脊柱肌肉骨骼载荷的预测在水平行走和爬楼梯后两种类型的模拟对腰椎间盘突出症患者的干预

文摘

背景。下腰痛(LBP)仍然是一个严重的全球健康问题,很多患者会接受保守或手术治疗。然而,改善脊髓负载共享在日常生活活动能力(ADLs)干预措施在很大程度上是未知的。本研究的目的是定量预测的改善脊柱肌肉骨骼载荷在水平行走和爬楼梯后两个模拟干预措施。材料和方法。26个健康成年人和七个腰椎间盘突出症患者按顺序执行水平行走和爬楼梯。脊柱运动记录使用动作捕捉系统。实验数据应用驱动肌肉骨骼模型来计算所有的腰椎关节合成力量和肌肉活动17主干肌肉群。恢复和重建被选为代表的保守和手术治疗,分别。恢复和重建后的脊椎负载共享被取代预测病人的脊柱节奏与健康受试者的脊柱节奏和改变的中心旋转在L5S1级别,分别。结果。在两个水平行走和爬楼梯,下腰椎椎间盘的共同合力预测减少两个模拟后的发明。此外,最大最躯干肌群的肌肉活动下降后模拟模拟重建后康复,反之增加。结论。脊柱上的预测显示不同的补偿响应负载共享两个模拟干预后,切断为指导进行术前计划和康复计划。

1。介绍

根据报告文学,下腰痛(LBP)仍然是最严重的全球卫生问题之一(1和造成巨大的直接和间接经济损失2- - - - - -4]。枸杞多糖的一个解释是阀瓣脱垂诱导神经根受压。在大多数情况下,突出自然可以恢复(5),但仍有5%到10%的椎间盘突出患者将接受手术6]。

脊柱重建已成为一种有效的方法来恢复机械稳定性和防止进一步的病理发展。然而,旋转的中心(软木)[7- - - - - -9),这是一个衡量脊柱运动的质量,将改变脊柱重建。据报道,腰椎软木的变更会导致相当大的变化,肌肉力量使用肌肉骨骼模型(10]。此外,有限元分析也表明方面力量,韧带负荷,和阀瓣强调强烈与心脏的位置(11]。在一个在体外研究中,人们发现,较高的心脏的位置与较低的面力(12]。然而,大多数相关研究只集中在单一脊柱功能单位(前苏联)如L5S1 [13,14]。此外,肌肉骨骼模型,有限元模型,尸体腰椎通常是由一些固定负载条件下或默认常量脊柱的节奏。作者的知识,没有先前的研究已经报道的影响不同的心脏位置的负载共享五前苏联的共同合力和多个躯干肌群的活动水平行走和爬楼梯。

根据旁遮普语的理论(15),脊柱的稳定系统包括两个子系统:(1)脊柱和脊柱的肌肉。(2)脊柱重建可以直接改变脊柱的运动特征。脊柱肌肉的力量或激活模式可以提高有效的康复。人们已经发现,LBP患者的康复将导致更大的改善弯曲背部肌肉的放松反应16)和改变腰部的肌肉发作安装工spinae [17]。此外,肌肉活动提高躯干稳定康复与康复策略高度相关(17- - - - - -21]。自起源和插入的每一块肌肉束在脊柱,合成肌肉活动与脊柱节奏密切相关(22]。脊柱节奏是用每一个腰椎总腰椎运动节段运动的贡献。重建和恢复可以改善脊髓负载共享。然而,目前还不清楚哪种治疗更好改善脊髓负载共享和在多大程度上两种治疗可以改善脊髓负载共享。

因此,本研究的目的是定量预测的改进联合合成五腰椎椎间盘的力量和肌肉活动的十七个主干肌肉群在水平行走和爬楼梯后模拟康复和模拟重建枸杞多糖造成腰椎间盘突出症(LDH)。在这项研究中,恢复健康的人的脊柱节奏被认为是理想的康复的结果。因此,康复被取代模拟病人的脊柱节奏脊柱健康的人的节奏。脊柱重建模拟肌肉骨骼模型中通过改变心脏的位置。因此,我们有以下两个假设:(1)脊柱的节奏在健康的人会更好比LDH患者脊髓负载共享(2)腰椎关节合成军队的再分配和主要肌肉群的活动不同于模拟重建后模拟后康复

2。方法

2.1。主题

26个健康男性成年人(年龄:平均23.6年(SD 1.92年),高度:意思是169.9厘米(SD) 5.9厘米,体重:63.5公斤(SD 8.4千克))和7个男性LDH患者(年龄:平均28.7年(SD 4.5年),高度:意思是170.1厘米(SD) 3.4厘米,体重:平均67.4公斤(SD 5.3千克))参与了这个研究。健康的控制包括如果他们没有明显的运动障碍,但报道没有背部疼痛,没有手术在最近一年,没有剧烈运动前24小时的审判。病人组包括如果:(1)他们有能力进行基本日常生活活动如水平行走;(2)他们痛苦腰椎间盘突出症;(3)形成疝发生在较低的腰部;和(4)症状已经达到的标准手术。在这项研究中,发现了椎间盘突出发生在L4L5级别在七分之三的情况下,在L5S1级别在另一个七分之三的情况下,和在L4L5 L5S1水平情况下七分之一。本研究部门批准在中国深圳第二人民医院骨科。所有的受试者签署知情同意书之前审判。

