青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的生物力學(xué)研究進(jìn)展

樓斐 王偉 謝羅軍 樓奇輝 周星辰

[摘要]?與青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎解剖直接相關(guān)的生物力學(xué)分析主要圍繞肌筋膜層、肌肉層、韌帶層、關(guān)節(jié)層和椎間盤(pán)層5個(gè)層面，研究多圍繞生物力學(xué)模型建立、影像學(xué)可視化指標(biāo)。本文就青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎生物力學(xué)解剖特性和臨床應(yīng)用的最新研究進(jìn)展作一綜述，旨在為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]?青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎；解剖；生物力學(xué)

[中圖分類號(hào)]?R244.1??????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.15.029

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎（adolescent?idiopathic?scoliosis，AIS）是常見(jiàn)的青少年脊柱畸形疾病[1]。AIS臨床表現(xiàn)為冠狀面對(duì)側(cè)偏移、矢狀面后凸減少、水平面椎體旋轉(zhuǎn)[2-3]。輕度AIS一般無(wú)明顯癥狀，但矯正不及時(shí)會(huì)影響脊柱生物力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變，危害青少年的生長(zhǎng)發(fā)育，影響身心健康和心肺功能[4-5]。與AIS解剖直接相關(guān)的組織主要包括肌筋膜、肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)（含椎體）和椎間盤(pán)5個(gè)板塊。任何一個(gè)或多板塊受累，均會(huì)直接影響其正常生理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致AIS的發(fā)生和發(fā)展。本文就AIS生物力學(xué)的解剖特性和臨床應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1??肌筋膜層面

與AIS直接相關(guān)的肌筋膜鏈有體側(cè)鏈、螺旋鏈、后功能鏈和前深鏈，主要表現(xiàn)為前深鏈結(jié)構(gòu)紊亂，影響體側(cè)鏈上腰方肌和后功能鏈上肩背闊肌的代償側(cè)彎，進(jìn)而出現(xiàn)螺旋鏈上腹外斜肌為代償前深鏈和脊柱側(cè)彎產(chǎn)生改變，最終導(dǎo)致肌纖維撕裂、鈣化及肌組織縮短等不可逆的病理狀態(tài)[6]。肌筋膜松解術(shù)針對(duì)性強(qiáng)，可塑性強(qiáng)，可大幅度減少生物力學(xué)應(yīng)力。陳中奇等[7]研究發(fā)現(xiàn)，患者主彎段軀干凹側(cè)面凹陷區(qū)的筋膜肌肉存在粘連、變性現(xiàn)象，其病理變化特點(diǎn)為感染、肌纖維變性、結(jié)締組織增生、粘連及瘢痕形成。李文靜等[8]研究發(fā)現(xiàn)，患者雙側(cè)椎旁軟組織不對(duì)稱，表現(xiàn)為上點(diǎn)和中點(diǎn)淺筋膜凹側(cè)厚度>凸側(cè)厚度，下點(diǎn)淺筋膜凹側(cè)厚度>凸側(cè)厚度，應(yīng)用肌筋膜松解術(shù)可直接作用于組織形態(tài)學(xué)改變部位，應(yīng)力作用大幅減少。劉佳等[9]研究發(fā)現(xiàn)，肌筋膜鏈理論對(duì)AIS的治療效果顯著。Arguisuelas等[10]研究發(fā)現(xiàn)，肌筋膜松解術(shù)可有效改善患者的慢性腰痛癥狀。López-torres等[11]研究顯示，肌筋膜松解術(shù)和自我筋膜放松均可有效改善患者的脊柱側(cè)彎曲度。

