超重力对人体腰椎肌肉骨骼系统生物力学的影响：一项数值研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Effect of hypergravity on the biomechanics of the musculoskeletal system in human lumbar spine: a numerical study

　　

本研究旨在探讨超重力对人体腰椎脊柱肌肉骨骼系统生物力学的影响。研究人员采用全身肌肉骨骼建模方法，对喷气式飞机飞行员在不同超重力条件下，即1G（表示地球正常重力）、3G、6G和9G（表示不同超重力水平），以及肌力增强10%后的3G/6G/9G、肌力增强20%后的3G/6G/9G条件下，椎间盘（IVD）、腰椎肌肉和韧带的生物力学变化进行了定量分析，并采用有限元方法（FEM）分析这些生物力学变化是否会导致腰椎IVD损伤。研究对上述不同超重力条件下腰椎IVD的压缩力与剪切力、腰椎IVD的高度与含水量、肌肉激活、韧带受力，以及IVD内的机械性损伤进行了定量比较与分析。与1G相比，超重力导致腰椎生物力学及IVD完整性出现剂量依赖性变化。在3G、6G和9G条件下，腰椎IVD平均压缩力分别增加68%、190%和311%，而剪切力分别增加53%、140%和212%。IVD高度分别下降3.0%、8.0%和12.4%，含水量分别下降2.4%、7.2%和12.4%。大多数腰椎肌肉激活分别增加3.0%、7.0%和13.0%，而大多数韧带受力分别下降25.0%、34.0%和40.0%。纤维环（AF）损伤体积分数分别增加0.5%、3.7%和7.3%。IVD应力亦显著升高，其中AF应力在3G、6G和9G条件下分别升高73%、215%和358%，髓核（NP）应力分别升高58%、163%和267%。训练后的肌力增强对超重力条件下不同肌肉骨骼节段之间的载荷分布未显示出显著改变。研究结果表明，超重力条件下IVD所受载荷显著增加，IVD内部生化环境与形态发生改变，纤维环损伤风险增加；而肌力增强对超重力下各类组织所承受载荷的影响并不显著。上述发现对于理解超重力诱导的人体腰椎健康效应具有重要意义。

该研究发表于《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》，围绕喷气式飞机飞行员在超重力环境中高发下腰痛这一现实问题展开，核心关注点是超重力如何改变人体腰椎肌肉骨骼系统的力学环境，并进一步影响腰椎间盘的结构完整性。既往研究已表明，飞行员下腰痛与腰椎间盘损伤发生率较高，且异常机械载荷是椎间盘损伤与退变的重要诱因。然而，对于3G至9G任务环境下，腰椎椎间盘、肌肉、韧带各组成部分究竟发生何种定量力学变化，相关研究仍较为缺乏。尤其是以往关于腰背肌强化训练的报道多聚焦症状缓解，而并未系统评估其是否真正改变超重力下腰椎各组织的受载状态。因此，本研究的开展具有明确的问题导向，即阐明超重力是否通过改变椎间盘载荷、含水状态、肌肉激活及韧带受力而增加损伤风险，并进一步判断肌力增强能否作为有效对抗策略。

从研究设计看，研究人员构建了一个耦合的数值分析框架，将全身肌肉骨骼模型与有限元分析相结合，用于系统评估超重力下腰椎生物力学响应。研究对象并非临床样本队列，而是基于中国喷气式飞机飞行员平均体型参数建立的男性标准化数值模型，身高1.72 m、体重72 kg。研究纳入了L1L2至L5S1共5个腰椎间盘、L1-L5椎体、6组主要韧带以及10组主要腰椎相关肌群。研究分别模拟1G、3G、6G、9G，以及肌肉功能横截面积（FCSA，functional cross-sectional area）增强10%和20%后的对应超重力工况，定量分析椎间盘压缩力、剪切力、高度、含水量、肌肉激活和韧带受力，并将肌肉骨骼模型所得边界条件输入L4L5椎间盘三维有限元损伤模型，以评估纤维环损伤和椎间盘内应力变化。该方法的意义在于，从整体载荷传递到局部组织损伤建立了跨尺度联系，使研究能够同时解释超重力下宏观力学变化和微观组织风险。

本研究采用的关键技术方法主要包括三部分：其一，利用AnyBody Modeling System建立全身肌肉骨骼模型，在飞行员典型坐姿下模拟1G至9G及肌力增强工况的腰椎受力；其二，引入与形变相关的膨胀压模型，计算椎间盘在不同载荷下的高度变化与含水量变化；其三，基于多相混合理论（multiphasic mixture theory）在COMSOL中建立L4L5椎间盘有限元损伤模型，评估纤维环（AF）损伤体积分数及髓核（NP）与AF内应力分布。模型验证分别参考既往体内压力测量数据和文献中的椎间盘损伤实验结果。

在研究结果部分，论文首先报告了“Compressive forces on the IVD”。研究表明，与1G相比，超重力使L1L2至L5S1各节段椎间盘平均压缩力显著升高，并呈明显剂量效应：3G增加68%，6G增加190%，9G增加311%。这说明随G负荷增加，腰椎间盘承担的轴向机械载荷迅速上升，是超重力影响腰椎健康的直接力学基础。肌力增强10%和20%仅能轻微减小这一增幅，分别约降低2%和5%，提示强化肌肉并不能根本改变超重力引起的椎间盘压缩受载。

