一种基于刚度特性的方法用于估算脊柱的运动学特性和受力情况，该方法揭示了在举重任务中非线性力学效应的影响

《European Spine Journal》：A stiffness-dependent method to estimate spine kinematics and loading reveals the impact of nonlinear mechanics during lifting tasks

　　

摘要

背景

传统的肌肉骨骼脊柱模型通常依赖确定的运动学约束来估算脊柱与骨盆的运动学和动力学特性，这可能会导致不真实的椎间运动和受力模式。在运动学评估中考虑椎间刚度可以提高其生理真实性，尤其是在脊柱受力至关重要的举重任务中。

方法

我们开发了一种基于刚度的运动学估算流程，将该非线性椎间刚度纳入最优控制框架中，使得脊柱运动源自机械行为，而非全身肌肉骨骼模型中预设的运动学约束。11名健康受试者完成了躯干屈曲、侧弯和轴向旋转任务，有的在举重，有的不举重。我们将预测出的运动学数据和压缩力与传统的基于约束的方法进行了比较。通过双平面X光成像获得的单受试者数据集为椎体运动提供了真实值验证。

结果

基于刚度的方法产生了更平滑、更具生理合理性的运动分布，并且能持续降低腰椎的压缩负荷。与基于约束的方法相比，椎体的方向和位置误差更低，压缩力也与文献中的数值范围相符。

结论

非线性刚度建模能使脊柱运动学分布更加均匀，同时降低腰椎负荷，为脊柱生物力学及损伤预防研究提供了具有生理依据的框架。