腰背肌在退行性脊柱滑脱进展及康复中的生物力学机制

Degenerative spondylolisthesis is a broad class of spinal instability and it is also a major cause of low back pain among elder people. The weakness of back muscles is an important possibility which causes degenerative spondylolisthesis. In clinical practices, physical therapies aiming to strengthen back muscles are commonly used to relive and treat this disease. However, the explanations for these treatments are unclear. The pathogen and the therapeutic mechanism cannot be stated clearly, mainly because it is extremely difficult to execute biomechanical investigations focusing on back muscles. Related biomechanical data are hard to acquire in in vivo or in vitro studies. Numerical finite element simulations provide another possibility. However, several important questions have to be solved, such as calculating the magnitudes of back muscle forces precisely, load finite element models anatomically, validating finite element models strictly and so on. Therefore, the aim of this study is to investigate the biomechanical mechanism of back muscles in the developments and rehabilitation of degenerative spondylolisthesis. Back muscle forces are calculated in an inverse dynamic model, and afterwards transferred to a nonlinear spinal finite element model. Combining the finite element simulation and MRI measurements, the effect of weak back muscles to degenerative spondylolisthesis is going to be determined, which provide some biomechanical evidences for clinical practices.

退行性脊柱滑脱是脊柱失稳的一大类，同时也是中老年下腰痛重要病因。腰背肌力学性能的减退是引起退行性脊柱滑脱的重要可能性之一。在临床工作中，针对腰背肌强度的物理治疗是缓解、治疗此疾病常用方案，但是对此的科学解释并不清楚。之所以无法明确的阐述病因以及治疗机制，主要原因是针对腰背部肌肉的生物力学研究难度非常高，标本试验和在体测量都难以获得可靠的数据。数字仿真有限元模拟为此研究提供了另外一种可能，但是亟需解决几个关键问题，比如肌肉力数值的精确计算，符合解剖结构的肌肉力的加载，仿真模型的验证等等。因此，本项目主要针对腰背肌在疾病退行性脊柱滑脱发展和康复中的生物力学机制，通过逆向动态分析软件计算腰背肌肌肉力数值，加载脊柱有限元模型，用数字仿真有限元研究，辅助结合医学影像学资料，明确腰背肌力学性能减退的影响，为临床诊治提供生物力学依据。

背景：腰背肌力学性能的减退是引起退行性脊柱滑脱的重要可能性之一。在临床工作中，针对腰背肌强度的物理治疗是缓解、治疗此疾病常用方案，但是对此的科学解释并不清楚。其主要原因是针对腰背部肌肉的生物力学研究难度非常高，标本试验和在体测量都难以获得可靠的数据。数字仿真有限元模拟为此研究提供了另外一种可能，但是亟需解决几个关键问题，比如肌肉力数值的精确计算，符合解剖结构的肌肉力的加载，仿真模型的验证等。. 主要研究内容：该项目建立了可重复使用的脊柱粘弹性三维有限元模型，研究了近年来腰椎有限元分析常用的加载方式，完善肌肉载荷加载过程，为脊柱生物力学研究提供可重复、投入少的力学模型。阐述肌肉力减弱对退行性脊柱滑脱发生和进展的影响，为改良物理疗法提供建议。发表高质量SCI论文3篇，中华类期刊论文1篇。结合临床工作中的实际问题和生物力学数字仿真学的基础研究，设计调试内植物、改进手术器械，获批专利5项。相关成果参与申请获得了上海市科技进步一等奖等3个奖项。. 重要结果、关键数据及其科学意义：(1)结果表明模型不同的高度、重量、朝向等对加载过程有重要影响，明确了通过逆向动态分析计算肌肉载荷加载有限元模型的重要参数体系，为进一步有限元数字仿真研究提供基础数据。(2) 总结综述近年来腰椎有限元分析常用的加载方式，明确了目前以跟随载荷为主要腰椎有限元分析的加载方式，提出肌肉载荷加载的重要性。(3) 验证了肌肉载荷适于加载腰椎有限元模型，并且可以获得近似生理状态的轴向载荷和活动度。证明腰背肌肌力减弱可引起或者加重退行性脊柱滑脱发生。同时发现如果增强其余肌肉，提供替代的肌肉载荷，可以降低剪切力等力学和运动学数值，结合医学影像学资料，为临床物理疗法治疗退行性脊柱滑脱提供了理论依据。