在“Shear forces on the IVD”部分，研究进一步指出腰椎间盘平均剪切力同样在超重力下明显升高：3G、6G和9G分别较1G增加53%、140%和212%。剪切载荷通常与椎间盘纤维环结构受损密切相关，因此这一结果提示超重力不仅增强轴向压缩，也加重前后或侧向不稳定相关的机械风险。肌力增强后剪切力增幅仅减少2%至4%，仍显示出有限保护作用。

在“IVD height”部分，研究显示腰椎间盘平均高度在超重力下持续下降，3G下降3.0%，6G下降8.0%，9G下降12.4%。这一结果说明超重力环境下椎间盘受压变形加剧。由于椎间盘高度与脊柱缓冲能力和节段稳定性密切相关，持续的高度降低提示组织发生明显压缩与形态学改变。肌力增强仅可带来3%至5%的轻度改善。

在“Water content”部分，研究发现腰椎间盘平均含水量亦呈随G值升高而递减的趋势：3G下降2.4%，6G下降7.2%，9G下降12.4%。椎间盘含水量是维持其渗透压、生化微环境和力学功能的关键参数，因此该结果表明超重力不仅改变外部力学状态，也会扰动椎间盘内部生物物理环境。含水量下降意味着营养物质运输和代谢废物清除能力可能受到不利影响，从而增加退变风险。肌力增强对这一变化的缓解仍较小。

在“Muscle activation”部分，研究表明大多数腰椎相关肌群在超重力下的平均激活水平升高，3G、6G、9G分别增加3%、7%和13%。这一现象说明，为维持飞行员固定坐姿和腰椎稳定性，腰背部及腹部相关肌群必须在更高负荷下工作。虽然肌力增强后激活水平有所下降，下降幅度约1%至2%，但这种变化主要意味着相同力输出所需相对激活程度降低，而非整体载荷真正转移。

在“Ligament force”部分，研究发现多数腰椎韧带受力反而下降，3G下降25%，6G下降34%，9G下降40%。研究人员认为，这主要与超重力导致椎间盘高度降低、继而使部分韧带松弛有关。该结果提示超重力环境中脊柱稳定性维持机制更多依赖椎间盘与肌肉，而非韧带张力贡献。少数韧带如前纵韧带和后纵韧带在某些工况下轻度升高，可能与极端剪切变形有关，但整体趋势仍以下降为主。

在“Biomechanic within the lumbar IVDs”部分，研究进一步从局部组织层面揭示损伤风险。“Damage within the AF”结果表明，1G下纤维环损伤体积分数为0，而在3G、6G、9G下分别增加0.5%、3.7%和7.3%。损伤首先出现在纤维环后外侧区域，并随着G水平升高而扩展。该分布特征与临床上腰椎间盘后外侧更易发生病变的观察相一致，说明超重力可在解剖学薄弱区放大损伤风险。

在“Stress within the lumbar IVD”部分，研究显示超重力显著提高椎间盘内Von Mises应力。与1G相比，AF应力在3G、6G、9G下分别增加73%、215%和358%，NP应力分别增加58%、163%和267%。在1G下，最大应力主要位于AF后部；而在9G下，最大应力分布于NP及AF后部，提示在极高G负荷下，椎间盘内部应力集中区域更广，组织承载模式发生明显改变。这一结果与压缩力、剪切力和含水量变化相互印证，说明超重力可能同时推动结构变形、局部应力集中和纤维环损伤发生。

讨论部分围绕这些结果展开了系统归纳。研究指出，超重力使腰椎间盘压缩力与剪切力同步上升，而椎间盘高度和含水量下降，导致椎间盘由正常的含液承载状态向更高固相基质应力承担状态转变。这种变化不仅会增加局部机械应力，还可能破坏椎间盘内部营养运输和代谢平衡，从而提高损伤与退变风险。与此同时，多数腰椎肌群需要更高激活以维持姿势稳定，而韧带受力下降提示其稳定作用相对减弱。研究特别强调，尽管肌力增强训练可降低相对肌肉激活、可能减轻肌肉疲劳，但并不能显著减少椎间盘或韧带所承受的机械载荷，因此不足以单独作为对抗超重力腰椎损伤风险的完整策略。这一结论澄清了肌肉强化训练在生物力学层面的边界，也为未来联合防护措施的开发提供了依据。

论文结论部分可译为：研究人员采用数值方法对超重力条件下人体腰椎脊柱肌肉骨骼系统的生物力学效应进行了定量分析。结果发现，超重力对腰椎间盘机械载荷具有显著影响，表现为椎间盘受力增加，而大多数腰椎间盘的高度和含水量下降；同时，肌肉激活增加、韧带受力下降、纤维环损伤区域扩大，并且椎间盘内部应力升高。另一方面，肌力增强对超重力条件下腰椎各节段间机械载荷分布未显示显著影响。这些发现有助于更深入理解超重力如何影响人体腰椎肌肉骨骼系统的生物力学状态，对于认识超重力诱导的腰椎健康效应具有重要意义。