模拟躯干肌肉的腰椎脊柱体外测试装置：突破局限，开启脊柱研究新篇

为解决腰椎脊柱体外测试难题，研究人员开发模拟肌肉牵引的测试装置，该装置有效且接近体内条件。

　　在人体复杂的生理构造面前，脊柱研究就像一场艰难的探险。目前，尽管数值模型有所发展，但生物力学体外测试仍至关重要，尤其是针对腰椎脊柱和骨盆的研究。然而，现有的体外测试装置存在诸多问题。大多数测试装置只是通过固定最下端椎体，在最上端椎体施加力和扭矩，这种方式没有考虑肌肉牵引的影响，只能在特定条件下产生有效数据。而且，在模拟骶髂关节（SIJ）运动等方面，现有装置也存在很大局限性，其运动测量误差大，不同模型预测的运动范围差异可达 50 倍之多 。同时，缺乏标准化的测试装置，各研究小组都在 “各自为政”，根据自身研究问题开发不同的装置，这使得研究结果难以统一和比较。

为了突破这些困境，德国耶拿弗里德里希 - 席勒大学（Friedrich - Schiller - University Jena）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于建立一个能模拟影响脊柱关键肌肉的生物力学测试装置，以更准确地分析腰椎脊柱和骨盆的运动。

研究人员的努力取得了丰硕成果。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为腰椎脊柱研究开辟了新的方向。

在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。首先，他们通过在椎体和髋臼杯上安装人工肌肉附件来模拟肌肉牵引，这种方式能更接近生理条件下肌肉对脊柱的作用。其次，使用光学 3D 运动捕捉系统（GOM, Zeiss, Germany）精确测量腰椎脊柱和骶骨相对于髂骨的位置变化。此外，利用传感器测量施加的力，使测试装置能在力控制模式下运行，更好地模拟体内的力学环境。研究使用了 6 具从 T₁₂到骨盆的尸体标本，在去除皮肤、皮下组织和肌肉的同时，小心保留了脊柱、SIJ 和骨盆的囊 / 韧带结构。

研究结果方面：

• 肌肉附件承载能力：所有肌肉附件都能成功加载高达 1kN 的力，且未出现失效或移位的情况，这表明人工肌肉附件能够稳定地传递体内产生的力。
• 腰椎脊柱运动范围：模拟肌肉牵引有效地在各个空间方向上产生了符合生理范围的腰椎脊柱运动。例如，伸展可达 18°， flexion 为 27°， lateral bending 为 33°，axial rotation 为 11°。不过，与体内研究数据相比，运动范围存在差异，这可能是由于尸体标本的腰椎脊柱退化，降低了其灵活性和最大运动范围。
• 不同肌肉对脊柱运动的影响：不同的躯干肌肉对腰椎脊柱的重新定位作用差异显著。在 flexion/extension 时，前躯干肌肉的影响最大，为 0.16 ± 0.06°/N；在 lateral bending 和 axial rotation 方面，斜躯干肌肉的作用更为突出，分别为 0.17 ± 0.16°/N 和 0.10 ± 0.14°/N。这种差异是因为不同肌肉产生的扭矩不同，而扭矩取决于作用杠杆的长度和到当前旋转中心（COR）的距离。在腰椎脊柱中，COR 位于椎体后部，椎间盘水平关节面前方约 5 - 10mm 处，它与不同肌肉插入点的距离不同，从而导致了肌肉作用的差异。
• 骶髂关节（SIJ）的运动：研究测定了 SIJ 在不同运动方向上的 nutation 值，平均在 0.70° ± 0.13°（flexion/extension）、1.18° + 0.24°（axial rotation）和 1.11° ± 0.24°（lateral bending），这些值均在已发表数据的平均范围内。

研究结论和讨论部分强调了该测试装置的重要意义。尽管该装置存在一些局限性，比如只模拟了三对肌肉群，未包括腰方肌、髂肋肌和腹斜肌等，而且肌肉力未根据尸体标本的特征进行调整，轴向预加载也较低等。但它仍然为研究腰椎脊柱和骨盆的运动提供了更接近体内条件的测试环境。该装置有潜力模拟肌肉活动改变的情况，如肌肉减少症或肌肉萎缩症，这有助于深入了解与肌肉减少症相关的近端交界性疾病的发病机制。与传统的被动加载测试装置相比，它能更全面地模拟体内条件，为未来的腰椎脊柱研究奠定了坚实基础，有望推动相关领域的进一步发展。