四种患者体位下侧方腰椎椎间融合术的外科医生工效学:一项使用动作捕捉和肌电图的初步可行性模拟研究

Surgeon Ergonomics of Lateral Lumbar Interbody Fusion Across Four Patient Positions: A Proof-of-Concept Simulation Study Using Motion Capture and Electromyography

作者信息Philip K Louie, Anthony Y Jeong, Renzo A Laynes, Mir Amaan Ali, Kento Yamanouchi, Kenneth T Nguyen, Jean-Christophe Leveque, Venu M Nemani, Aiyush Bansal
PMID42948921
发布时间2026-10-28
DOI10.1177/21925682261501085

实验完整度

高

含模拟模型体外实验、5名外科医生多体位对照、动作捕捉与表面EMG同步记录,并有分阶段和统计验证

主要模型

合成脊柱模拟模型 5名右手优势男性脊柱外科医生 四种LLIF手术体位模拟

重点核对

四种体位在每个外科医生内随机排序,每名外科医生在同一场次内依次完成四种体位 每名外科医生均从同一侧接近椎间隙,手优势与接近侧关系保持恒定 全身动作捕捉使用17传感器惯性系统(Xsens MVN Analyze,23节段),采样率60 Hz 表面EMG使用16通道(Delsys),采样率2148 Hz,电极置于8对肌肉 记录按暴露、扩张与牵开器置入、椎间盘切除、试模与植入物置入四个手术阶段分割

摘要

研究设计 基于模拟的初步可行性生物力学试点研究。 目的 比较四种侧方腰椎椎间融合术(LLIF)体位下的外科医生姿势和肌肉活动,并按总体工效学负担对其进行排序。 方法 五名右手优势的脊柱外科医生(病例量15至500例以上)分别在四种体位下于合成模型上模拟单节段LLIF,其中三种采用直视(侧卧位、俯卧坐位、俯卧侧方),一种采用摄像头和监视器(俯卧摄像头位)。同时记录全身动作捕捉和表面EMG,按手术阶段分析,并按外科医生汇总。 结果 颈部屈曲强度在侧卧位最大,在各俯卧位均较低,五名外科医生的排序一致(精确Friedman p=3.0e-06,Kendall W=1.00)。手臂抬高在俯卧坐位最高。在姿势和肌肉活动的四项汇总指标中,俯卧摄像头位在每名外科医生中均为最有利体位,其余体位则随指标不同而重新排序。所有体位均评分为中至高风险。如该样本量所预期,未有两两体位比较达到校正后显著性。 结论 LLIF中的患者体位似乎不改变患者结局,但改变手术对外科医生造成的代价。无论病例量或偏好如何,侧卧位在每名外科医生中均使颈部负荷增加,俯卧坐位使肩部负荷增加,而俯卧摄像头位总体上最有利。外科医生可通过体位和布置减少暴露,当患者结局无法区分不同布置时,工效学提供了客观比较布置的方法。这些是在五名外科医生中获得的初步可行性发现,需要在更大样本中确认。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
四种LLIF患者体位(侧卧位、俯卧坐位、俯卧侧方、俯卧摄像头位)如何影响外科医生姿势和肌肉活动,能否据此按总体工效学负担排序?
核心机制
侧卧位需持续向下注视侧方手术野,导致颈部屈曲负荷最大;俯卧坐位需越过俯卧手术野向上伸手,导致手臂和肩部抬高最大;俯卧摄像头位通过抬高的监视器观看牵开器-mounted摄像头,可同时保持低颈部屈曲和低肩臂负荷,故总体最有利。
主要证据
五名外科医生在合成模型上模拟单节段LLIF,同步动作捕捉和表面EMG显示颈部屈曲强度在侧卧位最大且五名外科医生排序一致(Friedman p=3.0e-06,Kendall W=1.00),手臂抬高在俯卧坐位最高,俯卧摄像头位在四项汇总指标及综合评分中均为最有利(综合排名1.78,Kendall W=0.74)。
研究意义
文献指出患者体位在LLIF中不改变患者结局但改变外科医生的身体暴露,工效学为患者结局无法区分布置时提供了客观比较依据;作者提出需在更大样本的前瞻性临床研究中确认这些初步可行性发现。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立模拟实验与四种体位

