支具治疗青少年特发性脊柱侧凸的生物力学研究进展

易红蕾，陈兴捷，陈 虎，夏 虹

青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是指发生于青春发育期前后，由不明原因引起的脊柱结构性三维畸形。支具是治疗轻中度AIS的重要方法之一，目前治疗AIS的支具形式多样，主要包括Milwaukee支具、Boston支具、Wilmington支具、Cheneau支具、Charleston侧方型支具等。Hueter-Volkmann定律认为，应用支具能减少患者侧凸凸侧软骨终板生长，凹侧则生长加速，进而达到改善或阻止畸形进展的目的[1-2]。但仍有部分患者在支具治疗后侧凸继续进展，最终不得不接受手术治疗。生物力学机制是影响支具矫形效果的关键因素之一，如何完善载荷加压方式，设计符合个体体型及力学特征的支具，以达到脊柱侧凸畸形最佳的三维矫形效果，已成为目前脊柱外科领域的研究热点。现就支具治疗AIS的生物力学研究进展做一综述。

1 支具治疗AIS的生物力学研究方法

目前主要采用物理实验和计算机模拟两种方法。物理实验直接测试体表压力变化，同时通过拍片观察侧凸角度改变。计算机模拟主要是应用有限元法构建与实体结构相似的模型，在模型上进行模拟研究，设定任意参数，观察体内局部及整体反应，而这些反应可能是任何在体实验或动物模型都很难得到的结果。

2 实体生物力学研究

支具治疗AIS的生物力学机制目前尚不明了，但通常认为其是通过施加载荷于畸形顶椎区域的肋骨或腹壁并传导至脊柱，来达到矫正侧凸的目的。而在临床工作中，支具佩戴随意性大，束带张力、接触点压力等均无量化标准，也未考虑患者活动或静止，卧位、站位或坐位等不同状态对支具治疗的影响，以及支具治疗对于脊柱矢状面弧度的作用。国内外学者针对上述问题进行了卓有成效的研究，但由于样本量不足、力学监测仪器不统一、患者个体差异较大等原因，目前尚无统一的标准来规范支具治疗。

2.1 压力检测

Galante等[3]早在1970年就采用自制的特殊测力计，测量佩戴Milwaukee支具后不同体位下枕部、下颌、胸弯衬垫的压力，但该测量方法有失准确。1989年Chase等[1]首次运用应变式压力传感器和压力监测设备（Talley Group，Ltd，Borehamwood，UK）测试14例AIS患者佩戴Boston支具的效果，结果显示，胸腰弯衬垫压力值平均为（58±18）N，矫形率为（37±21）%，但随着时间的推移，半年后矫形率下降至（15±14）%。作者认为，矫形率除了受支具生物力学特性影响之外，还与Cobb角、柔韧性、年龄、佩戴时间等因素相关。

2.2 束带张力测量

有关束带张力与矫形效果的关系，Aubin等[4]观察34例AIS患者在不同束带张力下矫形效果的变化，束带上内置测压装置，束带张力分别设定为4种情形（一种遵医嘱，其他3种是标准张力值，分别为20、40、60 N），记录患者在日常生活中9种不同姿势下的张力变化。结果提示患者躺下时张力变化最为明显，重新站立起来时束带张力也有所减少，提示及时调整束带张力的必要性，作者也同时质疑夜间穿戴支具治疗脊柱侧凸的有效性。Wong等[2]选择33例女性AIS患者（Cobb角25°～45°、年龄10～14岁、Risser征不大于3°），测量不同束带张力下的衬垫压强值，结果发现，当平均束带张力为（26.8±5.2）N、平均衬垫压强为（7.09±1.77）kPa时，冠状面矫正率随束带张力及衬垫压力的增强而改善更加明显。

但另一篇文献却得出相反的结论，van den Hout等[5]为验证Boston支具矫形的工作机制，将鞋型PEDAR压力感应设备置于支具内侧，测量16例侧弯患者胸弯衬垫和腰弯衬垫的压力，观察8种体位（坐位、直立、仰卧、俯卧、左侧卧、右侧卧、右腿站立、左腿站立）下的压力变化，发现所有体位下腰弯衬垫压力（平均214 N，0～727 N）远远大于胸弯衬垫压力（平均66 N，4～209 N），且衬垫压力的大小与主弯矫形效果无明显相关性，说明衬垫的压力值变化并不能完全解释矫形效果。测量结果的准确性可能取决于感应器位置、灵敏度以及患者转换体位后感应器与身体接触松动等因素。

Mac-Thiong等[6]对41例接受支具治疗的AIS患者设定20、40和60 N 3种标准束带张力，结果发现，支具与躯干接触面应力在束带张力为60 N时最大、40N次之、20 N最小；束带张力维持在40 N时，绝大多数界面呈现的应力增加最为明显，而当束带张力增加至60 N时，接触面压力增加很少甚至出现下降的现象。

总而言之，不同作者应用不同的测试方法、不同的压力传感器设备，测量不同体位的接触面应力，结果不尽相同，难以进行重复性测验，影响了对真实结果的推断，因此较难应用于临床治疗中。