2??椎旁肌肉層面

椎旁肌分為淺層的縱向長(zhǎng)纖維豎脊肌和深層的斜向短纖維橫突棘肌。目前臨床多應(yīng)用肌電圖、肌骨超聲、磁共振定量分析等技術(shù)手段對(duì)椎旁肌的周長(zhǎng)、橫截面積、肌力、肌張力等參數(shù)進(jìn)行生物力學(xué)應(yīng)變分析。黃劍平等[12]應(yīng)用表面肌電圖（surface?electromyography，sEMG）技術(shù)評(píng)估AIS患者豎脊肌在軀干運(yùn)動(dòng)中的協(xié)同活動(dòng)情況，結(jié)果顯示AIS患者豎脊肌與腰背部肌群在對(duì)稱性軀干動(dòng)作時(shí)的sEMG均方根值地形圖凸側(cè)強(qiáng)、凹側(cè)弱，凸側(cè)sEMG均方根值隨Cobb角的增大而加強(qiáng)。韓曉峰[13]應(yīng)用高頻肌骨超聲掃查患者雙側(cè)椎旁皮膚、皮下淺筋膜層、皮下深筋膜層及雙側(cè)椎旁肌，結(jié)果顯示椎旁肌凹側(cè)與凸側(cè)的回聲強(qiáng)度、肌層纖維組織回聲的均勻性與干預(yù)效果可能相關(guān)，而椎旁肌凹側(cè)與凸側(cè)大小比值與Cobb角無(wú)顯著相關(guān)性，提示高頻肌骨超聲可作為AIS康復(fù)治療前后療效評(píng)估的方法。梁鈺瑩[14]應(yīng)用磁共振技術(shù)對(duì)椎體脂肪含量、椎間盤(pán)蛋白聚糖和水含量、椎旁肌大分子蛋白質(zhì)和脂肪含量進(jìn)行定量分析，結(jié)果顯示：①不同側(cè)凸程度AIS患者的組織成分存在差異。側(cè)凸程度增加，椎體脂肪含量增加，頂椎最明顯；椎間盤(pán)髓核和纖維環(huán)的蛋白聚糖和水含量下降，凹側(cè)比凸側(cè)更明顯；椎旁肌大分子蛋白質(zhì)含量凸側(cè)升高，凹側(cè)降低；椎旁肌脂肪含量雙側(cè)增加，凹側(cè)顯著。②下端椎與側(cè)凸的進(jìn)展存在一定的相關(guān)性。③磁共振成像能夠檢測(cè)AIS患者組織成分的變化。侯明明等[15]研究表明，脊柱側(cè)彎椎旁肌肌梭和神經(jīng)軸突終末支配比率等病理變化繼發(fā)于脊柱側(cè)彎的漸進(jìn)發(fā)展過(guò)程。尹佳[16]研究推測(cè)，微RNA（microRNA，miRNA）-499-5p、miRNA-133a-3p可能通過(guò)影響凹凸側(cè)骨骼肌發(fā)育相關(guān)基因MYOZ2的差異表達(dá)，調(diào)控椎旁肌肌纖維類型的轉(zhuǎn)化。

綜上，椎旁肌的生物力學(xué)應(yīng)力指標(biāo)研究可與多種客觀、可視化的量化影像學(xué)檢查技術(shù)高效結(jié)合，后續(xù)可考慮針對(duì)其臨床證據(jù)等級(jí)進(jìn)行基于循證醫(yī)學(xué)角度的系統(tǒng)評(píng)價(jià)、網(wǎng)狀分析及貝葉斯分析等研究，從而為AIS的生物力學(xué)特性研究提供有力證據(jù)。

3??韌帶層面

AIS研究常忽視脊柱韌帶的重要性，脊柱韌帶主要包括以棘上、棘間韌帶為代表的中央韌帶及以肋橫突、橫突間韌帶為代表的側(cè)方韌帶[17]。前者存在于所有動(dòng)物中，維持各椎體間的穩(wěn)定；后者僅出現(xiàn)在二足（靈長(zhǎng)類）和偽二足（鳥(niǎo)類）物種中，是保持脊柱直立性的重要基礎(chǔ)[18-20]。從生物力學(xué)角度看，附著于側(cè)方的肋橫突韌帶比單純附著于中央的韌帶更能提供側(cè)方應(yīng)力保護(hù)。AIS以冠狀面的對(duì)側(cè)偏移、矢狀面胸椎的后凸減少及水平面的椎體旋轉(zhuǎn)為特征，因此AIS的側(cè)方韌帶較中央韌帶更有研究意義。目前關(guān)于AIS韌帶的基礎(chǔ)和臨床研究較少，多通過(guò)有限元模型構(gòu)建和分析探討椎體應(yīng)力大小間接反映其相關(guān)韌帶的生物力學(xué)特性。吳曉薇等[21]構(gòu)建1例輕度AIS患者的有限元模型，模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2?561?811個(gè)，總單元數(shù)為1?547?806個(gè)，分析該有限元模型在模擬前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各椎體的應(yīng)力變化。研究發(fā)現(xiàn)在模擬后伸、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)，第2～4胸椎的應(yīng)力變化趨勢(shì)與靜態(tài)時(shí)呈相反趨勢(shì)，推測(cè)AIS患者在后伸和旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)，椎體的應(yīng)力變化可能是改變畸形的直接因素。鄔超等[22]構(gòu)建1例Lenke?3型AIS患者的有限元模型，共劃分節(jié)點(diǎn)497?484個(gè)，總單元數(shù)294?692個(gè)。研究發(fā)現(xiàn)在做屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，脊椎側(cè)彎明顯處、胸–腰彎交界段、腰椎段椎體的應(yīng)力較大，且小關(guān)節(jié)和椎弓根部位的應(yīng)力比其他部位大；而在做側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，脊柱凹處部位的應(yīng)力較大。

