受動的に屈曲した腰椎の椎骨、筋肉、脊椎靭帯、椎間板の間に生体内で荷重が分散している

Loads distributed in vivo among vertebrae, muscles, spinal ligaments, and intervertebral discs in a passively flexed lumbar spine.

• Falk Mörl
• Michael Günther
• Julia M Riede
• Maria Hammer
• Syn Schmitt

抄録

腰椎の構造物間の荷重分布は、未だ未解決の問題であるが、この実験とシミュレーションのハイブリッド研究の焦点となっている。まず、健康な被験者の腰椎の矢状面での屈曲-伸展サイクルにおける全体的な受動抵抗トルク角特性を、特注の体幹曲げ機を使用して実験的に決定した。次に、腰椎を詳細に組み込んだ人体の前方動的コンピュータモデルを用いて、(1)実験結果に応じた人間と機械の相互作用をシミュレーションし、(2)モデル化された耐荷重構造物の特性を検証しました。第三に、コンピュータモデルを用いて、実装された腰椎構造物（筋腱ユニット、靭帯、椎間板、ファセットジョイント）の間で、実験状況における荷重分布を予測した。女性9名、男性10名のボランティアを対象とした。腰椎運動学はマーカーベースの赤外線装置を用いて測定した。腰椎屈曲抵抗は、体幹屈伸機のトルクモーターの軸上のひずみゲージを介して測定した。任意の腰部筋活動は、同時sEMGモニタリングにより除外した。非線形屈曲特性を記述するために数学モデルを使用した。屈曲-伸展トルク角特性の後続伸展分岐は、ゼロトルクローダシス角が低い値にシフトすることで屈曲分岐から有意に区別できた。副次的な発見として、確立された文献情報源から抽出された靭帯および受動筋硬さのモデル値は、測定された腰椎全体の硬さの値に近づけるためには、明らかに減少させる必要がありました。このようなパラメータ調整を行った後でも、コンピュータモデルは実験データと比較して、ほとんどの場合で腰椎が硬すぎると予測しています。文献データのレビューでは、脊髄靭帯の解剖学的および機械的パラメータの文書化が不十分であることが明らかになっている。例えば、シミュレーションでは非常に敏感なパラメータである靭帯の安静時長と断面積については、せいぜい不完全な記録であることが判明した。しかし、我々のモデルは、レベルL4/5における腰椎椎間板内の圧力測定値の文献データをよく再現しています。屈伸時に避けられない反応としての腰椎背側（受動的）筋と靭帯構造の伸張は、腰椎椎椎間板内の圧力値を完全に説明することができます。重力や筋肉活動のような外力が加わると、椎間板への圧縮荷重がさらに増加します。椎間板以外の脊椎構造物の荷重に対する日常的またはスポーツ的な動きの影響をその場しのぎで予測することはできません。要約すると、椎間板への圧縮荷重は腰椎の荷重シナリオの主要な決定要因ではなく、主要な指標でもない可能性が高いのです。将来的には、他のすべての構造は、少なくとも同等に関連性があると考えられるべきです。同様に、椎間板圧迫以外の荷重指標にも注意を向けることをお勧めします。さらに、腰椎屈曲は腰椎負荷の自己完結的な要因です。例えば、長期的な反復屈曲や座位などの影響については、日常生活での体幹屈曲をより意識的にケアすることは価値があるかもしれません。

The load distribution among lumbar spinal structures-still an unanswered question-has been in the focus of this hybrid experimental and simulation study. First, the overall passive resistive torque-angle characteristics of healthy subjects' lumbar spines during flexion-extension cycles in the sagittal plane were determined experimentally by use of a custom-made trunk-bending machine. Second, a forward dynamic computer model of the human body that incorporates a detailed lumbar spine was used to (1) simulate the human-machine interaction in accordance with the experiments and (2) validate the modeled properties of the load-bearing structures. Third, the computer model was used to predict the load distribution in the experimental situation among the implemented lumbar spine structures: muscle-tendon units, ligaments, intervertebral discs, and facet joints. Nine female and 10 male volunteers were investigated. Lumbar kinematics were measured with a marker-based infrared device. The lumbar flexion resistance was measured by the trunk-bending machine through strain gauges on the axes of the machine's torque motors. Any lumbar muscle activity was excluded by simultaneous sEMG monitoring. A mathematical model was used to describe the nonlinear flexion characteristics. The subsequent extension branch of a flexion-extension torque-angle characteristic could be significantly distinguished from its flexion branch by the zero-torque lordosis angle shifted to lower values. A side finding was that the model values of ligament and passive muscle stiffnesses, extracted from well-established literature sources, had to be distinctly reduced in order to approach our measured overall lumbar stiffness values. Even after such parameter adjustment, the computer model still predicts too stiff lumbar spines in most cases in comparison with experimental data. A review of literature data reveals a deficient documentation of anatomical and mechanical parameters of spinal ligaments. For instance, rest lengths of ligaments-a very sensitive parameter for simulations-and cross-sectional areas turned out to be documented at best incompletely. Yet by now, our model well reproduces the literature data of measured pressure values within the lumbar disc at level L4/5. Stretch of the lumbar dorsal (passive) muscle and ligament structures as an inescapable response to flexion can fully explain the pressure values in the lumbar disc. Any further external forces like gravity, or any muscle activities, further increase the compressive load on a vertebral disc. The impact of daily or sportive movements on the loads of the spinal structures other than the disc cannot be predicted ad hoc, because, for example, the load distribution itself crucially determines the structures' current lever arms. In summary, compressive loads on the vertebral discs are not the major determinants, and very likely also not the key indicators, of the load scenario in the lumbar spine. All other structures should be considered at least equally relevant in the future. Likewise, load indicators other than disc compression are advisable to turn attention to. Further, lumbar flexion is a self-contained factor of lumbar load. It may be worthwhile, to take more consciously care of trunk flexion during daily activities, for instance, regarding long-term effects like lasting repetitive flexions or sedentary postures.