腰椎小关节紊乱症运动和动力学特征

黄萍 卢玄 戚威臣 陈博 沈峥嵘 邓廉夫

腰椎小关节紊乱症是腰椎小关节错缝、腰椎小关节滑膜嵌顿、腰椎小关节炎的统称。该疾病是人体运动如腰椎前屈、旋转腰部、搬抬重物、弯腰扭身取物不当导致腰部受力不均衡情况下腰肌不协调收缩致使腰椎小关节错位、偏移以及滑膜嵌顿，从而造成滑膜充血肿胀、无菌性炎症，刺激脊神经后支的神经感受器，引起腰部剧烈疼痛、活动障碍、肌肉痉挛及异常的腰椎运动模式。它是临床上骨伤科常见病、多发病，易复发，多见于成年人，男性多于女性[1]。研究报道，腰椎小关节紊乱症发病率为5%～35%[2]。有研究显示，腰椎小关节紊乱症容易反复发作，复发率为33%以上[3-4]。因此，如何有效评估患者病情，预防发生，提高临床疗效，防止复发，已成为目前国内诊治此类疾病的重点[5-6]。

目前腰椎小关节紊乱症主要采用影像学检查、评估量表评估病情进展和治疗效果。研究发现，影像学检查中局部骨关节改变的表现没有较高的特异性[7]。腰椎小关节紊乱症患者腰部运动能力的评估大多采用患者疼痛和功能自我评估量表，这些评估量表基本依据医生目测或物理检查以及患者主诉，患者诉腰部疼痛是一种主观感受，源于多层次神经系统，易受认知及情境因素影响，使得腰椎小关节紊乱症的临床症状与解剖结构损害程度常不相符[8]。因此，临床上对于腰椎小关节紊乱症迫切需要引入一种新的适用的定量评估检测方法。

现代Vicon 三维运动捕捉系统是目前国际公认的能够客观定量地评定人体运动功能的检测系统，能够准确对人体运动时的肢体和关节活动进行运动学和动力学测试，提供一系列运动学、动力学等参数和曲线，正日益受到关注，成为现代医学研究的新热点[9]。

腰椎小关节紊乱症是与运动学、肌肉活动等生物力学因素关系密切的一种疾病。腰椎关节活动角度、腰部受力等参数的高低直接影响着腰椎小关节紊乱症疾病进程。目前对患者运动学和动力学的定量分析国内未见报道[10]。本研究采用英国Vicon三维运动捕捉系统评估腰椎小关节紊乱症患者的运动学、动力学等参数，从生物力学角度探索腰椎小关节紊乱症患者运动学规律、发病机制，为制定治疗策略及预防复发提供客观的理论依据。

1 资料与方法

1.1 测试对象

在2018年1月至2020年11月，选择上海交通大学医学院附属瑞金医院门诊诊断为腰椎小关节紊乱症的18例患者作为实验组，其中男9例，女9例，年龄（61.00±16.45）岁（26～80岁），体质量（63.89±10.33）kg（50～80 kg），身 高(1.66±0.08) m（1.50～1.81 m）；招募与腰椎小关节紊乱症患者性别、年龄、体质量、身高相匹配且无腰部疼痛的健康中老年人12名作为对照组。实验组与对照组一般资料均无显著性差异(P＞0.05)，具有可比性，见表1。两组受试者均签署知情同意书后参加测试，此研究经过本医院伦理委员会批准并签字。

表1 实验组与对照组一般资料比较

实验组诊断标准[11]：①有腰部扭伤史或腰肌劳损史；②主要临床表现为腰部剧烈疼痛，活动受限，保持腰椎前屈位时可缓解疼痛，后伸时疼痛加重；③患者站立时髋、膝关节屈曲,卧位时屈伸侧卧腰部呈腰椎后凸或腰部侧倾的强迫体位；④触诊腰椎棘突有异样改变，腰部肌肉痉挛，腰椎旁有压痛、放射痛；⑤直腿抬高试验呈阴性，下肢感觉、肌力及神经反射正常。

实验组纳入标准：①符合上述诊断标准；②能够独自行走；③患者了解且愿意接受此测试。

实验组排除标准:①腰椎骨折、腰椎间盘突出症急性发作；②合并有严重腰椎骨质疏松症、腰椎管狭窄、腰椎滑脱症或其他严重畸形；③患有腰椎肿瘤或结核；④患有严重心脏病、高血压、肝肾结石、肾功能不全等原发性疾病，存在精神疾病；⑤伴其他疾病不适合运动。

