整外，1994，29(4)：351
[4]徐山.提旋复位法治疗颈椎病3687例.中医杂志，1993，34(5)：289
[5]王道全.国内颈椎病分型椎拿研究近况.福建中医药，1992，23(4)：54
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[6]姜宏.牵引推拿对颈椎生物力学影响的实验研究.中医博士论文集萃.上海中医大学出版社，1996，170～174
[7]姜宏，郑清波，施杞，等.颈椎急慢性损伤的生物力学研究概况.中医正骨，1996，8(6)：31
[8]平野典和.椎间板の物性代谢.整灾外，1993，36：873
[9]冈小天.レオロジ-，1976，50～81
[10]姜宏，施杞，王以进，等.颈椎失稳临界值和极限强度的测量.医用生物力学，1997，(4)：224
[11]John,J Triano.Studies on the Biomechanical effect of a spinal adjust ment.J Manipulative and physiological therapeutics,1992,15(1):71
[12]Heraoy W.Force exerted during spring spinal manipulative therapy.Spi ne,1993,18(9):1206
(收稿：1998-6-10), 百拇医药