基于椎间载荷最小化的慢性腰痛姿势控制策略研究

The lumbar motion pattern of patients with chronic low back pain is characterized by limited lumbar range of motion and compensation of pelvic activity. The motor control strategy of this motion pattern is not clear. This affects the development of corresponding intervention. The motion pattern is generated by control strategy, which could affect the intervertebral load and have a close relationship with low back pain. However, the traditional motor control strategy based on the criteria of minimizing metabolic consumption cannot explain the lumbar motion pattern of patients with low back pain. Combined with our previous work, we hypothesized that in order to avoid potential low back pain, patients with chronic low back pain control the lumbar movement with the goal of minimizing the intervertebral load of the degenerative segment, thus showing a limited lumbar range of motion during trunk movement..This project plans to use MRI scan and X-ray registration approach to obtain kinematics of the lumbar spine from patients with chronic low back pain and healthy subjects. The analysis of contribution of each segment to total lumbar rotation will be performed. Then, individualized torso computer musculoskeletal model will be established for each subject. Next, the objective function to minimize intervertebral load and other possible control strategies will be defined. The calculated lumbar kinematics under the control of certain strategy will be compared with the experimental measurements to verify our hypothesis. The results of the study can help to accurately assess the mechanical effects of this characteristic motion pattern on the lumbar spine. This may help to explore the protective or damaging effects of this motion pattern on lumbar tissue, and guide the development of interventions.

慢性腰痛患者的腰部运动模式以受限的腰段活动范围及骨盆活动的代偿为特征，其运动控制策略并不清晰，影响干预措施的制定。运动模式由控制策略产生，可影响椎间载荷，与腰痛关系密切。然而，传统基于运动能耗最小化原则的控制策略，难以解释腰痛患者的腰部运动模式。结合我们前期工作，提出假说：慢性腰痛患者为了回避潜在腰痛，以最小化退变节段的椎间载荷为目标控制腰部运动，从而在躯干运动时表现出受限的腰段活动范围。.项目拟利用MRI扫描、X线片配准得到慢性腰痛及健康受试者不同躯干姿势的腰椎运动学数据；结合有限元分析，建立个体化躯干计算机肌骨模型；通过定义目标函数模拟最小化椎间载荷及其他可能的控制策略，得出相应策略下的腰椎运动情况；比较仿真结果与实验测量的腰椎运动学数据，验证假说。研究结果有助于准确评估该运动模式于腰椎产生的力学作用，进而帮助探讨该运动模式对腰椎组织的保护或损伤效应，并指导干预措施的制定。

慢性腰痛患者的腰部运动模式以受限的腰段活动范围及骨盆活动的代偿为特征，其运动控制策略并不清晰，影响干预措施的制定。运动模式由控制策略产生，可影响椎间载荷，与腰痛关系密切。然而，传统基于运动能耗最小化原则的控制策略，难以解释腰痛患者的腰部运动模式。结合我们前期工作，提出假说：慢性腰痛患者为了回避潜在腰痛，以最小化退变节段的椎间载荷为目标控制腰部运动，从而在躯干运动时表现出受限的腰段活动范围。.本项目利用影像学数据获取受试者不同躯干姿势的腰椎运动学数据；结合有限元分析，建立个体化躯干计算机肌骨模型；通过定义目标函数模拟最小化椎间载荷及其他可能的控制策略，得出相应策略下的腰椎运动情况；比较仿真结果与实验测量的腰椎运动学数据，验证假说。.通过观察腰椎影像学数据，我们发现：部分腰痛患者存在活动受限，部分腰痛患者虽有腰痛症状，但活动受限的表现不明显。常见腰椎活动度下降有2种模式，部分患者腰椎活动受限，采用倾斜骨盆的方式来代偿腰部活动度的不足，另一部分患者的腰椎活动度下降表现为骨盆、腰椎整体的屈曲角度下降。.通过人体腰椎建模仿真研究，我们发现：在执行躯干屈曲任务时，将下部椎间盘上的载荷降至最低的控制策略会导致两种特定的运动学模式——“腰椎受限”和“腰椎过度弯曲”。 “受限”模式可以减轻下腰椎的整体载荷，而“过度弯曲”模式只能减少L4/L5水平的剪切力，但增加了L5/S1水平的压缩和剪切力以及压缩力在L4/L5水平。.本项目是对腰痛患者运动控制策略的深入研究，研究结果可用于评估不同运动模式于腰椎节段产生的力学效应，进而帮助了解该运动模式对腰椎组织潜在的保护或损伤效应，是否需要推广或纠正该运动模式。另一方面，研究计算出的基于最小化退变腰椎间盘载荷的腰椎运动学数据，该数据可指导腰椎间盘退变人群的姿势控制训练，以及可穿戴式腰椎活动监测设备的参数设定，帮助患者减小退变腰椎间盘上的载荷。