有限元分析：髋关节和膝关节屈曲操作对骶髂关节生物力学影响的评估

《Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics》：Finite Element Analysis of the Biomechanical Effects of Manipulations of Hip and Knee Flexion on the Sacroiliac Joint

本研究通过建立骨盆-股骨有限元模型，分析了三种髋膝屈曲手法（MHKF-F1、F2、F3）对骶髂关节应力和位移的影响，以及韧带应变。结果表明，MHKF-F1产生最大的关节位移，而MHKF-F3导致最大的韧带应变，但所有手法下的关节位移均小于0.252 mm，未超过生理范围。这为临床手法治疗提供了力学依据。

　　本研究旨在探讨髋关节和膝关节屈曲操作（MHKF）对骶髂关节（SIJ）应力、位移以及周围韧带应变的影响。通过构建一个包含骨盆和股骨的有限元模型，研究团队模拟了三种不同的MHKF操作条件，并对结果进行了详细分析。研究发现，不同操作方向对SIJ的应力分布和位移模式产生了显著差异，同时对周围韧带的应变也产生了不同影响。这些发现为临床治疗提供了重要的理论依据，特别是在如何选择合适的操作方向以减少对关节的损伤和提高治疗效果方面。

### 研究背景与意义

骶髂关节是人体中最大的轴向关节之一，连接脊柱与骨盆，并承担将上半身重量传递至下半身的重要功能。由于其复杂的结构和高负荷特性，该关节在日常活动中承受较大的压力，因此容易出现损伤或功能障碍。研究指出，SIJ功能障碍是导致下背部疼痛的常见原因之一，其发生率在临床中约占14.5%至22.5%。这种疼痛通常与关节不稳定、韧带损伤或关节脱位有关，而临床治疗中常采用手法复位等物理治疗方法。

手法复位，特别是MHKF，是一种常见的治疗SIJ功能障碍的方式。它通过调整髋关节和膝关节的屈曲状态，对骨盆施加特定的力，从而影响SIJ的运动和稳定性。然而，目前临床中MHKF的操作方向缺乏统一标准，不同治疗师可能会采用不同的手法，导致治疗效果存在差异。因此，研究不同操作方向对SIJ的影响具有重要意义，有助于优化治疗方案，减少潜在的不良后果。

### 研究方法与模型构建

为了深入分析MHKF对SIJ的影响，研究团队建立了一个基于CT扫描数据的骨盆-股骨有限元模型。该模型涵盖了骨盆和股骨的结构细节，包括皮质骨和松质骨的区分，以及关节软骨和骨板的设定。模型中，SIJ的结构由关节软骨、骶骨和髂骨的骨板以及周围的韧带组成，这些韧带被建模为三维张力仅限的桁架元素，以模拟其力学特性。

模型的构建过程考虑了人体解剖学的实际情况，例如，骶骨呈楔形结构，插入到髂骨中，同时周围存在多个强大的韧带结构，为关节提供了稳定性。研究还通过网格收敛性分析和模型验证，确保了模型的准确性。在验证过程中，模型的应力分布和位移模式与已有文献中的实验和计算结果进行了对比，进一步确认了其可靠性。

### 操作条件与模拟设置

研究中模拟了三种MHKF操作条件，分别对应髋关节的外旋、中立位和内旋状态。具体而言，MHKF-F1是髋关节屈曲至155°并外旋35°；MHKF-F2是髋关节屈曲至155°并保持中立位；MHKF-F3是髋关节屈曲至155°并内旋35°。这些操作条件在模型中被施加在股骨远端，通过杠杆作用传递至骨盆，从而影响SIJ的应力和位移。

为了更准确地模拟实际操作，研究团队参考了临床中的标准手法，例如，患者平躺时，治疗师向下按压患者的膝关节，使髋关节屈曲并进行外旋或内旋。通过这种方式，研究团队能够再现不同方向的操作对骨盆和SIJ的影响，并进一步分析其对周围韧带的应变情况。

