脊髓损伤康复中的 生物力学分析主讲人：荣湘江中国康复医学会理事 “中国康复医学杂志”编委 中国康复医学会康复治疗专业委员会常委 首都体育学院康复教研室主任 首都体育学院康复实验室主任 一. SCI生物力学分析的发展 二. 脊髓损伤的生物力学分析 三. SCI患者日常行为的生物力学分析 四. SCI患者运动康复策略的调整 五. 结论与展望一. 生物力学分析的概念与发展 脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）是由于各种 原因引起的脊髓结构和功能损害，造成损伤水平 以下脊髓功能障碍，导致正常运动、感觉和自主 功能改变的损伤性疾病。随着现代化生活水平的 提高以及现代交通事业和工矿业的发展，脊髓损 伤的发病率呈逐年上升趋势 。 近年来，生物力学现代测量技术迅速发展，以三 维动态测力、三维摄像、多道机电测量以及它们 之间的同步测量技术为标志，大大提高了系统的 测量精度。surface electromyogram, SEMG测试 系统的发展为人体三维运动的立体分析提供了可 靠、便捷的研究技术， 对于脊髓损伤中生物力学的研究可明确损伤机制 并指导康复治疗。二. 脊髓损伤的生物力学分析 脊柱损伤常累及脊髓,脊髓损伤通常是由于椎体撞 击充满液体的硬膜囊,进而压缩其内部结构而产生 。这一损伤过程的速度及持续时间主要取决于机 械创伤的能量通过由硬膜、蛛网膜、蛛网膜小梁 及软膜所组成的复杂膜系统和脑脊液的传导。目 前脊髓损伤的生物力学研究主要侧重于用动物模 型模拟损伤过程，分析受力及相应病理生理改变 。 1.撞击模型使用质量恒定的重物从不同高度坠落撞击脊髓造 成损伤，分析了生物力学参数与脊髓功能损害程 度之间的关系,发现冲量能有效测量致伤力的综合 效应和持续时间,是预测损伤后功能损害的最佳参 数，而在损伤最严重部位,残余的灰、白质与重物 下落的高度呈负相关。2.压迫模型 压迫损伤模型可对有关参数分别控制,又避免了撞 击后重物在硬膜上的反弹,因此这类模型也有其重 要的应用价值。气囊撞击模型研究撞击速率对脊 髓损伤后神经学和组织病理学的影响,结果表明损 伤后即刻严重的功能丧失和继发症状的恢复程度 与撞击力大小和撞击程度之间有明显相关性。三. SCI患者日常行为的生物力学分析 在中枢神经系统中，存在许多不同类型的运动控 制理论和运动神经元募集模式，运动模式可能表 现出多样性。在SCI后，由于部分肌肉失去神经 支配，该现象则变得更加复杂和模糊。 因此，许多对SCI患者日常动作的生物力学研究 就是围绕这一问题进行，并多为针对上肢运动的 研究。研究表明，SCI患者可利用与正常受试者 不同的残存肌活动模式来完成日常动作，提示神 经系统能够选择肌肉募集模式。运用生物力学技 术分析SCI患者如何通过改变运动策略和肌肉募 集模式来代偿运动功能的残损以完成日常动作， 对指导患者进行有效的康复训练有重要意义。针对SCI患者上肢运动的生物力学分析研究发现SCI水平会明显影响轮椅驱动过程中肩部 肌肉的摹集模式。在57例损伤水平不同的男性 SCI患者在下压抬举动作中肩部肌肉的机电活动 ，发现在截瘫和C7水平SCI的四肢瘫患者中，背 阔肌、胸大肌胸骨部和肱三头肌的活动水平较高 ；与截瘫组相比，四肢瘫组肱三角肌前部的活动 明显增加；与低位截瘫组相比，四肢瘫组冈下肌 的活动也明显增加。这提示损伤水平不同，肩部 肌肉的动员情况就有所不同，表明SCI水平是影 响SCI患者运动模式多样性的一个重要因素。 康复训练可降低SCI患者运动模式的多样性，尤 其是运动学方面的差异 。 研究发现，同一项运动任务的重复练习，可以提 高SCI患者动作完成的成绩，表现为运动速度和 动作完成的精确程度的改善。 提示运动任务的完成是一项习得技术，即通过反 复的练习，可使SCI患者肌电活动的变化与正常 人之间的差异减小。强调了加强康复训练对改善 SCI患者运动功能障碍，提高其功能独立性的重 要性。