4??關(guān)節(jié)層面

與AIS最直接的關(guān)節(jié)是關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)是脊柱唯一的滑膜關(guān)節(jié)，發(fā)揮引導(dǎo)和約束腰椎三軸六向復(fù)合運(yùn)動(dòng)的作用。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)復(fù)雜的關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)決定其生物力學(xué)特性，現(xiàn)有研究主要關(guān)注其負(fù)重應(yīng)力和活動(dòng)度。Zeng等[23]建立L3～L5三維非線性有限元模型，分析分級(jí)小關(guān)節(jié)切除術(shù)對(duì)椎間旋轉(zhuǎn)、椎間盤(pán)應(yīng)力（intervertebral?disc?pressure，IDP）、小關(guān)節(jié)應(yīng)力及環(huán)中最大von?Mises應(yīng)力等的影響。研究發(fā)現(xiàn)與完整模型相比，單側(cè)小關(guān)節(jié)切除術(shù)使椎間旋轉(zhuǎn)范圍增加11.7%，IDP增加10.7%；雙側(cè)小關(guān)節(jié)切除術(shù)使椎間旋轉(zhuǎn)增加40.7%，IDP增加23.6%；在軸向旋轉(zhuǎn)下，單側(cè)小關(guān)節(jié)和雙側(cè)小關(guān)節(jié)切除右轉(zhuǎn)時(shí)椎間旋轉(zhuǎn)分別增加101.3%和354.3%，左轉(zhuǎn)時(shí)椎間旋轉(zhuǎn)分別增加1.1%和265.3%。Kokabu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，多節(jié)段小關(guān)節(jié)切除術(shù)可提高AIS患者脊柱的柔韌性，顯著改善脊柱屈曲、伸展和軸向旋轉(zhuǎn)測(cè)試角度。研究證實(shí)AIS患者關(guān)節(jié)面關(guān)節(jié)組織的蛋白多糖丟失、促炎因子過(guò)度表達(dá)、基質(zhì)金屬蛋白酶合成增加，青少年脊柱側(cè)凸小關(guān)節(jié)顯示出明顯的變性跡象，表明關(guān)節(jié)活動(dòng)度與應(yīng)力表現(xiàn)欠佳與AIS具有相關(guān)性[25]。Bisson等[26]比較脊柱側(cè)彎和非脊柱側(cè)彎軟骨細(xì)胞中Toll樣受體（toll-like?receptor，TLR）-1、TLR-2、TLR-4和TLR-6的基線表達(dá)水平，高基線表達(dá)、穩(wěn)健的反應(yīng)性及與蛋白酶和促炎癥細(xì)胞因子的顯著相關(guān)性表明TLR是AIS小關(guān)節(jié)退變的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，抑制其表達(dá)可能改變其疾病進(jìn)展。現(xiàn)有研究多圍繞關(guān)節(jié)層面的活動(dòng)度和應(yīng)力情況，關(guān)節(jié)小部位離斷后的生物力學(xué)分析是最直接的指標(biāo)。

