Influence of trunk posture on spinal loading and paraspinal muscle forces in adolescent idiopathic scoliosis: a subject-specific musculoskeletal modelling study
Diese Studie nutzt subjekt-spezifische muskuloskelettale Modellierung, um zu zeigen, dass die Rumpfhaltung, die Bewegungsrichtung und die Bewegungsamplitude die intervertebrale Belastung und die Asymmetrie der paraspinalen Muskelkraft bei Jugendlichen mit idiopathischer Skoliose signifikant verändern, wobei Flexions- und konvexseitige Bewegungen im Allgemeinen die größten biomechanischen Ungleichgewichte hervorrufen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die menschliche Wirbelsäule ist ein Wunderwerk der Ingenieurskunst, eine flexible Säule aus Knochen, die unser Gewicht trägt und uns gleichzeitig erlaubt, uns zu drehen, zu beugen und zu strecken. Bei den meisten Menschen steht diese Säule relativ gerade und verteilt die Kräfte von Schwerkraft und Bewegung gleichmäßig auf ihre Segmente. Bei einigen Jugendlichen entwickelt sich jedoch eine seitliche Krümmung der Wirbelsäule, ein Zustand, der als adoleszente idiopathische Skoliose bekannt ist. Dies ist nicht bloß ein kosmetisches Problem; das Verdrehen und Verbiegen der Wirbelsäule verändert die Art und Weise, wie Muskeln arbeiten und wie Kräfte durch den Körper übertragen werden. Obwohl Ärzte schon lange wissen, dass die Körperhaltung eine Rolle spielt, blieb es schwierig, die spezifischen mechanischen Folgen des Vorbeugens, des seitlichen Neigens oder des Drehens bei einer skoliotischen Wirbelsäule genau zu bestimmen. Die direkte Messung der Kräfte innerhalb einer lebenden Wirbelsäule ist invasiv und riskant, was die Forscher mit einer Wissenslücke zurückließ, wie alltägliche Bewegungen den Zustand beeinflussen.
Um diese Lücke zu schließen, wandte sich ein Forscherteam an ein leistungsstarkes Werkzeug: ein detailliertes, computergeneriertes Modell eines echten Patienten. Sie konzentrierten sich auf ein sechzehnjähriges Mädchen mit einer signifikanten Krümmung im oberen Rücken und rekonstruierten ihre einzigartige Wirbelsäulenform aus hochauflösenden Röntgenbildern. Mith heavy diesem digitalen Zwilling simulierten sie eine Reihe alltäglicher Bewegungen – Vorbeugen, Zurücklehnen, Drehen und seitliches Neigen –, um genau zu sehen, wie sich die Kräfte innerhalb ihrer Wirbelsäule veränderten. Die Studie ergab, dass die Reaktion der Wirbelsäule nicht einheitlich ist; sie hängt stark von der Richtung und Intensität der Bewegung ab. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Art und Weise, wie sich eine Person mit Skoliose bewegt, die Belastung ihrer Wirbel und Muskeln erheblich steigern oder verringern kann, was ein klareres Bild der mechanischen Umgebung vermittelt, in der diese Patienten jeden Tag leben.
Die Forscher bauten ihre Simulation mit einem Ganzkörpermodell auf, das mehr als 30 Muskelgruppen enthielt, was es ihnen ermöglichte, die Kräfte in der Rückenmuskulatur und den Gelenken zwischen den Wirbeln mit hoher Präzision zu verfolgen. Sie testeten sechs verschiedene Körperhaltungen bei unterschiedlichen Intensitäten, vom leichten Neigen bis zum tiefen Beugen. Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen war, dass das Vorbeugen, oder die Flexion, den größten Druck auf die Wirbelsäule ausübte. Als das simulierte Subjekt sich um dreißig Grad nach vorne beugte, stieg die Kompressionskraft – das Gewicht, das auf die Wirbel drückt – signifikant an. Am Scheitelpunkt der Krümmung erreichte diese Kraft 337 Newton, und nur zwei Ebenen unter dem Scheitelpunkt stieg sie auf 372 Newton an. Dies war eine deutliche Steigerung im Vergleich zum aufrechten Stand, bei dem die Kräfte niedriger waren. Die Studie zeigte, dass mit zunehmend tieferem Beugen die Last auf die Wirbelsäule stetig wuchs, angetrieben durch das Vorwärtsbewegen des Oberkörpers und die dadurch erforderliche größere muskuläre Anstrengung, um die Position zu halten.