四. SCI患者运动康复策略的调整 根据日常行为模式的生物力学分析，在SCI患者 的日常康复训练中，适当调整运动训练康复的策 略，具有重要的临床意义，主要集中在几个对日 常生活影响较大的动作上，包括伸手触摸、抬举 、转移、步行和驱动轮椅等。 4.1 伸手触摸 研究发现，SCI患者利用与正常受试者相似的球 形运动模式来完成伸手触摸动作，但在该动作中 仅动员肩部在各方向的主动肌，而正常受试者的 触摸动作则是一个包含肩、肘、腕各个关节的相 互运动模式。 这可能是因为SCI患者躯干的控制能力较差，导 致其肩峰位移幅度不像正常人那样可以随着目标 位置支持状况的变化而发生相应较大的变化。 这些研究结果提示，在康复训练重要注意加强肩 部肌肉的力量训练以及躯干和上肢运动的协调性 。 4.2 抬举 研究发现，四肢瘫受试者倾向于选择从直立位或 前屈位抬起身体，并认为前屈位可使支撑躯干的 垂直臂力最大化。但由于该体位可能破坏身体平 衡，部分受试者并不采用。 另有研究表明，肱三头肌瘫痪的C5和C6水平SCI 的四肢瘫患者通过产生主动或被动的肩、肘、腕 屈曲运动及肩内收运动来实现自身抬举， 通过上 肢的屈曲运动而非伸展运动来获得伸肘和支撑体 重的能力。 4.3 转移 对SCI患者转移策略的研究发现：从正面观，大 部分肱三头肌力量较弱的SCI患者往往采用旋转 转移策略，其特点是在转移的侧位移相中，头与 骨盆的移动方向相反；而肱三头肌力量较强的患 者则采用平移策略，其在整个转移的动态相中， 头和髂骨的标志点有相似的侧面轨迹。 从侧面观，SCI患者有上举和前屈两种转移运动 模式。 4.4 步行 与正常受试者相比，SCI患者的步行周期延长， 支撑相膝关节屈曲活动度增加，支撑相和摆动相 髋关节屈曲活动度增加 。 SCI患者步行测试中，速度提高时是患者通过有 限地增加其步长来达到的，而并非是进一步增加 步频的结果。 所有的SCI患者均能通过调整其运动模式来完成 障碍步行，并且采用的都是不同于正常受试者的 运动策略。这种差异可能与SCI患者越过障碍物 时髋屈曲幅度增加不足有关。 4.5 驱动轮椅 研究表明，中-低位和后-低位可能是较好的轮椅 驱动位置。 提示在对肩部要求较高的快速机标准轮椅驱动动 作中，主要的前驱相肌肉（胸大肌和三角肌前部 ）肌电活动的减小可能减少肩部肌肉疲劳和损伤 的机会。这些发现对我们改善轮椅设计、指导患 者选择适合自己的轮椅及进行合理的轮椅训练提 供了有益的帮助。 4.6 长坐 发现SCI患者在长坐时骨盆后倾，腰椎前凸幅度 较小，并将双臂伸展放在大腿上，其压力中心的 分布模式明显不同。由于上肢的支撑功能可能影 响SCI患者长坐过程中的平衡，因此在康复训练 中因受到重视。 4.7 伸肘动作的代偿方式 研究发现C5-6水平SCI的四肢瘫患者通过产生较 大幅度的肩屈曲和较小幅度的腕屈曲运动来稳定 屈曲的肘关节并实现负重，肩和腕分别在上臂近 端和前臂远端起作用，使上臂和前臂部分旋转以 形成两者之间的适当关系。 一般认为，肩胛带的压缩在C5-6水平SCI的四肢 瘫患者的伸肘抬举动作中起关键作用，另有学者 研究发现，C5-6水平SCI的四肢瘫患者还可利用 臂的惯性以及指长屈肌的肩腱效应（即通过腕关 节的主动背屈来获得被动指屈）来弥补腕屈肌的 功能缺失，以实现伸肘抓握。五.结论与展望 综上所述，迄今为止，运用现代生物力学测量技术来分析 脊髓损伤预后以及SCI患者的日常动作已经取得了许多有 临床价值的研究成果，为康复医师和治疗师掌握SCI患者 运动功能障碍的特点及制定合理的康复治疗方案提供了有 益的帮助，对于帮助SCI患者利用残余能力进行日常生活 及康复治疗都有重要的意义。但仍有许多问题有待于进一 步研究和探讨。由于这类研究设备比较昂贵，使其在SCI 康复领域中的应用受到了一定的限制，因而需要广大康复 医学工作者继续努力，通过加强学科之间的合作将先进的 生物力学测量方法和技术应用到SCI及其他神经系统或运 动系统疾病的康复评定和治疗领域，以取得更多有价值的 研究成果。 谢谢！