基于肌肉骨骼动力学与有限元建模的Scheuermann胸腰椎后凸患者前屈运动组织应力分析

本研究针对Scheuermann病继发胸腰椎后凸畸形(TLK)患者腰痛机制不明的临床难题，通过整合三维运动捕捉、表面肌电与个性化有限元建模技术，首次系统评估了30°、60°、90°前屈角度下脊柱组织的应力分布特征。研究发现TLK患者椎体、椎间盘(annulus fibrosus区域应力达健康人群2.33倍)及关节软骨(峰值应力最高达健康人群12.02倍)存在显著应力集中现象，为临床理解疼痛机制及制定干预策略提供了重要生物力学依据。

　　

腰痛是困扰现代人的常见健康问题，而Scheuermann病导致的胸腰椎后凸畸形(TLK)患者更是高危人群——这类患者5年内发生腰痛的风险是普通人的2.5倍。尽管临床推测异常脊柱曲度会改变力学负荷分布，但长期以来缺乏直接证据揭示组织层面的生物力学改变机制。这一认知空白严重制约了精准治疗策略的制定。

南京医科大学第一附属医院联合南京医科大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项突破性研究。他们创新性地将肌肉骨骼动力学模型与有限元分析相结合，首次在组织水平量化了TLK患者前屈运动时的应力分布特征。研究招募了20名TLK患者和20名健康对照，通过Vicon三维运动捕捉系统记录30°、60°、90°前屈动作的动力学数据，结合表面肌电采集系统获取竖脊肌电信号。基于OpenSim构建个性化肌肉骨骼模型计算关节反作用力后，再通过ANSYS建立CT衍生的有限元模型，分析椎体、椎间盘和关节软骨的von Mises应力分布。

关键技术包括：1) 基于40例受试者运动学/动力学数据的个性化边界条件加载；2) OpenSim与ANSYS耦合建模技术；3) 1mm网格精度的椎体有限元分析；4) 多角度(30°/60°/90°)前屈工况模拟。

椎体应力分析
TLK患者在L1-S1节段关节突区域呈现显著应力集中，其中S1节段峰值应力在90°前屈时达健康人群2.8倍(41.0 vs 14.6 MPa)。应力分布呈现明显不对称性，提示后凸畸形导致负荷传递路径改变。

椎间盘应力分析
纤维环(annulus fibrosus)是主要应力集中区域，T12/L1节段在60°前屈时峰值应力达健康人群2.33倍。这种区域性应力升高可能加速纤维环撕裂和髓核(nucleus pulposus)突出风险。

关节软骨应力分析
最惊人的发现出现在L1/2节段——30°前屈时TLK患者关节软骨峰值应力(30.89 MPa)是健康人群(2.57 MPa)的12.02倍。这种超生理负荷可能直接导致软骨退变和骨关节炎。

该研究首次在组织水平证实TLK患者存在特征性应力分布异常：后凸畸形通过改变脊柱矢状面平衡，导致负荷向关节突、纤维环等特定区域异常集中。这些发现为理解TLK相关腰痛提供了力学解释——异常应力可能通过机械性刺激和加速组织退变双重途径诱发疼痛。

临床转化价值体现在三方面：1) 为早期识别高风险患者提供量化指标；2) 指导康复训练避免危险体位；3) 为手术矫形方案设计提供力学参考。研究采用的肌肉骨骼-有限元耦合分析方法，也为其他脊柱畸形的生物力学研究建立了范式。未来需扩大样本量验证当前发现，并探索动态多平面运动的力学影响。