Influence of trunk posture on spinal loading and paraspinal muscle forces in adolescent idiopathic scoliosis: a subject-specific musculoskeletal modelling study
本研究は、被験者固有の筋骨格モデリングを用いることで、特発性側弯症を有する青少年において、体幹の姿勢、運動方向、および運動量が椎間板への負荷と傍脊柱筋力の非対称性を著しく変化させることを示し、屈曲および凸側への運動が一般に最大のバイオメカニクス的不均衡を生じさせることを実証している。
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人間の脊椎は工学的な驚異であり、体重を支えながら、体をひねったり、曲げたり、手を伸ばしたりすることを可能にする柔軟な骨の柱である。ほとんどの人において、この柱は比較的真っ直ぐに立ち、重力と動きによる力を各セグメントに均等に分散させている。しかし、一部の青少年においては、脊椎が横方向に湾曲して発達することがあり、これは思春期特発性側弯症として知られる状態である。これは単なる見た目の問題ではない。脊椎のねじれや曲がりは、筋肉の働き方や、体の中を力が伝わる仕組みを変化させる。医師たちは姿勢が重要であることを古くから知っていたが、側弯した脊椎において、前屈みになること、横に傾くこと、あるいは体をひねることがもたらす具体的な機械的な影響については、特定することが困難であった。生身の脊椎内部の力を直接測定することは侵襲性が高くリスクを伴うため、研究者たちは、日常の動きがこの疾患にどのように影響を与えるかという理解において、空白を残してきたのである。
この空白を埋めるために、研究チームは強力なツール、すなわち、実際の患者の身体を詳細に再現したコンピュータ生成モデルを活用した。彼らは、背中の上部に顕著な湾曲を持つ16歳の少女に焦点を当て、高解像度のX線画像から彼女独自の脊椎の形状を再構築した。この「デジタルツイン」を用いて、彼らは前屈み、後屈、ひねり、横への傾きといった一連の一般的な動作をシミュレーションし、彼女の脊椎内部の力がどのように変化するかを正確に調べた。研究の結果、脊椎の反応は一様ではなく、動きの方向と強度に大きく依存することが明らかになった。この知見は、側弯症を持つ人の動き方が、椎骨や筋肉へのストレスを著しく増大させたり、逆に減少させたりする可能性があることを示唆しており、患者が日々直面している機械的な環境をより明確に描き出している。
研究者たちは、30以上の筋群を含む全身モデルを使用してシミュレーションを構築し、背中の筋肉や椎骨間の関節にかかる力を高い精度で追跡できるようにした。彼らは、わずかな傾きから深い屈曲まで、さまざまな強度の6種類の異なる姿勢をテストした。最も衝撃的な発見の一つは、前屈み（屈曲）が脊椎に最も大きな圧力をかけたことである。被験者が30度前屈みになると、圧縮力（椎骨を押し下げる重み）が大幅に上昇した。湾曲のピークにおいて、この力は337ニュートンに達し、ピークからわずか2レベル下の位置では372ニュートンにまで達した。これは、直立している時の低い力と比較して顕著な増加であった。研究は、上半身が前方に移動し、その姿勢を維持するためにより多くの筋肉の力が必要となることで、曲がりが深くなるにつれて脊椎への負荷が着実に増大していくことを示した。
曲がる方向も極めて重要であり、特に横に傾く場合において顕著であった。脊椎は、湾曲の内側に向かって傾くか、外側に向かって傾くかによって、異なる反応を示した。被験者が凹側（側弯の内側のカーブ）に向かって傾いたとき、脊椎への横方向の力は劇的に増加した。15度の傾斜において、湾曲の頂点における横方向の力は87ニュートンに跳ね上がり、直立しているときの力の2倍以上となった。対照的に、凸側（外側のカーブ）に向かって傾くと、これらの横方向の力は減少し、約22ニュートンまで低下した。このことは、湾曲の幾何学的な形状自体が、脊椎が横方向のストレスをどのように処理するかを決定していることを示唆している。つまり、湾曲の内側へ向かって曲がることは、外側へ向かって曲がるよりも、はるかに過酷な機械的状況を作り出すのである。
筋肉はこれらの力を管理する上で重要な役割を果たしており、研究では背中の左右における一貫した不均衡のパターンが見出された。脊椎に沿って走る大きな筋肉である脊柱起立筋は凹側でより強く働き、より深い多裂筋は凸側でより強く働いていた。この非対称性は、テストされたほぼすべての姿勢で見られた。被験者が前屈みになったとき、凹側の筋肉は200ニュートンの最大値に達したのに対し、凸側の筋肉は180ニュートンの力を生成した。この不均等な分布は、体がねじれた脊椎を補償するために、安定性を維持しようと異なる筋肉を異なる程度に動員している様子を浮き彫りにしている。研究者たちは、前屈みや凸側への傾きのような動きが、筋肉の努力の最大の不均衡を生み出しやすく、時間の経過とともに脊椎に特有のストレスを与える可能性があると指摘した。
研究は、胴体をひねることが脊椎にどのような影響を与えるかについても調査した。ひねりによって発生する力は、前屈みや横への傾きによるものよりも一般的に小さかったが、それでも横方向の傾きと同様に、方向依存性のパターンに従っていた。凹側に向かって傾いたりひねったりすると横方向の力が増加し、凸側に向かうとそれらの力は減少した。研究者たちは、彼らの結果が一名の患者に基づくコンピュータシミュレーションによるものであり、靭帯の硬さや患者固有の筋肉の特性といったあらゆる可能性を網羅したものではないことに注意を払った。しかし、筋肉の活動パターンが現実的であることを確認するために、モデルは既存のデータに対して検証されている。この研究は、姿勢が側弯した脊椎の内部メカニズムにどのように影響を与えるかについての詳細な地図を提供しており、脊椎の変形と個人の動きの組み合わせが、曲がりやひねりの度合いごとに変化する、ユニークで複雑な負荷環境を生み出していることを示している。
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