3 有限元法生物力学研究

计算机三维有限元方法的引入开拓了支具治疗AIS生物力学研究的新思路，作为对其他实验模型的必要补充，有限元分析现已广泛应用到脊柱侧凸病因学、手术设计改良、支具治疗优化等方面。

3.1 AIS支具治疗有限元生物力学的发展

最早Andriacchi等[7]于1976年通过数学方法计算模拟重建椎体、肋骨、胸腔等，分别建立5种脊柱侧弯（腰弯、中胸弯、双胸弯、胸腰双弯、胸腰双弯并左侧倾斜）模型，模拟Milwaukee支具的治疗效果，并在回顾性临床研究中得到证实，81%的患者其矫形实际效果与模拟结果类似，但建模方法比较粗糙。之后Gignac等[8]利用多重影像学技术将肋骨、胸骨、骨盆引入有限元模型，模拟20例胸腰双弯AIS患者，分析新型三维施力方法（施力于胸弯顶椎区域、固定后方剃刀背、同时倾斜冠状面45°作用于腰弯顶椎区）的矫形效果，结果显示，新型施力方法较Boston支具更加有效，且不影响矢状面平衡。随着研究的深入，现今的三维计算机模型不仅能逼真地模拟椎体、椎间盘、后柱小关节及肋椎关节结构，更能将所附着韧带、肌肉及胸廓肋骨的作用特征考虑在内，模拟效果更加完善与逼真[9-10]。

国内AIS支具治疗的有限元分析起步较晚，但仍有少数作者进行相关的尝试。唐明星等[11]建立Lenke 1A型特发性脊柱侧凸模型，利用有限元方法分析支具治疗后主胸弯椎间盘凸侧和凹侧应力分布的变化，结果发现，随着横向矫形力的增加，T6～T11椎体的楔形病变逐渐减小，预计1年后总的椎体楔形病变也呈减小趋势；在加载100 N矫形力后，主胸弯椎体楔形病变角度总和被逆转为负数。这一分析方法为预测支具治疗效果提供了一种新的手段。Nie等[12]建立1例从胸1到骨盆的有限元模型，选取多个节点拟合成腹部样条曲线生成腹部曲面，采用四面体单元Solid 92来模拟形成腹壁，在此模型基础上研究个性化支具的设计，并根据临床实际情况对其矫形效果进行模拟分析，结果提示，对于冠状面畸形的矫正，个性化支具效果更优，且不会出现胸椎后凸及腰椎前凸减少的不利现象。

3.2 AIS支具治疗的生物力学有限元建模方法

3.2.1 DLT或NSCP建模法 一般情况下，有限元模型的建立需要依赖CT或MRI断层扫描后的图像重建，而大量射线将严重影响处于生长发育期的AIS患者的健康，有限元分析的相关研究也因此受到一定限制。

近年来欧美国家广泛开展利用二维X线片建立三维有限元模型的研究，其中比较常用的方法是 DLT（direct linear transformation）和 NSCP（nonstereo-corresponding points）法[13-15]。DLT法是在2张或3张不同方位的平面X线片上标志出每个椎体的6个特征点，通过DLT算法重建，获得相应的空间控制点，利用克里格法插值技术构建一个类似椎体的模型，然后参考数据库数据，通过面插值算法获得面模型，最终建立几何模型；NSCP方法与DLT方法原理相似，增加了19个特征点，建模更加完善，也更接近于真实结构。

Périé等[16]于2003年通过2张X线片对12例AIS患者进行有限元模拟及压力测试研究，结果显示被动作用力对冠状面的矫形仅有9°，而实际矫正了16°，进而提出，支具治疗的机制除了衬垫、束带共同达到的矫形作用之外，可能还有其他因素参与其中。随后该作者利用相似的方法对3例患者进行个体化建模，重建的三维模型包含脊柱、胸壁、腹壁、骨盆、支具等，同时运用压力传感器实体监测Boston支具作用于体表的压力（初始压力＞30 mmHg），结果表明，躯干所受压力在右胸廓、左腰部、腹部及双侧骨盆等5个区域最大，等效力为18～73 N，有限元模型与实体在冠状面及矢状面的差异少于6～9.8 mm，Cobb角仅相差7.7°[17]。这一实验结果表明该建模方案能模拟个体化支具的生物力学效应，从而为开发设计更为有效的三维支具提供了一条新的途径。

为验证Charleston夜间支具的有效性及生物力学特性，Clin等[18]采用同样的方法对2例AIS患者进行三维重建模拟，发现佩戴Charleston夜间支具后，主弯Cobb角减小58%～97%，内在压应力主要出现在主弯凸侧，张应力表现在凹侧；增加次弯凹侧的压应力后，凸侧张应力也会随之增加。因此推测Charleston支具的不足之处在于加剧了次弯的非对称性压应力。为揭示支具的即刻矫正效应及其与长期随访结果的相关性，Clin等[19]选择3例AIS患者进行个体化建模，根据柔韧及僵硬程度的不同分别给予不同加载值，基于支具类型、束带多少、束带压力、矢状面状况、衬垫、支具大小、支具材料强度等14种不同因素设计不同方案相叠加的虚拟支具，每个患者接受1 024种虚拟支具的模拟佩戴，结果证实，支具即刻矫正效应与长期随访结果有明显相关性。