1.2 实验仪器

采用英国Vicon 光学运动捕捉系统采集、处理测试数据，该系统硬件主要包括红外线反光球、10台红外线高速摄像机、信息转换控制器、电脑等，同时连接了美国AMTI-OR6-7型2个三维测力台。在同一采样时刻该系统10台红外高速摄像机对在扫描空间内运动的Mark点的影像进行捕捉并运算，得出 Mark 点该时刻在空间的三维坐标，根据这些坐标和三维测力台数据进行运动学和动力学分析，得到人体运动过程中的关节角度、速度、加速度以及动量和动能等物理量的变化规律。主要用到的软件有2个，分别是Vicon Nexus 1.5.2检测软件和Polygon 3.5.1分析软件。Vicon Nexus 1.5.2检测软件的主要功能包括校准传感器、采集数据(采样频率为100 Hz)、智能数据处理和综合运算后直接得出数据。Polygon 3.5.1分析软件是多媒体的演示软件，它可以把测试数据通过多种手段(如图表、视频等)全方位直观地显示给观看者，并能进行数据分析。测试分析过程设定如下。脊椎角和胸部角定义设定：脊椎角为胸廓相对于骨盆的角度；胸部角为胸廓相对于地面的角度（图1）。脊椎角（或胸部角）值设定：①矢状面屈曲为正，伸展为负；②冠状面左倾为正，右倾为负；③水平面左旋为正，右旋为负。

图1 脊椎角及胸部角设定

1.3 测试方法

首先确定坐标系，本研究设定左右(冠状轴)方向运动为 X 轴，前后(矢状轴)方向运动为 Y 轴，上下(垂直轴)方向运动为 Z 轴，根据测试对象的身高以及动作的运动范围对10个镜头的高度、角度进行调整，使其运动区域处于镜头的中间位置。测试前关好门窗，拉好窗帘，防止外界光线射入，清除室内一切发光的物体，避免外来的发光点对采集数据的干扰。调整室内温度25℃～28℃。

受试者脱鞋袜，更换实验专用的紧身衣裤，防止衣物对反光点遮挡。由测试人员告知受试者此次实验流程、注意事项、完成测试的要求，并训练2次，使受试者熟悉测试过程。

开启Vicon三维运动捕捉测试系统，测量受试者身高、体质量、肩峰端与肩关节活动中心之间距离、左右下肢长度（髂前上棘到内踝的距离）、左右膝宽(膝内侧与外侧之间的距离)、左右踝宽（内外踝之间的距离）、左右肘宽（肘内外侧宽度）、左右腕宽（腕关节内外侧宽度）、掌厚（手掌掌骨最厚部位厚度）。将测量的这些形态学数据输入电脑已建立的受试者基本信息中，然后使用14 mm标记球进行体表标记，为了减少操作过程的系统误差,标记点的粘贴由实验室的专人进行，并严格按规定的部位贴，共39个标记点，标记位置如下（图2）。头部（4 个）：右头前（RFHD）、右头后（RBHD）、左头前（LFHD）、左头后（LBHD）。躯干（5 个）：胸骨柄上端(CLAV)、胸骨柄下端(STRN)、第 7 颈椎(C7)、第 10 腰椎(T10) 、右肩胛骨中部(RBAK)。上肢（共14 个，左右侧各 7 个）：右肩峰端（RSHO）、右上臂（RUPA）、右肘关节(RELB)、右前臂(RFRA)、右腕关节外侧(RWRA)、右腕关节内侧(RWRB) 、右手背近第二掌骨头(RFIN)、左肩峰端(LSHO)、左上臂（LUPA）、左肘关节(LELB)、左前臂(LFRA)、左腕关节外侧(LWRA)、左腕关节内侧(LWRB)、左手背近第二掌骨头(LFIN)。骨盆（4 个）：右髂前上棘（RASI）、右髂后上棘(RPSI)、左髂前上棘(LASI)、左髂后上棘(LPSI)。下肢（共12 个，左右侧各 6 个）：右大腿(RTHI)、右膝关节(RKNE)、右小腿(RTIB)、右踝关节(RANK)、右足跟(RHEE)、右脚趾(RTOE)、左大腿(LTHI)、左膝关节(LKNE)、左小腿(LTIB)、左踝关节(LANK)、左足跟(LHEE)、左脚趾(LTOE)。

