系统性椎间运动参数化对体内脊柱生物力学评估的重要性

《Annals of Biomedical Engineering》：Importance of a Systematic Intervertebral Motion Parametrization for in vivo Assessment of Spine Biomechanics

本研究针对青少年特发性脊柱侧凸（AIS）手术决策依赖几何参数而非生物力学特性的现状，提出一种基于机器人刚性体树模型的6自由度椎间运动参数化方法。通过分析术前与术中功能脊柱单元（FSU）参考位姿差异，揭示不同关节坐标系定义对虚拟运动结果和所需外力矩的显著影响（位移差异达0.38 mm，旋转差异达24.19°）。该框架为机器人辅助体内脊柱加载实验提供了标准化运动参数化方案，有望提升术中生物力学数据可比性与安全性。

　　

青少年特发性脊柱侧凸（AIS）的矫正手术长期依赖静态几何参数（如Lenke分型）和外科医生经验，缺乏对脊柱动态生物力学特性的量化评估。尽管体外脊柱加载模拟器（SLS）已用于研究功能脊柱单元（FSU）的负载-位移行为，但其结果受关节坐标系（JCS）定义不统一、实验装置对齐误差等因素限制，难以直接应用于术中实时评估。更棘手的是，AIS患者椎体常存在不对称变形，进一步增加了精准定义运动轴的难度。若能在术中直接测量FSU的力学响应，将为个性化手术方案制定提供关键依据，但现有手动操作工具存在重复性差、方向控制不精确等风险。

为此，瑞士巴塞尔大学等机构的研究团队在《Annals of Biomedical Engineering》发表研究，提出一种系统性椎间运动参数化方法，旨在为机器人辅助体内脊柱加载实验建立标准化运动描述框架。研究通过分析AIS患者术前CT与术中C臂CT数据，量化了FSU位姿变化对虚拟运动及外力矩需求的影响，并验证了不同JCS定义方式的优劣。

关键技术方法

研究基于一例16岁女性AIS患者的T5-L1节段影像数据，通过6个椎体标志点（聚焦椎体与椎弓根）建立椎体坐标系，并构建包含虚拟6自由度关节的刚性体树模型。通过迭代最近点（ICP）算法配准术前与术中椎体位置，计算椎体位姿差异（平移3.02–3.21 mm，旋转15.18°–28.34°）。进一步对比两种JCS定义方式：单亲坐标系（仅参考尾椎方向）与双亲坐标系（通过球面线性插值融合头尾椎方向），评估其在不同FSU参考位姿（术前/术中）下对虚拟运动（平移±1–3 mm，旋转±5°–15°）及外力矩（力±5–15 N，扭矩±5–10 Nm）的影响。

研究结果

1. 椎体位姿变化对运动参数化的影响

术前至术中FSU位姿变化导致头椎位置偏移达3.21 mm，旋转差异达28.35°。当基于不同参考位姿（术前vs.术中）执行相同虚拟运动时，单亲坐标系下纯弯曲运动（如轴向旋转15°）引发头椎位置差异最大达0.42 mm；双亲坐标系下则同时产生位置差异（0.38 mm）与旋转差异（24.19°），表明FSU初始状态对运动输出具有显著影响。

2. JCS定义方式对外力矩需求的差异

在单亲坐标系下，纯平移实验的力需求无差异，但因杠杆效应扭矩误差达1.12 mNm（占7.25%）；双亲坐标系下，相同平移运动（如前后平移2 mm）的力误差达0.94 N（13.43%），扭矩误差达0.05 Nm（34.97%）。纯弯曲实验中，双亲坐标系因初始位姿偏移产生额外扭矩误差（如侧屈10°时达0.95 Nm），而单亲坐标系无此问题，但可能因方向偏离生理轴引发安全隐患。

结论与意义

本研究首次提出适用于机器人体内脊柱加载的FSU运动参数化标准框架，明确双亲坐标系能更全面反映不对称椎体的生理运动轴，但其对初始位姿变化敏感；单亲坐标系虽简化计算，却可能掩盖方向偏差风险。作者建议在术中以双亲坐标系定义JCS，并基于实时影像更新FSU平衡位姿，以确保阻抗与导纳控制模式下的运动精准性与安全性。该框架为未来机器人辅助脊柱生物力学测量提供了可重复、可比较的数据基础，有望推动AIS手术从经验依赖向量化生物力学决策转型。