2.2。试验协议

在这项研究中,脊柱和骨盆运动捕获通过将光学标记骨性标志。骨性标志包括第三和第七胸椎的尖尖的过程(T3和T7)和第一,第三,第五腰椎(L1, L3, L5)和左和右髂后上棘(LPSIS和RPSIS)和髂骨(IC) [23,24]。在试验之前,一个外科医生帮助找到这些地标和光学标记的地方。走在自己选择的人指示,大致恒定的速度与温和的手臂摆动的范围。随后,引导参与者站在面前的地上楼梯然后爬楼梯的速度自我选择的地方只有一只脚在每个楼梯。数据收集之前,参与者必须实践两个活动,直到他们觉得他们可以自然地执行它们。

在审判之前,参与者保持一个中立的直立站立位置至少5秒钟收集基线数据。然后,参与者在序列表现水平行走和爬楼梯。每个活动重复了三次。在两个活动中,捕捉到的标记Optotrak Certus运动分析系统(加拿大安大略省北部数字Inc .)在采样率为100 Hz。

2.3。肌肉骨骼模型

有人管理模型库(AMMR,版本1.6)的任何人建模系统,一个通用FacetJointModel被选中,因为它可以预测的肌肉力量和intradiscal部队在冗余系统。模型的细节描述和验证了文献[25- - - - - -27]。总之,该模型由一个盆腔段,五个腰椎,一个集总胸段。邻近节段之间的连接是一个球形关节椎间盘的简化模型。每个关节的位置指的是由Pearcy和Bogduk [28]。在这个模型中,有超过一百的肌肉神经束在骨盆和脊柱。这些肌肉被分成几个主要肌肉群基于其功能,即腹直肌(RA),左和右安装工spinae (ES),左、右腰multifidus (LM),左和右胸multifidus (TM),左、右斜externus (OE),左、右斜孔内(OI),左、右腰大肌(PM),左和右肌(QL)和左右半棘肌(SS)。所有的肌肉神经束解决作为一个分力使用最小最大优化算法和只能施加拉伸力25,26,29日]。

2.4。脊柱节奏和仿真

在脊柱模型中,每一段是由脊柱的运动节奏,代表每一段总脊柱运动的贡献。任何人模型系统,默认脊柱节奏是恒定而不考虑个体差异。在这项研究中,每个主题的脊柱模型是由个人脊柱节奏是由捕获标记坐标(23]。默认的特点,对照组,患者组的脊柱节奏在行走和爬楼梯是由平均水平在整个步态周期,如图1。

2.5。选择优化的软木和二级模拟

在这项研究中,心脏的位置是偏移量从默认软木L5S1(图2)。偏移量是10毫米前10毫米后的间隔1毫米和10毫米低于10毫米优越的1毫米的间隔。然后,肌肉骨骼模型驱动执行树干弯曲使用默认腰椎节奏在每个抵消软木。在模拟,intradiscal部队都被记录下来。软木的最后,一个位置选择L5S1因为L3L4,共同合力L4L5, L5S1水平明显降低(图2)。之后,肌肉骨骼模型被重置默认修改和新的心脏,然后由每个病人的脊柱节奏在水平行走和爬楼梯。

2.6。数据分析

两个ADLs,步态周期定义为后续脚跟罢工之间的时间间隔相同的腿。然后,肌肉活动和intradiscal力量的数据被拦截的时间窗口分析周期。被截获的数据被time-normalized以101分0 - 100%。此外,intradiscal军队正规化的体重每一个主题。改善在每个时间点之前由变量的值决定干预后从变量的值减去的干预。数据分析使用定制的程序执行在MATLAB中实现(MathWorks公司)。

3所示。结果

3.1。两个模拟干预措施的效果在共同合力水平行走和爬楼梯

图3说明了两个干预措施的效果在共同合力水平行走和爬楼梯。在水平行走,两干预减少共同合力作用于所有的五个腰椎椎间盘。然而,有更多比模拟模拟重建康复后减少。在爬楼梯,所有五个腰椎运动节段单元显示更大的减少共同合力在整个步态周期模拟重建后,模拟康复后改善整个步态周期变化。然而,联合L5S1合成力,L4L5, L3L4模拟康复后平均水平下降。

3.2。两个模拟干预措施的效果在肌肉活动层面上行走和爬楼梯

最大肌肉活动(mma)的17个肌肉群被发现持有期间减少水平走后模拟康复(图4)。相比之下,大mma模拟重建后被发现在RA和ES的两面,LM,党卫军,TM, IO, EO。在爬楼梯,mma的背部肌肉群和五9前肌肉群的改进后模拟康复(图5)。在与模拟的康复,有增加的mma模拟重建后背部肌肉群。此外,7的9前肌肉群显示更多的mma模拟重建。

