范建平，王傳鋒，魏顯招，易紅蕾，李志鯤，陳自強，白玉樹，朱曉東，李 明

青少年特發(fā)性脊柱側凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是一種常見的脊柱畸形，包括冠狀面、矢狀面及軸狀面的三維畸形［1］。不僅影響患者的軀體外觀和功能，還可引起心肺功能障礙，影響心理健康，給家庭及社會帶來沉重的負擔。近年來，隨著脊柱三維矯形理論的提出及推廣應用，脊柱側凸的治療取得了革命性的進展，各種新型的內(nèi)固定器械及治療理念的不斷進展，使得手術成功率不斷提高。但是手術犧牲了脊柱的運動節(jié)段，而且高額的醫(yī)療費用給家庭及社會帶來了沉重的負擔。因此對于脊柱側凸及早發(fā)現(xiàn)和治療，進行有效的非手術治療，防止側凸加重，避免手術，具有重要的意義。支具治療是是目前證實唯一有效的非手術治療方式［2］。近年來利用計算機輔助設計(computer aided design，CAD)進行脊柱側凸的研究有較大進展，有限元法(finite element models，F(xiàn)EM)研究的應用可以更好地幫助我們理解支具原理和優(yōu)化支具參數(shù)。Van 等［3］研究報道，對于脊柱胸腰段交界處施加向前凸的外力，在對矯正矢狀面畸形的同時，對于矯正冠狀面的畸形有幫助，這項研究結果對于研究支具治療AIS 有著重要意義，但是相關研究仍然較少。

上述研究報道提示，如果使得支具能夠在胸腰段脊柱提供一個前凸的矯形力，將有助于實現(xiàn)脊柱的三維矯形。但是單純依靠支具曲面的改變很難個體化地提供這種前凸矯形力，本研究是在支具的內(nèi)襯面增加一個可充放式氣囊襯墊來提供這一前凸的矯形力，根據(jù)氣囊充放來調(diào)整矢狀面的力的大小，并通過有限元建模來模擬這一過程，來探討增加矢狀面施力后支具的治療效果。

1 資料和方法

1.1 一般資料

女，14 歲，身高155 cm，體重48 kg，側凸類型為“S”型彎曲。拍攝脊柱全長正側位X 線片(見圖1)，并對脊柱進行磁共振檢查，排除患者髓內(nèi)病變，及其他相關病變，明確為特發(fā)性脊柱側凸。采用螺旋CT(Siemens somatom sensation cardiac 64 排)對患者脊柱從C7至尾骨進行薄層連續(xù)螺旋掃描，層厚0.8 mm，得到連續(xù)Dicom 格式圖片，分別建立的髓核和纖維環(huán)模型(見圖2)。并建立脊柱側凸骨性模型(見圖3)。進行脊柱加載實驗驗證，施加相關載荷后得到位移云圖(見圖4)。將結果與Panjabi等［4］報道實驗結果及Teo 等［5］建立的有限元模型計算結果進行對比分析(見圖5)。本研究所建立模型與Panjabi 實驗結果及Teo 建立的有限元模型基本一致，認為該模型是可靠的。

圖1 患者脊柱全長X 線片F(xiàn)ig.1 Total spinal X-ray films of patient

圖2 脊柱側凸有限元模型(椎間盤)Fig.2 Finite element model of scoliosis(intervertebral disc)

圖3 脊柱側凸有限元模型Fig.3 Finite element model of scoliosis

1.2 新型氣囊支具的有限元建模

設計新型氣囊支具，納入Boston 支具的主要特點，并考慮在胸腰段矢狀面增加一個氣囊襯墊(見圖6)。在脊柱胸彎肋骨凸峰處至骨盆根據(jù)脊柱的曲面結構，沿其表面模擬曲線，在參數(shù)化曲線的基礎上模擬生成一個曲面結構。襯墊結構的模擬可以通過所在部位的子曲面向內(nèi)拉伸2 mm 來進行。本模型可認定為雙彎模型，分別在T8對應肋骨體表緣及L2頂錐部位進行氣囊襯墊的模擬。并在胸腰段矢狀面模擬氣囊襯墊，支具與軀干之間的接觸用面面接觸非線性單元來模擬，建立的支具模型(見圖7)，襯墊的相關材料屬性(見表1)。