### 结果分析

研究结果显示，三种MHKF操作条件对骨盆和SIJ的应力分布和位移模式产生了不同的影响。在骨盆应力方面，MHKF-F1产生的最大应力为154.1 MPa，MHKF-F2为123.4 MPa，而MHKF-F3则达到180.3 MPa。这表明，不同的操作方向对骨盆的力学负荷存在显著差异，其中MHKF-F3施加的力最大，导致骨盆承受更高的应力。

在SIJ的应力分布方面，三种操作条件下的最大应力分别为3.9 MPa、3.3 MPa和2.8 MPa。研究发现，SIJ的应力主要集中在关节的前部和下部区域，这与关节的解剖结构和力学特性有关。在MHKF-F1中，由于髋关节外旋，导致骶骨与髂骨之间的接触面更紧密，因此产生了较高的应力；而在MHKF-F3中，髋关节内旋则使关节面分离，应力相对较低。

在位移方面，三种操作条件下的SIJ位移均小于0.252 mm。MHKF-F1主要导致前-后方向的位移，而MHKF-F2则主要影响中-外方向的位移，MHKF-F3则主要产生上-下方向的位移。值得注意的是，MHKF-F1产生的位移最大，这可能与其对SIJ旋转的扭矩较大有关。而MHKF-F3虽然对SIJ的应力影响较小，但导致了最大的韧带应变，特别是对SS、ASL和ST等韧带的影响更为显著。

### 临床意义与讨论

SIJ功能障碍在临床中是一个常见问题，其主要表现为下背部疼痛。由于SIJ的稳定性主要依赖于周围的韧带结构，任何影响这些韧带的操作都可能对关节的稳定性产生重要影响。研究发现，MHKF-F3虽然对SIJ的应力影响较小，但导致了最大的韧带应变，这可能与该操作对SIJ上-下方向的位移有关。这种位移可能会引发韧带的紧张或痉挛，进而导致疼痛。

此外，研究还指出，不同的操作方向对髋关节的稳定性也存在潜在影响。在MHKF-F1中，股骨头向前移动并受到骨盆的阻挡，从而减少了髋关节脱位的风险；而在MHKF-F3中，股骨头向后移动，可能更容易发生脱位。因此，治疗师在操作过程中需要关注施加的力的大小和患者的反应，以确保操作的安全性和有效性。

### 研究的局限性

尽管本研究提供了重要的理论依据，但其结果仍存在一定的局限性。首先，模型基于单一男性的CT数据，未考虑个体差异，这可能影响结果的普遍适用性。其次，模型中使用的韧带结构为线性元素，而实际韧带的力学行为是高度非线性的，因此模型的精度可能受到一定限制。此外，模型未包括骨盆周围的肌肉和其他软组织，这可能影响对整体力学行为的模拟。最后，研究中使用的SIJ模型为正常结构，而临床中MHKF常用于治疗部分脱位的SIJ，因此模型可能无法完全反映实际操作中的力学特性。

### 实践应用与未来展望

本研究的结果对临床实践具有重要的指导意义。首先，它表明MHKF操作可以产生较小的SIJ位移，这说明在治疗过程中，操作对关节的直接物理影响有限，但仍能通过改变韧带的应变来影响关节的稳定性。其次，研究发现，不同操作方向会导致不同的韧带应变，其中MHKF-F3对韧带的影响最大，这提示治疗师在选择操作方向时需要权衡其对关节稳定性和韧带安全性的潜在影响。

未来的研究可以进一步优化模型，考虑个体差异和更复杂的软组织结构，以提高模拟的准确性。此外，可以结合临床数据，对不同患者的反应进行分析，从而制定更为个性化的治疗方案。同时，研究还可以探讨MHKF与其他治疗方法的结合效果，以评估其在综合治疗中的作用。

总之，本研究通过有限元模型分析了MHKF对SIJ的影响，为临床治疗提供了理论支持。然而，研究结果仍需在实际临床环境中进行验证，以确保其适用性和有效性。未来的研究应进一步探索不同操作方向对SIJ和周围结构的综合影响，以优化治疗策略并提高患者的治疗效果和安全性。