4所示。讨论

本研究的目标是预测的影响两个模拟干预LDH intradiscal力量作用于五个腰椎椎间盘和最大肌肉活动的17个主要肌肉群在两种常见ADLs脊髓地区。

研究结果表明,有减少L5S1,共同合力L4L5, L3L4水平和mma的大部分17肌肉群模拟两ADLs后康复期间,支持第一个假说。更多的减少被发现后模拟联合合力重建比模拟两ADLs中康复。此外,大多数的十七大肌肉群表现出较小的模拟康复后mma但mma后模拟重建。这些发现支持第二个假设。

在第一个假设,联合合成军队的减少预计自减压是LDH的主要治疗的目的之一。除了减压,肌肉活动也减少了模拟康复后,也将因为枸杞多糖可以诱导增加腰椎肌肉活动功能任务期间(30.,31日]。共同合力和躯干肌肉活动的改善可能解释的上下文中适当的脊柱的节奏。执行特定ADL,中枢神经系统(CNS)分配每个原苏联运动。脊柱和肌肉组织,两个主要在旁遮普的稳定系统的脊柱稳定性模型,将响应的运动分配。在Arjmand等的研究22,32),主观改变脊柱节奏的健康人诱导脊柱负荷的变化和肌肉活动,在旁遮普的一致的脊柱稳定理论。在LDH患者中枢神经系统采用不同的脊椎节奏策略(图1)由于主观的恐惧或习惯性的保护行为。可能,脊柱和肌肉组织表现出适应性反应脊柱的节奏。然而,这适应了额外负担腰椎盘和躯干的肌肉因为脊椎健康的节奏可能减少压缩力的最优策略(33]。此外,本研究发现,健康的脊椎节奏也可以降低肌肉的负担。所以,康复的最终目的可能是健康的恢复脊柱的节奏。

在第二个假设,联合合成军队和变更后的下降。此外,减压的效果比模拟模拟重建后更好的康复。模拟康复运动改变了分布在前苏联,但每一个前苏联的结构和运动质量没有改变。然而,前苏联的结构视为脊柱的底部,模拟后恢复重建。恢复脊髓基地可能导致更好的减压。值得注意的是,发生了明显的减压下腰部下默认脊柱节奏和病人的脊柱节奏即使两个节奏有很大的不同(图1)。可以得出的结论是,心脏的交替扮演更重要的角色在减压脊柱节律的改变。不同的模拟后康复,减少关节合成军队伴随着增加mma最主要的躯干肌肉群,尤其是背部肌肉群。汉et al。10)也报道,肌肉力量和激活模式可以强烈影响心脏的位置,导致相当大的更高的肌肉力量。在这项研究中,心脏的后方。背部肌肉神经束的杠杆臂变得更短。所以,稳定脊柱系统,这是一个适应大幅增加肌肉力量。

最后,理解脊柱地区负载共享和分级加载条件有利于临床检查治疗的选择。我们的研究结果表明,两种干预措施可以减少共同合力。然而,考虑到巨大的肌肉组织损伤和可能的额外负担造成的软木抵消重建后,康复干预之前应该是一个。重建将建议更大的减压时必不可少的。在未来的研究中,我们将评估每个病人的脊髓负载共享模式和发现之间的相关性脊髓负载共享模式和治疗效果,这将在特定的指导临床治疗。

5。限制

在这项研究中,有几个局限性。首先,减少关节合成军队被选为最优软木的包容性的标准,这可能有点武断。软木的优化应该intradiscal部队方面力量,肌肉力量,和韧带力量考虑。然而,很难分配重量为每个变量。所以,选择最佳的软木是一个简化的方法。其次,重建预测省略手术造成的组织损伤,这可能会影响一些肌肉力量的振幅。第三,脊柱节奏和心脏之间的交互是不考虑。

6。结论

这项研究表明,模拟的康复和模拟重建会影响脊椎稳定系统的负载共享。脊柱负荷减少腰椎椎间盘的后预测病理地区两个干预措施。然而,模拟恢复减少肌肉活动,而模拟重建增加肌肉活动。考虑到快速减压,更好地模拟重建后的效果和改善肌肉活动模拟康复后,重建和恢复的结合可能是一个严重的LDH患者更好的治疗选择。此外,加载特性的预测期间ADLs之后两个干预可能提供一个洞察术前计划和康复计划至关重要。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现是由正为温榆周博士在许可证,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该相应的作者正为温榆周博士。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢深圳第二人民医院、清华大学国家康复技术研究中心艾滋病在中国,深圳大学和中山大学。作者还要感谢所有的参与者。这项研究是由深圳市科技创新委员会(批准号。KJYY20170405161248988和KQTD20170331100838136),广东省医学科学技术研究基金项目(批准号A2019070),新疆维吾尔自治区科学技术支持项目计划(批准号2016 e02065),中国国家自然科学基金(批准号61533004)。

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