5??椎間盤(pán)層面

椎間盤(pán)的受力特點(diǎn)取決于髓核和纖維環(huán)獨(dú)特的生物力學(xué)比例。髓核的主要作用是抵制和重新分配壓力負(fù)荷，纖維環(huán)的主要作用是抵制張力，椎間盤(pán)內(nèi)較高的含水量也是椎間盤(pán)可承受較大負(fù)荷的原因之一[27]。反復(fù)彎腰、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作產(chǎn)生的生物力學(xué)剪切力是引起椎間盤(pán)損傷最主要的原因，脊柱側(cè)彎患者的椎間盤(pán)會(huì)加速退變[28]。Pickering等[29]建立小兒脊柱患者特定椎間盤(pán)有限元模型，發(fā)現(xiàn)膠原纖維束直接支配椎間盤(pán)的機(jī)械行為。Sullivan等[30]研究發(fā)現(xiàn)椎骨和椎間盤(pán)形狀不對(duì)稱與AIS嚴(yán)重程度密切相關(guān)。De等[31]研究進(jìn)一步指出，不對(duì)稱出現(xiàn)的脊柱前部延長(zhǎng)僅發(fā)生在椎間盤(pán)上，且在不同類型的脊柱側(cè)彎中是相似的。Abelin-oenevois等[32]研究發(fā)現(xiàn)，AIS患病情況越嚴(yán)重，椎間盤(pán)的髓核體積越小，且位置轉(zhuǎn)移至凸面，及時(shí)手術(shù)治療可減少椎間盤(pán)退變。

目前，基礎(chǔ)和臨床研究多通過(guò)磁共振成像對(duì)椎間盤(pán)進(jìn)行評(píng)估，但無(wú)法獲取椎間盤(pán)力學(xué)性能相關(guān)信息。剪切波超聲是一種可定量評(píng)估纖維環(huán)改變的新方法，研究顯示剪切波速度（shear-wave?speed，SWS）與纖維環(huán)呈負(fù)相關(guān)[33]。SWS可直觀反映腰椎間盤(pán)特性，故可作為評(píng)估特發(fā)性脊柱側(cè)凸的生物力學(xué)標(biāo)志物。Vergari等[34]應(yīng)用該技術(shù)對(duì)25例AIS患者手術(shù)前后及59名健康受試者進(jìn)行腰椎間盤(pán)特性評(píng)估，顯示SWS與Cobb角呈正相關(guān)性。

綜上，與AIS解剖最直接相關(guān)的生物力學(xué)分析主要圍繞肌筋膜層、肌肉層、韌帶層、關(guān)節(jié)層及椎間盤(pán)層5個(gè)層面，它們既相互獨(dú)立，又相輔相成。既往研究表明，上述5個(gè)層面可通過(guò)有限元模型建立對(duì)生物力學(xué)特性進(jìn)行精準(zhǔn)分析。各層組織既可通過(guò)協(xié)調(diào)改變力學(xué)大小和角度影響AIS的發(fā)生發(fā)展，也可獨(dú)立誘導(dǎo)AIS的發(fā)生發(fā)展。在生物力學(xué)應(yīng)變特性指標(biāo)評(píng)測(cè)方面，多種影像學(xué)工具擁有高時(shí)間和高空間分辨率優(yōu)勢(shì)，可提供客觀且可視化的證據(jù)，有助于探討其神經(jīng)生化機(jī)制。

有限元模型均為單一樣本量，提供證據(jù)質(zhì)量等級(jí)不高，需反復(fù)驗(yàn)證以減少偏倚，后續(xù)可考慮利用有限元模型數(shù)據(jù)反向驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法提高證據(jù)質(zhì)量。AIS是脊柱結(jié)構(gòu)性改變疾病，針灸等物理療法的聯(lián)合應(yīng)用能否更加高效地糾正生物力學(xué)特性，也需更多的臨床研究予以證實(shí)，后續(xù)可考慮聯(lián)合應(yīng)用基于解剖生物力學(xué)的多物理療法開(kāi)展研究。與此同時(shí)，人們對(duì)AIS的多組學(xué)和信號(hào)通路機(jī)制研究也知之甚少，后續(xù)應(yīng)關(guān)注AIS遺傳組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、多模態(tài)腦功能等機(jī)制研究，以闡明其相關(guān)效應(yīng)機(jī)制。

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