青少年特发性脊柱侧弯的生物力学研究进展

楼斐 王伟 谢罗军 楼奇辉 周星辰

[摘要] 与青少年特发性脊柱侧弯解剖直接相关的生物力学分析主要围绕肌筋膜层、肌肉层、韧带层、关节层和椎间盘层5个层面，研究多围绕生物力学模型建立、影像学可视化指标。本文就青少年特发性脊柱侧弯生物力学解剖特性和临床应用的最新研究进展作一综述，旨在为后续研究提供理论依据。

[关键词] 青少年特发性脊柱侧弯；解剖；生物力学

[中图分类号] R244.1      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.15.029

青少年特发性脊柱侧弯（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是常见的青少年脊柱畸形疾病[1]。AIS临床表现为冠状面对侧偏移、矢状面后凸减少、水平面椎体旋转[2-3]。轻度AIS一般无明显症状，但矫正不及时会影响脊柱生物力学的应力应变，危害青少年的生长发育，影响身心健康和心肺功能[4-5]。与AIS解剖直接相关的组织主要包括肌筋膜、肌肉、韧带、关节（含椎体）和椎间盘5个板块。任何一个或多板块受累，均会直接影响其正常生理结构，导致AIS的发生和发展。本文就AIS生物力学的解剖特性和临床应用研究进展进行综述，旨在为后续研究提供理论依据。

1  肌筋膜层面

与AIS直接相关的肌筋膜链有体侧链、螺旋链、后功能链和前深链，主要表现为前深链结构紊乱，影响体侧链上腰方肌和后功能链上肩背阔肌的代偿侧弯，进而出现螺旋链上腹外斜肌为代偿前深链和脊柱侧弯产生改变，最终导致肌纤维撕裂、钙化及肌组织缩短等不可逆的病理状态[6]。肌筋膜松解术针对性强，可塑性强，可大幅度减少生物力学应力。陈中奇等[7]研究发现，患者主弯段躯干凹侧面凹陷区的筋膜肌肉存在粘连、变性现象，其病理变化特点为感染、肌纤维变性、结缔组织增生、粘连及瘢痕形成。李文静等[8]研究发现，患者双侧椎旁软组织不对称，表现为上点和中点浅筋膜凹侧厚度>凸侧厚度，下点浅筋膜凹侧厚度>凸侧厚度，应用肌筋膜松解术可直接作用于组织形态学改变部位，应力作用大幅减少。刘佳等[9]研究发现，肌筋膜链理论对AIS的治疗效果显著。Arguisuelas等[10]研究发现，肌筋膜松解术可有效改善患者的慢性腰痛症状。López-torres等[11]研究显示，肌筋膜松解术和自我筋膜放松均可有效改善患者的脊柱侧弯曲度。

2  椎旁肌肉层面

椎旁肌分为浅层的纵向长纤维竖脊肌和深层的斜向短纤维横突棘肌。目前临床多应用肌电图、肌骨超声、磁共振定量分析等技术手段对椎旁肌的周长、横截面积、肌力、肌张力等参数进行生物力学应变分析。黄剑平等[12]应用表面肌电图（surface electromyography，sEMG）技术评估AIS患者竖脊肌在躯干运动中的协同活动情况，结果显示AIS患者竖脊肌与腰背部肌群在对称性躯干动作时的sEMG均方根值地形图凸侧强、凹侧弱，凸侧sEMG均方根值随Cobb角的增大而加强。韩晓峰[13]应用高频肌骨超声扫查患者双侧椎旁皮肤、皮下浅筋膜层、皮下深筋膜层及双侧椎旁肌，结果显示椎旁肌凹侧与凸侧的回声强度、肌层纤维组织回声的均匀性与干预效果可能相关，而椎旁肌凹侧与凸侧大小比值与Cobb角无显著相关性，提示高频肌骨超声可作为AIS康复治疗前后疗效评估的方法。梁钰莹[14]应用磁共振技术对椎体脂肪含量、椎间盘蛋白聚糖和水含量、椎旁肌大分子蛋白质和脂肪含量进行定量分析，结果显示：①不同侧凸程度AIS患者的组织成分存在差异。侧凸程度增加，椎体脂肪含量增加，顶椎最明显；椎间盘髓核和纤维环的蛋白聚糖和水含量下降，凹侧比凸侧更明显；椎旁肌大分子蛋白质含量凸侧升高，凹側降低；椎旁肌脂肪含量双侧增加，凹侧显著。②下端椎与侧凸的进展存在一定的相关性。③磁共振成像能够检测AIS患者组织成分的变化。侯明明等[15]研究表明，脊柱侧弯椎旁肌肌梭和神经轴突终末支配比率等病理变化继发于脊柱侧弯的渐进发展过程。尹佳[16]研究推测，微RNA（microRNA，miRNA）-499-5p、miRNA-133a-3p可能通过影响凹凸侧骨骼肌发育相关基因MYOZ2的差异表达，调控椎旁肌肌纤维类型的转化。