圖4 位移云圖Fig.4 Nephogram of drift

圖5 力矩作用下T10，11的轉動角度Fig.5 The rotation angle of T10，11 under the action of torque

圖6 氣囊支具示意圖Fig.6 Diagram of airbag orthosis

圖7 支具有限元示意圖Fig.7 Diagram of airbag orthosis’finite element

表1 支具及襯墊材料屬性及單元類型Tab.1 Orthosis’and pad’s attributes and types

1.3 支具治療的模擬

根據(jù)臨床實際設定研究的約束條件:下端固定骨盆，包括冠狀面、矢狀面、軸狀面3 個平面的自由度。上端固定T1椎體在軸狀面的自由度，而維持其他的自由度。模擬的過程中，未將重力及肌肉力考慮在內(nèi)。施加載荷的過程中，考慮到結構及材料的非線性特點，脊柱及支具模型的形變特點及接觸面之間的滑移，將支具與模型之間的摩擦系數(shù)設定為0.1。施加載荷后記錄的參數(shù)包括脊柱冠狀面Cobb角，矢狀面Cobb 角，頂錐軸向旋轉度，脊柱矢狀面生理參數(shù)。

支具模擬加載方案分3 個方案進行，參考相關文獻［6-7］，設計如下方案。方案A:冠狀面施加載荷，在脊柱冠狀面施加不同的側方橫向力，施加載荷的大小Fx 分別為20 N，40 N，60 N。方案B:在矢狀面施加一組不同大小的前后縱向力，施加外力的載荷Fy 分別為20 N，40 N，60 N。方案C:在冠狀面及矢狀面結合施加載荷，進行3 種不同的組合方式，分別進行如下加載方案，F(xiàn)x=20 N，F(xiàn)y=40 N;Fx=30 N，F(xiàn)y=30 N;Fx=40 N，F(xiàn)y=20 N。

1.4 評估指標

冠狀面:主彎和次彎的Cobb 角。矢狀面:胸椎后凸角，即T5椎體上終板與T12椎體下終板之間的夾角;胸腰段后凸角，即T10椎體上終板至L2椎體下終板之間的夾角;腰椎前凸角，即L1上終板與S1上終板之間的夾角。軸狀面:頂錐旋轉角度。

2 結 果

模擬的3 種加載方案脊柱相關參數(shù)的記錄分別見表2～4。3 組方案獲取最佳胸彎矯正率分別為66%、37%、52%，腰彎矯正率分別為65%、34%、53%。方案A:冠狀面施加載荷增加，脊柱冠狀面Cobb 角逐漸減小。同時脊柱矢狀面曲度及頂錐軸狀面旋轉度變化并不明顯(見表2)。方案B:胸腰段矢狀面施加載荷增加，脊柱冠狀面Cobb 角變小，但是變化幅度不大。矢狀面序列胸椎后凸變化不大，腰椎前凸增加，并且頂錐旋轉度改善明顯(見表3)。方案C:在固定冠狀面及矢狀面總體大小的情況下，隨著冠狀面分力的增加側凸矯正率增加，隨矢狀面分力減小脊柱矢狀面腰椎前凸角及頂錐旋轉度有所減少(見表4)。

3 討 論

AIS 及早發(fā)現(xiàn)并進行治療對于防止畸形加重及相關并發(fā)癥具有重要意義。脊柱側凸研究學會(Scoliosis Research Society，SRS)對適合支具治療的患者納入標準進行了統(tǒng)一，符合如下條件:年齡≥10歲;Risser 征為0～2 級之間;初始治療Cobb 角為25°～40°;女性患者在初潮前后1 年內(nèi)［8］。SRS 推薦密切隨訪患者至骨骼成熟后至少2 年，觀察脊柱側凸進展情況。Hueter-Volkmann 定律認為當骨骺承受的壓力增加時，骨的生長受到抑制;當骨骺所承受壓力降低時，骨的生長速度就會加快［9］。

隨著計算機輔助技術的發(fā)展，計算機三維有限元方法引入到脊柱側凸支具的生物力學研究當中，提供了一種新型的研究方式。Andriacchi 等［10］通過建立5 例側凸類型計算機模型，來模擬Milwaukee

支具的即刻矯形效果，通過回顧性分析進行模型的有效性驗證。模擬支具模型用來預測支具實際的治療效果，結果顯示81%的患者，實際結果與預測值相一致。研究認為，利用基于生物力學原則的Milwaukee 支具對于脊柱側凸治療有效。

表2 方案A 模擬施加不同載荷脊柱相關參數(shù)的變化Tab.2 Change of spine’s parameter under different load by scheme A

表3 方案B 模擬施加不同載荷脊柱相關參數(shù)的變化Tab.3 Change of spine’s parameter under different load by scheme B

表4 方案C 模擬施加不同載荷脊柱相關參數(shù)的變化Tab.4 Change of spine’s parameter under different load by scheme C