Die Richtung der Beugung war ebenfalls von immenser Bedeutung, insbesondere wenn das Subjekt sich seitlich neigte. Die Wirbelsäule reagierte nicht auf die gleiche Weise, ob die Person zur Innenseite der Krümmung oder zur Außenseite der Krümmung neigte. Als sich das Subjekt zur konkaven Seite – der Innenseite der Skoliosekrümmung – beugte, nahmen die Seitenkräfte auf die Wirbelsäule dramatisch zu. Bei einer fünfzehn Grad starken Neigung sprang die Lateralkraft am Scheitelpunkt der Krümmung auf 87 Newton, was mehr als das Doppelte der Kraft war, die beim aufrechten Stehen gemessen wurde. Im Gegensatz dazu reduzierte das Neigen zur konvexen Seite – der Außenseite der Krümmung – diese Seitenkräfte tatsächlich auf etwa 22 Newton. Dies deutet darauf hin, dass die Geometrie der Krümmung selbst bestimmt, wie die Wirbelsäule mit seitlicher Belastung umgeht, wobei das Beugen in die Krümmung hinein eine wesentlich anspruchsvollere mechanische Situation schafft als das Beugen aus der Krümmung heraus.
Muskeln spielten eine entscheidende Rolle beim Management dieser Kräfte, und die Studie fand ein konsistentes Muster des Ungleichgewichts zwischen der linken und rechten Seite des Rückens. Die großen Muskeln, die entlang der Wirbelsäule verlaufen, bekannt als Musculi erector spinae, arbeiteten auf der konkaven Seite härter, während die tiefer liegenden Mm. multifidi auf der konvexen Seite stärker beansprucht wurden. Diese Asymmetrie war in fast jeder getesteten Haltung vorhanden. Wenn sich das Subjekt nach vorne beugte, erzeugten die Muskeln auf der konkaven Seite die meiste Kraft, nämlich 200 Newton, während die konvexe Seite 180 Newton produzierte. Diese ungleiche Verteilung verdeutlicht, wie der Körper die verdrehte Wirbelsäule kompensiert, indem er unterschiedliche Muskeln in unterschiedlichem Maße rekrutiert, um Stabilität zu gewährleisten. Die Forscher stellten fest, dass Bewegungen wie das Vorbeugen oder das Neigen zur konvexen Seite dazu tendierten, das größte Ungleichgewicht in der Muskelanstrengung zu erzeugen, was potenziell über die Zeit zu einzigartigen Belastungen der Wirbelsäule führen kann.
Die Studie untersuchte auch, wie die Drehung des Torsos die Wirbelsäule beeinflusste. Obwohl die durch die Drehung erzeugten Kräfte im Allgemeinen kleiner waren als die durch das Vorbeugen oder seitliche Neigen, folgten sie dennoch einem richtungsabhängigen Muster, das dem des lateralen Beugens ähnlich war. Das Neigen oder Drehen zur konkaven Seite erhöhte die Lateralkräfte, während die Bewegung zur konvexen Seite diese reduzierte. Die Forscher waren sorgfältig darauf bedacht, anzumerken, dass ihre Ergebnisse aus einer Computersimulation basierend auf einem einzelnen Patienten stammen und sie nicht jeden möglichen Faktor, wie etwa die Steifigkeit der Bänder oder die spezifischen Eigenschaften der Muskeln des Patienten, einbezogen haben. Das Modell wurde jedoch gegen bestehende Daten validiert, um sicherzustellen, dass die Muster der Muskelaktivierung realistisch waren. Die Arbeit liefert eine detaillierte Karte darüber, wie die Körperhaltung die interne Mechanik einer skoliotischen Wirbelsäule beeinflusst, und zeigt auf, dass die Kombination aus der Wirbelsäulendeformität und der Art und Weise, wie sich eine Person bewegt, eine einzigartige und kompleplex belastende Umgebung schafft, die sich mit jedem Grad der Beugung oder Drehung verändert.
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