综上，椎旁肌的生物力学应力指标研究可与多种客观、可视化的量化影像学检查技术高效结合，后续可考虑针对其临床证据等级进行基于循证医学角度的系统评价、网状分析及贝叶斯分析等研究，从而为AIS的生物力学特性研究提供有力证据。

3  韧带层面

AIS研究常忽视脊柱韧带的重要性，脊柱韧带主要包括以棘上、棘间韧带为代表的中央韧带及以肋横突、横突间韧带为代表的侧方韧带[17]。前者存在于所有动物中，维持各椎体间的稳定；后者仅出现在二足（灵长类）和伪二足（鸟类）物种中，是保持脊柱直立性的重要基础[18-20]。从生物力学角度看，附着于侧方的肋横突韧带比单纯附着于中央的韧带更能提供侧方应力保护。AIS以冠状面的对侧偏移、矢状面胸椎的后凸减少及水平面的椎体旋转为特征，因此AIS的侧方韧带较中央韧带更有研究意义。目前关于AIS韧带的基础和临床研究较少，多通过有限元模型构建和分析探讨椎体应力大小间接反映其相关韧带的生物力学特性。吴晓薇等[21]构建1例轻度AIS患者的有限元模型，模型总节点数为2 561 811个，总单元数为1 547 806个，分析该有限元模型在模拟前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种运动状态下各椎体的应力变化。研究发现在模拟后伸、旋转活动时，第2～4胸椎的应力变化趋势与静态时呈相反趋势，推测AIS患者在后伸和旋转活动时，椎体的应力变化可能是改变畸形的直接因素。邬超等[22]构建1例Lenke 3型AIS患者的有限元模型，共划分节点497 484个，总单元数294 692个。研究发现在做屈伸、侧屈和旋转运动时，脊椎侧弯明显处、胸–腰弯交界段、腰椎段椎体的应力较大，且小关节和椎弓根部位的应力比其他部位大；而在做侧屈和旋转运动时，脊柱凹处部位的应力较大。

4  关节层面

与AIS最直接的关节是关节突关节。关节突关节是脊柱唯一的滑膜关节，发挥引导和约束腰椎三轴六向复合运动的作用。关节突关节复杂的关节解剖结构决定其生物力学特性，现有研究主要关注其负重应力和活动度。Zeng等[23]建立L3～L5三维非线性有限元模型，分析分级小关节切除术对椎间旋转、椎间盘应力（intervertebral disc pressure，IDP）、小关节应力及环中最大von Mises应力等的影响。研究发现与完整模型相比，单侧小关节切除术使椎间旋转范围增加11.7%，IDP增加10.7%；双侧小关节切除术使椎间旋转增加40.7%，IDP增加23.6%；在轴向旋转下，单侧小关节和双侧小关节切除右转时椎间旋转分别增加101.3%和354.3%，左转时椎间旋转分别增加1.1%和265.3%。Kokabu等[24]研究发现，多节段小关节切除术可提高AIS患者脊柱的柔韧性，显著改善脊柱屈曲、伸展和轴向旋转测试角度。研究证实AIS患者关节面关节组织的蛋白多糖丢失、促炎因子过度表达、基质金属蛋白酶合成增加，青少年脊柱侧凸小关节显示出明显的变性迹象，表明关节活动度与应力表现欠佳与AIS具有相关性[25]。Bisson等[26]比较脊柱侧弯和非脊柱侧弯软骨细胞中Toll样受体（toll-like receptor，TLR）-1、TLR-2、TLR-4和TLR-6的基线表达水平，高基线表达、稳健的反应性及与蛋白酶和促炎症细胞因子的显著相关性表明TLR是AIS小关节退变的关键调节因子，抑制其表达可能改变其疾病进展。现有研究多围绕关节层面的活动度和应力情况，关节小部位离断后的生物力学分析是最直接的指标。