图2 Vicon三维运动捕捉系统39个体表标记点示意图

测试由受过训练和有丰富临床经验的技师进行。嘱受试者抬头挺胸、眼睛平视前方，保持标准站立姿势，建立Vicon三维运动捕捉静态模型。然后告诉受试者按照平时习惯行走方式及速度在长9 m的测试区域上直走，保证行走过程中每只脚分别踏在1块测力台上，往返3次。从动态采集中选取图像质量好且行走姿态自然的数据进行处理，每人取1次行走中测力台上的1个步态周期进行分析。

1.4 主要观察指标

主要观察指标有时间距离因子、脊椎角度、脊椎角速度和角加速度、胸部角度、胸部角速度和角加速度、腰部受力、腰部功率。

1.5 统计学分析

采用SPSS 13.0统计软件进行数据分析。计数资料以百分比表示，两组间比较采用 Fisher 确切概率法；计量资料比较采用独立样本均数t检验，正态分布的计量资料以x±s表示，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 时间距离因子

实验组和对照组自然行走中时间距离因子见表2。实验组患者在行走中步长、步幅、步速均较对照组减小，两组差异有统计学意义（P＜0.05）。

表2 两组受试者自然行走中时间距离因子比较

2.2 脊椎角度

在整个步态周期中，实验组患者脊椎一直处于前屈状态，前屈平均角度约9°，前屈最大角度约10°；活动范围较小，矢状面最大活动范围约2°。实验组脊椎屈曲角度平均值、角度峰值均较对照组增大，两组差异有统计学意义(P＜0.05)；实验组脊椎矢状面最大活动范围较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表3）。

表3 两组受试者脊椎屈曲角度和最大活动范围比较/°

实验组与对照组患者在步态周期中脊椎均进行了左倾右倾运动，左右倾的运动趋势基本一致。但实验组脊椎倾斜角度峰值和冠状面最大活动范围均较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表4）。

表4 两组受试者脊椎倾斜角度和最大活动范围比较/°

实验组与对照组患者在步态周期中脊椎均进行了左旋右旋运动，左右旋转的运动趋势基本一致。实验组与对照组患者旋转角度平均值、峰值及水平面最大活动范围均无统计学差异（P＞0.05）（表5）。

表5 两组受试者脊椎旋转角度和最大活动范围比较/°

2.3 脊椎角速度和角加速度

在整个步态周期中，实验组脊椎角速度较对照组减慢。实验组脊椎角速度平均值和峰值均较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表6）。

表6 两组受试者脊椎角速度比较/rad·s-1

在整个步态周期中，实验组脊椎角加速度波幅基本低于对照组，且脊椎角加速度较对照组减慢。实验组脊椎角加速度平均值和峰值均较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表7）。

表7 两组受试者脊椎角加速度比较/rad·s-2

2.4 胸部角度

在整个步态周期中，实验组患者胸部一直处于前屈状态，前屈幅度较大，前屈平均角度约25°，前屈最大角度约27°。实验组胸部屈曲角度平均值和峰值均较对照组增大，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表8）。

表8 两组受试者胸部屈曲角度和最大活动范围比较/°

实验组与对照组在步态周期中胸部均进行了左倾右倾运动，左右倾的运动趋势基本一致。但实验组胸部倾斜角度平均值较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表9）。

表9 两组受试者胸部倾斜角度和最大活动范围比较/°

在整个步态周期中，实验组与对照组患者进行了左旋右旋运动，左右旋转的运动趋势大部分一致。但实验组胸部旋转角度峰值和水平面最大活动范围均较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表10）。

2.5 胸部角速度和角加速度

在整个步态周期中，实验组胸部角速度较对照组减慢。实验组胸部角速度平均值和峰值均较对照组减小，两组差异有统计学意义（P＜0.05）（表11）。

在整个步态周期中，实验组胸部角加速度较对照组减慢。实验组胸部角加速度平均值和峰值均较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表12）。