3.2.2考虑重力作用的模型构建方法 为了更真实地反映实体情况，有学者在建模过程当中考虑了重力因素[20]。首先在原始模型上加载合适的向上的力以确定“零重力”几何模型，然后将这个向上的力重设为零，获得重力作用下的脊柱模型，通过数学算法优化设计，实际椎体位移和模拟状态的位移相差＜3 mm。在冠状面尤其是侧凸顶点，这个力是不对称的，凸侧和凹侧相差0.1～0.2 MPa。而既往建模时只是单纯将重力直接施压在椎体上，或是非侧凸患者每个椎体扫描层的重力中心上。因此这一方法能更好、更准确地模拟脊柱侧凸的生物力学变化。Clin等[21]依此方法对5例AIS患者建模，基于加载2种束带张力（20、60N）、脊柱柔韧性（柔软、僵硬）以及是否施加重力等8种情况来观察束带张力、脊柱柔韧性以及重力对矫形效果的影响。结果表明，支具的生物力学行为在于防止侧弯在重力作用下产生弯曲，而侧凸的即刻矫正效应取决于束带张力及脊柱柔韧性，模拟分析与实际测量相符。作者认为该模型较前有明显改进，能更好地理解支具治疗的生物力学行为，为优化支具治疗提供更好的分析工具。

3.2.3个性化有限元模型的建立 Sattout等[22]将18例AIS患者纳入Providence夜间支具的生物力学特性研究，其个体化有限元模型中的脊柱、肋骨、胸腔、骨盆形态均通过双相低辐射EOS拍摄系统获得，躯干表面通过三维表面形态扫描仪获得，依据CT扫描数据数字化构建Providence支具内衬有限元模型，应用压力感受器测量支具皮肤界面的压力值，模拟患者从站立到仰卧位的状态，结果显示，胸弯矫正45%、腰弯矫正48%，加上支具后可分别矫正62%、64%，实际矫形效果更好，分别达到65%和70%，模拟压力分布和实际测量值相当。结论指出，仰卧体位对冠状面矫形起到主要作用，支具起到一定的补充作用。

3.3 有限元法在AIS支具研究设计中的应用

3.3.1分析支具设计的影响因素 为设计出更符合侧凸矫正生物力学行为的支具，Clin等[23]运用有限元法比较不同胸腰骶支具的即刻矫正效应，以了解影响支具设计的最关键因素。根据X线片对3例AIS患者构建个体化模型，设计包含15种因素共计12 288种不同支具，模拟佩戴后，发现5种因素在矫形效果上起关键作用，分别是支具开口（前方还是后方）、束带张力、股骨大转子衬垫、腰椎前凸设计和坚硬的外壳材料。

3.3.2数字化制造技术的应用价值 Desbiens-Blais等[24]利用计算机辅助设计及制造（computer assisted design/computer assisted manufacturing，CAD/CAM）技术研发个体化支具。其步骤为利用2张X线片通过3D技术重建躯干及体表形态，将有限元模型输入CAD/CAM软件，进行交互设计及模拟矫形过程，然后通过数控车床切割制造实物；选取6例AIS患者分别佩戴新型个体化支具与常规支具，新型支具平均矫正主胸弯16°、胸腰弯13°，常规支具平均矫正主胸弯11°、胸腰弯16°，模拟状态和实体测量结果并无统计学差异。虽然结果不尽如人意，但相信随着样本量的增加，以及个体化设计的更趋合理，数字化支具治疗将会获得更好的侧弯矫正效果。最近与其同属于一个实验室的Cobetto等[25-26]的前瞻性对照研究结果表明，联合应用CAD/CAM工艺和有限元分析方法综合制作支具，其矫形效果比单纯应用CAD/CAM工艺制作的支具效果更好。亦有学者借助3D打印技术制作个性化支具，患者佩戴的舒适感明显改善[27]。

4 小结

目前支具治疗AIS的生物力学研究主要集中在两个方面，即如何调整现有支具以提高其治疗效果，以及研究设计出更加符合侧凸矫正生物力学行为的支具。但对于支具矫形力施加的方向、大小，束带张力及衬垫压力的具体关系，姿势改变与支具调整等一系列问题，还需进一步深入研究。尽管能较好地模拟临床相关生物力学机制，但如何运用有限元法精确展示人体解剖结构、构成材料属性、边界与负荷变化延长等，仍是一个难题；其有效性亦需实验数据支持，或在应用中进一步验证。

未来脊柱外科医师可从临床实际出发，更新设计理念，运用临床医学、生物力学、人体工程学、医学影像学及材料学等领域的最新技术和成果，研制一种或多种新型支具，改善佩戴舒适度，真正实现个体化设计和三维矫形，最大程度地提高支具的治疗效果，尽可能阻止AIS患者侧凸进展，避免手术治疗。