利用MRI和EMG数据构建的半个性化肌肉骨骼脊柱模型，用于比较无症状人群与腰痛患者的生物力学特征

《Scientific Reports》：A partially personalized musculoskeletal spine model using MRI and EMG data to compare biomechanics of asymptomatic and low back pain individuals

　　

摘要

在慢性腰痛患者中，神经肌肉控制与运动策略的改变会影响腰椎所承受的负荷；然而，基于个体特定参数的经过验证的肌肉骨骼模型的研究证据仍然有限。本研究利用部分个性化模型，估算了无症状及非特异性慢性腰痛患者的躯干肌肉力量和腰椎负荷，并分析了不同组别之间的差异。研究对无症状参与者以及按疼痛强度和功能障碍分层的腰痛亚组进行了静态矢状面负重任务分析。个体特定的肌肉横截面积、椎体质量、上肢及外部负荷质心、表面肌电图数据以及运动学参数均经过个性化处理，而脊柱几何结构、肌肉附着点、椎体质心以及被动特性则通过既定的比例换算和回归方法从参考模型中获取。值得注意的是，除了传统的优化方法外，本研究还引入了肌电辅助框架。模型预测结果与体内椎间盘压力数据高度一致。在直立状态下进行的任务中，各组间的腰椎负荷差异较小（大多p＞0.05），而在需要较大躯干屈曲力的高负荷条件下，腰痛组的剪切负荷明显增加（75–160%，p≤0.07），这主要是由于腰骨盆运动模式的变化所致。在直立负重任务中的敏感性分析表明，若取消与任务相关的腰骨盆屈伸调整，在较高负荷位置（从髋部到头部高度）时，腰椎负荷会增加25–33%。此外，由于缺乏解剖结构上的个性化处理，肌电辅助估算值在各项任务中均高出11–37%。综上所述，在当前的数据集中，运动策略的改变似乎是导致任务特定情况下腰椎负荷增加的主要因素，而单纯的肌肉形态和激活情况则解释力有限。