Influence of trunk posture on spinal loading and paraspinal muscle forces in adolescent idiopathic scoliosis: a subject-specific musculoskeletal modelling study
本研究利用特定受试者的肌肉骨骼建模，旨在证明躯干姿势、运动方向及运动幅度会显著改变特发性脊柱侧弯青少年患者的椎间盘载荷及旁脊柱肌力不对称，其中屈曲运动和凸侧运动通常产生最大的生物力学失衡。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类的脊柱是工程学上的奇迹，它是一根灵活的骨骼柱，既能支撑我们的体重，又允许我们进行扭转、弯曲和伸展。在大多数人身上，这根骨柱相对笔直，将重力和运动产生的力均匀地分布在各个节段。然而，对于一些青少年来说，脊柱会发生侧向弯曲，这种状况被称为青少年特发性脊柱侧弯。这不仅仅是一个美观问题；脊柱的扭转和弯曲改变了肌肉的工作方式以及力量在体内传递的方式。虽然医生早已知道姿势很重要，但对于侧弯脊柱在向前倾、向侧弯或扭转时产生的具体机械后果，研究人员一直难以明确界定。直接测量活体脊柱内部的力量具有侵入性和风险，这使得研究人员在理解日常动作如何影响该病症方面存在认知空白。
为了填补这一空白，一个研究小组转向了一个强大的工具：一个基于真实患者身体构建的详细计算机生成模型。他们专注于一名上背部有显著弯曲的十六岁女孩，通过高分辨率X射线图像重建了她独特的脊柱形状。利用这个“数字孪生体”，他们模拟了一系列常见的动作——前屈、后仰、扭转和侧弯——以观察她脊柱内部的力量是如何变化的。研究表明，脊柱的反应并不统一；这在很大程度上取决于运动的方向和强度。研究结果表明，侧弯患者的运动方式可以显著增加或减少其椎骨和肌肉承受的压力，从而为这些患者每天所处的机械环境提供了更清晰的图景。
研究人员使用了一个包含30多组肌肉的全身体模型来构建其模拟系统，这使他们能够高精度地追踪背部肌肉和椎间关节的力量。他们测试了六种不同的姿势，涵盖了从轻微倾斜到深度弯曲的不同强度。其中最令人震惊的发现之一是，前屈（即屈曲）给脊柱带来了最大的压力。当模拟对象前屈30度时，压缩力（即压向椎骨的重量）显著上升。在弯曲的顶峰处，这种力量达到了337牛顿，而在仅低于顶峰两个节段的位置，力量攀升至372牛顿。与站立直立时较低的力量相比，这是一个显著的增长。研究显示，随着弯曲程度加深，脊柱的负荷稳步增加，这是由于上半身前移并需要更多的肌肉力量来维持姿势所驱动的。
弯曲的方向也至关重要，特别是在受试者向侧方倾斜时。无论人是向曲线的内侧还是外侧弯曲，脊柱的反应都不尽相同。当受试者向凹侧（即脊柱侧弯的内侧曲线）弯曲时，脊柱承受的侧向力剧增。在倾斜15度时，曲线顶端的侧向力跳升至87牛顿，是站立直立时的两倍多。相比之下，向凸侧（即外侧曲线）倾斜实际上减轻了这些侧向力，使其降至约22牛顿。这表明，曲线本身的几何形状决定了脊柱如何处理侧向压力，向曲线内侧弯曲比向外侧弯曲创造了更为严苛的机械环境。
肌肉在管理这些力量方面起到了关键作用，研究发现背部左右两侧存在持续的失衡模式。沿着脊柱运行的大型肌肉（即竖脊肌）在凹侧工作得更辛苦，而较深的深多裂肌则在凸侧工作得更辛苦。这种不对称现象在几乎所有测试的姿势中都存在。当受试者前屈时，凹侧肌肉产生的力量最大，达到200牛顿，而凸侧产生的力量为180牛顿。这种不均匀的分布凸显了人体如何通过补偿扭曲的脊柱，通过不同程度地征调不同肌肉来维持稳定性。研究人员指出，像前屈或向凸侧倾斜这样的动作倾向于产生最大的肌肉努力失衡，这可能会随着时间的推移对脊柱造成独特的压力。
研究还探讨了躯干扭转如何影响脊柱。虽然扭转产生的力量通常小于前屈或侧弯，但它们仍遵循着与侧向弯曲类似的、依赖于方向的模式。向凹侧倾斜或扭转会增加侧向力，而向凸侧移动则会减少侧向力。研究人员谨慎地指出，他们的结果源自基于一名患者的计算机模拟，并且并未包含所有可能的因素，例如韧带的硬度或患者肌肉的具体特性。然而，该模型已根据现有数据进行了验证，以确保肌肉激活模式的真实性。这项工作详细绘制了姿势如何影响侧弯脊柱的内部力学机制，表明脊柱畸形与人的运动方式相结合，创造了一个随每一次弯曲或扭转程度的变化而改变的独特且复杂的加载环境。
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