基于支具對脊柱矢狀面治療的局限，創(chuàng)新性地提出了在胸腰段增加一個氣囊支具，對矢狀面進行施力。本研究通過建立特發(fā)性脊柱側凸及支具的三維有限元模型，進行模擬不同矯形方案支具治療脊柱側凸的生物力學研究。支具模型基本包括了Boston 支具的特點，另外在胸腰段矢狀面模擬了一個氣囊襯墊。支具與軀干之間的接觸通過面面接觸單元進行模擬，能良好的將支具施加的載荷傳遞到脊柱上。在3 組施力方案中，單純在冠狀面進行施加載荷時，脊柱側凸的矯形效果主要在冠狀面，并且隨著施力的增加，矯形效果更加明顯，當施力為60 N 時，側凸矯正率＞60%。此種方案中，矢狀面及軸狀面矯形效果不明顯，并且矢狀面的生理曲度有所減小，和臨床治療觀察中發(fā)現(xiàn)的平背綜合征情況類似。方案B 中，基于文獻［3］報道在脊柱矢狀面施加載荷在改善矢狀面序列的同時，可以對冠狀面的矯形有幫助。通過模擬的氣囊襯墊單純在脊柱矢狀面施加載荷，可以發(fā)現(xiàn)對脊柱側凸冠狀面矯形有所幫助，當施力為60 N 時，冠狀面?zhèn)韧钩C正率可以＞30%。觀察椎體的旋轉度發(fā)現(xiàn)，隨著矢狀面施力的增加，椎體旋轉度矯形效果明顯，這與文獻［11］報道的結果相一致。方案C 中通過組合冠狀面和矢狀面施加載荷，發(fā)現(xiàn)當冠狀面分力增大時側凸矯正明顯，當矢狀面分力增大時軸狀面矯形明顯并且可以改善矢狀面序列，通過在矢狀面增加氣囊襯墊結合冠狀面施力，使得支具治療更好地做到了脊柱側凸的三維矯形，避免了傳統(tǒng)支具只注重冠狀面矯形而忽略了矢狀面的矯形效果，并且矢狀面序列的改善可以防止平背綜合征的發(fā)生。氣囊支具在下一步臨床應用中可以根據(jù)患者的耐受能力調(diào)節(jié)氣囊壓力來增加患者的順應性，減少并發(fā)癥，提高治療效果。為脊柱側凸的支具治療提供了一種新的治療理念，為下一步氣囊支具的實物設計及運用打下了基礎。本研究在支具施加載荷過程中采取了一定程度的簡化，比如矯形過程中載荷和邊界條件的設定，未將模型肌肉軟組織及體表考慮在內(nèi)，施加力直接在支具上施加設定的冠狀面及矢狀面的力，將支具自身的施力特點進行了簡化。通過有限元方法獲得的脊柱參數(shù)變化可以反映不同方案的治療趨勢，但是對于新型氣囊支具的實際三維矯形效果，仍需臨床進一步驗證。

［1］De Smet AA，Asher MA，et al.Three-dimensional analysis of right thoracic idiopathic scoliosis［J］.Spine (Phila Pa 1976)，1984，9(4):377-381.

［2］Parent S，Newton PO，Wenger DR.Adolescent idiopathic scoliosis:etiology，anatomy，natural history，and bracing［J］.Instr Course Lect.2005，54:529-536.

［3］van Loon PJ，Kühbauch BA，Thunnissen FB.Forced lordosis on the thoracolumbar junction can correct coronal plane deformity in adolescents with double major curve pattern idiopathic scoliosis［J］.Spine (Phila Pa 1976)，2008，33(7):797-801.

［4］Panjabi MM，Greenstein G，Duranceau J，et al.Three-dimensional quantitative morphology of lumbar spinal ligaments.J Spinal Disord，1991，4(1):54-62.

［5］Teo EC，Lee KK，Ng HW，et al.Determination of load transmission and contact force at facet joints of L2-L3 motion segment using FE method［J］.Journal of Musculoskeletal Research，2003，7(02):97-109.

［6］Nie WZ，Ye M，Liu ZD，et al.The patient-specific brace design and biomechanical analysis of adolescent idiopathic scoliosis［J］.J Biomech Eng，2009，131(4):041007.

［7］Clin J，Aubin C，Parent S，et al.Biomechanical modeling of brace treatment of scoliosis:effects of gravitational loads［J］.Medical ＆ biological engineering ＆ computing，2011，49(7):743-753.

［8］Richards BS，Bernstein RM，D Amato CR，et a1.Standardization of criteria for adolescent idiopathic scoliosis brace studies:SRS Committee on Bracing and Nonoperative Management［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2005，30(18):2068-2075.

［9］Weiss HR，Hawes MC.Adolescent idiopathic scoliosis，bracing and the Hueter-Volkmann principle［J］.Spine J，2004，4(4):484-485.

［10］Andriacchi TP，Schultz AB，Belytschko TB.Milwaukee brace correction of idiopathic scoliosis.A biomechanical analysis and a restrospective study［J］.J Bone Joint Surg Am.1976，58(6):806-815.

［11］Cheng FH，Shih SL，Chou WK，et al.Finite element analysis of the scoliotic spine under different loading conditions［J］.Biomed Mater Eng，2010，20(5):251-259.