基于OpenSim的腹内压与腰椎负荷耦合仿真探讨防治下腰痛病症的较佳步行和跑步速度

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1目的:构建一个含有腹内压模块的Opensim全身肌肉-骨骼模型,并通过该模型探讨腹内压正常与偏低情况下6种运动模式(慢走、快走、2-5m/s跑步)中的腰髋部生物力学特征以及负荷代偿机制的差异性,从而为判断较佳的下腰痛防治训练手段提供指导。2方法:基于Open Sim软件的建模功能,修正Raabe全身模型的部分关节参数,添加腹内压模块,构建包含纵向腹内压等效力的全身肌肉-骨骼模型;在改进后的模型的基础上,输入6种运动模式(1.2m/s步行、1.8m/s步行、2m/s跑步、3m/s跑步、4m/s跑步与5m/s跑步)的运动学数据,进行动态仿真;对原始的肌电数据进行滤波、标准化处理,并将仿真计算出的肌肉激活度与肌电数据进行对比,从而初步验证模型的可靠性;调节模型腹内压等效力后再次仿真,对不同腹压条件、不同运动模式的腰椎间盘与腰髋部肌群的峰值负荷进行差异分析。3结果:腹内压正常状态时,跑步时维持躯干前倾稳定性的后伸肌群(竖脊肌、臀大肌)的募集程度要高于步行:2-5m/s跑速时的局部竖脊肌激活度峰值分别为47.1%、64.8%、94.2%、100%,高于快速与慢速步行时的43.3%与23%,2-5m/s跑速时的局部臀大肌激活度峰值分别为64.1%、88%、100%、98.7%,高于快速与慢速步行时的37.6%与30.7%;跑步时腰椎深层稳定性肌群(腰方肌、多裂肌)的募集程度也要高于步行:2-5m/s跑速时的局部腰方肌激活度峰值分别为3.5%、4.8%、6.6%、12.9%,高于快速与慢速步行时的2.7%与1.8%,2-5m/s跑速时的局部多裂肌激活度峰值分别为11.9%、16.2%、22.4%、37.8%,高于快速与慢速步行时的5.6%与3.1%。与之相匹配的是,跑步(>80%)运动产生/所需的腹内压远高于步行(<20%):2-5m/s跑速时平均腹内压模块的峰值激活度分别为82.8%、98.6%、100%、100%,远高于快速与慢速步行时的19.8%与12%。跑步时的腰椎间盘负荷水平整体高于步行:3-5m/s跑速时的平均椎间盘轴向压缩力峰值分别为1388N、1559.7N、1733.9N,超出了较佳的椎间盘轴向负荷范围的上限(300-1200N),但快走(379.7-1152.3N)与2m/s慢跑(245.4-1218.2N)运动产生的腰椎间盘负荷水平相似,且符合较佳的椎间盘轴向受力范围(300-1200N)。去除腹内压模块后,跑步时的腰椎间盘负荷水平依然整体要高于步行;不过,跑步(>35%)运动的腰椎间盘轴向负荷增加率远高于步行(<10%):快走时的腰椎间盘轴向负荷增加率仅为6.4%(升至1231.1N),负荷水平仍较佳,而2m/s慢跑则增长了36.2%(升至1908.4N),远超于最佳椎间盘负荷上限(300-1200N)。4结论:4.1跑步对于维持腹内压的相关肌群的激活度要远高于步行,对其有较佳的锻炼效果,但对于腹内压的依赖性也要远高于步行,若腹内压不足易造成其它肌肉-骨骼组织更多的代偿。4.2对于正常人预防LBP,慢跑(2m/s)训练似乎是较好的运动方式。4.3对于LBP患者的康复,快走(1.8m/s)运动似乎是较好的干预手段,同时推荐辅以一些腰髋部训练与腹内压训练,来弥补相对于慢跑,快走对腰髋部及深层核心肌群激活所存在的不足。
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