5  椎间盘层面

椎间盘的受力特点取决于髓核和纤维环独特的生物力学比例。髓核的主要作用是抵制和重新分配压力负荷，纤维环的主要作用是抵制张力，椎间盘内较高的含水量也是椎间盘可承受较大负荷的原因之一[27]。反复弯腰、扭转等动作产生的生物力学剪切力是引起椎间盘损伤最主要的原因，脊柱侧弯患者的椎间盘会加速退变[28]。Pickering等[29]建立小儿脊柱患者特定椎间盘有限元模型，发现胶原纤维束直接支配椎间盘的机械行为。Sullivan等[30]研究发现椎骨和椎间盘形状不对称与AIS严重程度密切相关。De等[31]研究进一步指出，不对称出现的脊柱前部延长仅发生在椎间盘上，且在不同类型的脊柱侧弯中是相似的。Abelin-oenevois等[32]研究发现，AIS患病情况越严重，椎间盘的髓核体积越小，且位置转移至凸面，及时手术治疗可减少椎间盘退变。

目前，基础和临床研究多通过磁共振成像对椎间盘进行评估，但无法获取椎间盘力学性能相关信息。剪切波超声是一种可定量评估纤维环改变的新方法，研究顯示剪切波速度（shear-wave speed，SWS）与纤维环呈负相关[33]。SWS可直观反映腰椎间盘特性，故可作为评估特发性脊柱侧凸的生物力学标志物。Vergari等[34]应用该技术对25例AIS患者手术前后及59名健康受试者进行腰椎间盘特性评估，显示SWS与Cobb角呈正相关性。

综上，与AIS解剖最直接相关的生物力学分析主要围绕肌筋膜层、肌肉层、韧带层、关节层及椎间盘层5个层面，它们既相互独立，又相辅相成。既往研究表明，上述5个层面可通过有限元模型建立对生物力学特性进行精准分析。各层组织既可通过协调改变力学大小和角度影响AIS的发生发展，也可独立诱导AIS的发生发展。在生物力学应变特性指标评测方面，多种影像学工具拥有高时间和高空间分辨率优势，可提供客观且可视化的证据，有助于探讨其神经生化机制。

有限元模型均为单一样本量，提供证据质量等级不高，需反复验证以减少偏倚，后续可考虑利用有限元模型数据反向验证实验方法提高证据质量。AIS是脊柱结构性改变疾病，针灸等物理疗法的联合应用能否更加高效地纠正生物力学特性，也需更多的临床研究予以证实，后续可考虑联合应用基于解剖生物力学的多物理疗法开展研究。与此同时，人们对AIS的多组学和信号通路机制研究也知之甚少，后续应关注AIS遗传组学、代谢组学、蛋白组学、多模态脑功能等机制研究，以阐明其相关效应机制。

[参考文献][1] Comité Nacional de Adolescencia SAP， Comité de Diagnóstico por Imágenes SAP， Sociedad Argentina de Ortopediay Traumatología Infantil， et al. Adolescent idiopathic scoliosis[J]. Arch Argent Pediatr， 2016， 114（6）： 585–594.

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[13] 韩晓峰. 椎旁软组织肌骨超声在AIS患者支具结合运动干预疗效评估中的应用[D]. 广州： 广州体育学院， 2020.

[23] ZENG Z L， ZHU R， WU Y C， et al. Effect of graded facetectomy on lumbar biomechanics[J]. J Healthc Eng， 2017， 2017： 7981513.

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