疲劳诱导L4-S1椎间盘生物力学解耦：慢性腰痛椎间盘退变的机制研究

《BMC Musculoskeletal Disorders》：Fatigue-induced biomechanical decoupling at L4-S1 discs: mechanism of disc degeneration in chronic low back pain

本研究针对慢性腰痛(CLBP)患者椎间盘退变的生物力学机制，通过双荧光成像系统(DFIS)和计算形态计量学技术，定量分析疲劳负荷前后L1-S1节段特异性椎间盘运动学、高度变化和应变模式。研究发现CLBP患者L5/S1节段在疲劳后出现椎间盘高度显著降低、压缩应变增加和剪切应变消散能力受损的特征性"高压缩-低剪切"表型，揭示了腰骶交界区在负荷下的特殊易损性，为CLBP的早期诊断和靶向治疗提供了生物力学依据。

　　

慢性腰痛(CLBP)作为全球致残的首要原因，其发病机制与腰椎间盘退变密切相关。尽管临床研究一致表明椎间盘退变是CLBP的重要病因，但关于退变椎间盘在体负荷下的动态变形机制，特别是疲劳状态对椎间盘生物力学行为的影响，至今仍不明确。现代生活方式中常见的长时间不良姿势（如久坐、弯腰搬运）会加速椎间盘退变和肌肉劳损，而竖脊肌疲劳又会削弱脊柱稳定性，形成"肌肉-椎间盘"恶性循环。然而，由于技术限制，以往研究多采用离体模型或侵入性测量方法，难以真实反映在体生理负荷下椎间盘的动态变形特征。

为填补这一知识空白，席鑫等人发表在《BMC Musculoskeletal Disorders》的研究，创新性地采用双荧光成像系统(DFIS)结合计算机断层扫描(CT)技术，对29名CLBP患者和24名无症状对照者进行了疲劳负荷前后的在体生物力学分析。研究通过量化体重bearing屈伸运动中L1-S1节段的椎间盘运动学、高度变化和应变模式，系统揭示了CLBP患者腰骶椎的独特生物力学响应特征。

研究采用了几项关键技术方法：通过双荧光成像系统(DFIS)动态捕捉体重bearing状态下从最大背伸到约45°屈曲的腰椎运动序列；利用基于仰卧位CT扫描的验证几何变形模型量化L1-S1节段椎间运动学；采用计算形态计量学和运动学对应跟踪计算椎间盘高度变化和应变（轴向和剪切）；所有参与者来自同济医院脊柱外科临床队列，通过标准化疲劳方案（重复弯腰搬运任务）诱导肌肉疲劳至Borg量表17级。

Intervertebral disc morphological characteristics in different postures

研究发现椎间盘形态学改变呈现明显的节段特异性。在L4/L5节段，CLBP患者基线椎间盘高度显著低于对照组(p<0.05)，提示该节段存在早期退变易感性。而在L5/S1节段，CLBP组在疲劳负荷后所有姿势下均出现椎间盘高度显著降低(p<0.01)，这种变化在对照组中未观察到。相比之下，上腰椎节段(L1-L3)在两个组别中均保持相对稳定的力学特性，不受疲劳影响。

Intervertebral disc strain distribution patterns

应变分析揭示了更为精细的节段依赖性生物力学改变。在约45°屈曲姿势下，两个组别从L4到S1的椎间盘均表现为后部拉伸应变和前部压缩应变。然而疲劳后，CLBP患者在L5/S1节段发展出独特的应变模式，表现为高压缩应变和剪切应变降低。更广泛地说，CLBP患者的疲劳负荷导致L4-S1节段剪切应变消散能力受损和压缩应变积累。

在中立位时，CLBP组呈现前部拉伸应变和后部压缩应变共存的特征，而L4/5和L5/S1节段的压缩应变幅度显著增加(占椎间盘厚度的20-50%)，且剪切应变幅度明显减少。最大背伸时，CLBP组L5/S1节段的压缩应变显著增加(占椎间盘高度的20-30%)，而剪切应变幅度较无症状组降低。

研究结论表明，L4-S1椎间盘特别是L5/S1节段在CLBP患者中表现出明显的生物力学易损性，其特征是压缩应变增加和剪切应变再分布能力降低。这种"高压缩-低剪切"表型与椎间盘退变的生物力学"恶性循环"假说一致：下腰椎节段(L4-S1)的粘弹性丧失触发相邻节段(如L3/L4)的代偿性负荷重分布，建立"退变-代偿-进一步退变"的退化循环。病理性的剪切和压缩应变解耦——退变椎间盘中剪切消散能力降低——在关键的终板-髓核界面集中压缩应力，这为结构性损伤（如终板微骨折、软骨下硬化）提供了合理的生物力学机制。

该研究首次在体证实了CLBP患者L4-S1椎间盘存在疲劳诱导的生物力学解耦现象，为理解椎间盘退变的生物力学机制提供了新的视角。研究结果支持节段特异性生物力学评估在识别早期退变改变方面的价值，并为CLBP中靶向负荷管理策略的制定提供了依据。未来研究需要整合MRI退变分级，进一步阐明退变严重程度如何调节疲劳条件下的椎间盘生物力学行为。