表12 两组受试者胸部角加速度比较/rad·s-2

2.6 三方向腰部受力

实验组与对照组患者在步态周期中X轴方向腰部受力基本一致。两组在步态周期中X轴方向腰部受力平均值和峰值无显著性差异(P＞0.05)（下页表13）。

表13 两组受试者X轴方向腰部受力比较/N·kg-1

实验组与对照组患者在步态周期中Y轴方向腰部受力基本一致。两组在步态周期中Y轴方向腰部受力平均值和峰值无显著性差异(P＞0.05)（表14）。

表14 两组受试者Y轴方向腰部受力比较/N·kg-1

实验组与对照组患者在步态周期中Z轴方向腰部受力基本一致。两组在步态周期中Z轴方向腰部受力平均值和峰值无显著性差异(P＞0.05)（表15）。

表15 两组受试者Z轴方向腰部受力比较/N·kg-1

2.7 腰部功率

在步态周期中，实验组腰部功率平均值较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表16）。

表16 两组受试者腰部功率比较/W

3 讨论

3.1 时间距离因子

腰椎小关节紊乱症患者由于腰部疼痛，腰部活动受限，导致步行能力降低，步态异常。本研究显示，腰椎小关节紊乱症患者在行走中步长、步幅、步速均较正常人减小，实验组与对照组差异有显著性意义（P＜0.05）（表2）。这些数据进一步说明了腰椎小关节紊乱症患者具体病情及全身的健康状况，为临床医生准确评估病情、决定治疗时间等提供了重要参考依据。

3.2 脊椎角度

腰椎小关节紊乱症患者多既往有腰扭伤病史，不良体位或姿势突然变化引起腰椎关节突关节轻微旋转或侧方移位，致使脊柱小关节发生错位、滑膜嵌顿，最终导致血管、神经及周围组织损伤等，患者临床多表现为腰部疼痛，腰部僵直，伴活动受限，严重者疼痛可向臀部、大腿放射[12]。因此，腰椎小关节紊乱症患者在步行过程中脊椎保持前屈僵硬状态，活动度减小。该类患者通过前屈固定，活动范围减小来缓冲足刚着地时的冲力，减轻步行过程中产生的疼痛，有效补偿腰椎关节功能失常，增加步行过程中腰部的稳定性。

3.3 脊椎角速度和角加速度

人体运动过程中脊椎角速度和角加速度能反映腰部关节的运动能力[13]。本研究显示，在整个步态周期中，实验组脊椎角速度平均值、峰值和角加速度平均值、峰值均较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表6、7）。这说明腰椎小关节紊乱症患者腰部运动能力有一定程度受限，腰部生物力学性能较正常有所减弱。

3.4 胸部角度

腰椎小关节紊乱症患者胸部角度变化基本与脊椎角度变化一致（前屈角度增大、活动度减小）。胸腰部倾斜旋转过大会改变躯干内部结构，直接增加脊柱载荷，加重腰部疼痛和损伤。因此，腰椎小关节症紊乱患者行走过程中胸腰部保持前屈僵硬状态，倾斜、旋转幅度及最大活动范围减小，以减轻步行过程中产生的疼痛，增加步行过程中的稳定和平衡。

3.5 胸部角速度和角加速度

腰椎小关节紊乱症患者胸部角速度、角加速度变化与脊椎角速度、脊角加速度变化一致（角速度和角加速度减慢）。运动速度被认为是影响脊柱胸腰部载荷的重要因素，快速运动会增加胸腰部骨肌系统损伤的风险[14-15]。患者可能害怕再次腰部损伤和疼痛加重，采取强迫体位，减少活动或运动速度减慢。这说明腰椎小关节紊乱症患者行走过程中胸腰部活动受到明显限制，人体运动能力下降。

3.6 三方向腰部受力

腰部三方向受力是由Vicon 三维运动捕捉系统自带软件通过足底三方向反作用力逆动力学法计算所得。行走过程中，主要是双下肢受力较大，腰部受力较小，所以实验组患者在步态周期中三方向（X轴、Y轴、Z轴）腰部受力与对照组无显著性差异。

3.7 腰部功率比较

功率表示作用在物体上的力与物体在力的方向上运动的速度的乘积。功率还指物体在单位时间内所做功的多少,即功率是描述做功快慢的物理量[16]。本研究显示，实验组患者在步态周期中平均腰部功率较对照组减小，两组差异有统计学意义(P＜0.05)（表16）。这提示实验组患者在步态周期中腰部受力较小或腰部运动速度较慢，腰部所做的功较少。这可能的原因：①腰椎小关节紊乱症一般均为遭受间接暴力所致，椎体间小关节受到过度牵拉扭转致使小关节解剖关系发生微小改变，腰椎小关节半脱位，小关节滑膜嵌顿，肌肉受到卡压、收缩无力；②患者腰部软组织血管以及神经功能受到创伤，腰部剧烈疼痛限制了腰部运动[17]；③患者自身调节后采取的一种保护性机制。

综上所述，本研究采用先进的英国Vicon三维运动捕捉系统定量分析患者腰部的运动学、动力学等指标，得出腰椎小关节紊乱症患者存在明显的生物力学特征性变化。而这些生物力学的特征性改变可能是影响病情的重要因素，根据这些理论数据，可客观上把握腰椎小关节紊乱症患者病情，为患者诊治提供重要的参考依据。