在标准化条件下比较四种LLIF体位对外科医生工效学的影响

五名右手优势男性脊柱外科医生在手术技能实验室的单个合成脊柱模拟模型上,依次完成四种体位的单节段经腰大肌LLIF操作动作,每种体位均从同一侧接近椎间隙,由洗手技师模拟器械传递;四种体位顺序按外科医生随机化

2

同步动作捕捉与表面肌电记录

连续量化外科医生全身姿势和肌肉活动

使用17传感器惯性动作捕捉系统记录全身运动学,同时通过动作捕捉软件的EMG插件记录16通道表面EMG;电极双侧置于胸锁乳突肌、C4椎旁、上斜方肌、肱二头肌、肱三头肌、前臂屈肌、前臂伸肌和腰椎椎旁肌;站立中立位校准后重建运动学,两种记录共享同一时间基准

3

按手术阶段分割记录

按手术阶段计算工效学指标

使用秒表记录的起止时间将每段记录分为暴露、扩张与牵开器置入、椎间盘切除、试模与植入物置入四个连续阶段,按阶段及全手术计算指标

4

计算运动学与EMG工效学指标

量化各体位的姿势负荷和肌肉负荷

对头颈、躯干和双侧上臂抬高计算关节角度,并计算肘、腕、膝节段角度;每个关节、体位和阶段计算强度(偏离中立位的平均绝对偏差)、峰值、累积关节角度(绝对角度的时间积分,度·分钟)和各风险带时间占比;EMG经20至450 Hz带通滤波、陷波滤波并转换为100 ms RMS包络,计算平均和峰值幅度、静态水平(幅度分布第10百分位)、累积EMG和中位频率斜率

5

REBA与RULA全身风险评估

用观察性工效学工具评估整体姿势风险

根据同步惯性记录逐帧提取关节角度输入(躯干、颈部、上臂、前臂和右侧操作手手腕),分类输入(轻器械负荷、一般耦合、持续静态肌肉使用、支撑或站立腿)根据照片赋值;逐帧计算评分,并以中位姿势、最差(第95百分位)姿势和处于最高行动水平的时间百分比三种方式汇总

6

统计分析与体位排序

评估各体位工效学差异及外科医生间排序一致性

未进行正式样本量计算;主要终点为头颈倾斜强度和高风险时间百分比、优势臂抬高强度和斜方肌中位频率斜率;采用精确Friedman检验和Kendall W评估四体位排序一致性;在每名外科医生内按四种汇总方法对体位排名(1为最有利至4),再跨外科医生平均并形成综合评分

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Xsens MVN Analyze惯性动作捕捉系统Xsens--
Delsys肌电记录系统Delsys--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
模拟实验与体位
外科医生数量(5名)、均为右手优势男性、病例量范围(约15至500例以上)、四种体位定义及俯卧侧方手术台倾斜约45度、体位顺序随机化
阅读提示:Materials and Methods的Study Design and Participants小节及Table 1、Figure 1
动作捕捉与EMG记录
动作捕捉系统型号与采样率(Xsens MVN Analyze,23节段,60 Hz)、EMG采样率(2148 Hz)、16通道电极的8对肌肉位置、未记录最大自主收缩及归一化方法
阅读提示:Materials and Methods的Motion Capture and Electromyography小节及EMG Processing小节
手术阶段分割
四个手术阶段的定义和起止时间记录方式(秒表)、一段侧卧位运动学记录在试模与植入物阶段前结束
阅读提示:Materials and Methods的Surgical-Phase Segmentation小节
风险分级阈值
颈部屈曲和躯干屈曲采用ISO 11226:2000、上臂抬高采用EN 1005-4、腕和膝采用RULA和REBA方案、方向特异性边界见Supplementary Table S1
阅读提示:Materials and Methods的Kinematic Outcomes小节及Supplementary Table S1
统计分析
未进行正式样本量计算、主要终点四项、精确Friedman检验与Kendall W、两两比较最小p为0.0625、Holm校正、R 4.6
阅读提示:Materials and Methods的Statistical Analysis小节