支具治療青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸的生物力學(xué)研究進展

易紅蕾，陳興捷，陳 虎，夏 虹

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是指發(fā)生于青春發(fā)育期前后，由不明原因引起的脊柱結(jié)構(gòu)性三維畸形。支具是治療輕中度AIS的重要方法之一，目前治療AIS的支具形式多樣，主要包括Milwaukee支具、Boston支具、Wilmington支具、Cheneau支具、Charleston側(cè)方型支具等。Hueter-Volkmann定律認為，應(yīng)用支具能減少患者側(cè)凸凸側(cè)軟骨終板生長，凹側(cè)則生長加速，進而達到改善或阻止畸形進展的目的[1-2]。但仍有部分患者在支具治療后側(cè)凸繼續(xù)進展，最終不得不接受手術(shù)治療。生物力學(xué)機制是影響支具矯形效果的關(guān)鍵因素之一，如何完善載荷加壓方式，設(shè)計符合個體體型及力學(xué)特征的支具，以達到脊柱側(cè)凸畸形最佳的三維矯形效果，已成為目前脊柱外科領(lǐng)域的研究熱點?，F(xiàn)就支具治療AIS的生物力學(xué)研究進展做一綜述。

1 支具治療AIS的生物力學(xué)研究方法

目前主要采用物理實驗和計算機模擬兩種方法。物理實驗直接測試體表壓力變化，同時通過拍片觀察側(cè)凸角度改變。計算機模擬主要是應(yīng)用有限元法構(gòu)建與實體結(jié)構(gòu)相似的模型，在模型上進行模擬研究，設(shè)定任意參數(shù)，觀察體內(nèi)局部及整體反應(yīng)，而這些反應(yīng)可能是任何在體實驗或動物模型都很難得到的結(jié)果。

2 實體生物力學(xué)研究

支具治療AIS的生物力學(xué)機制目前尚不明了，但通常認為其是通過施加載荷于畸形頂椎區(qū)域的肋骨或腹壁并傳導(dǎo)至脊柱，來達到矯正側(cè)凸的目的。而在臨床工作中，支具佩戴隨意性大，束帶張力、接觸點壓力等均無量化標準，也未考慮患者活動或靜止，臥位、站位或坐位等不同狀態(tài)對支具治療的影響，以及支具治療對于脊柱矢狀面弧度的作用。國內(nèi)外學(xué)者針對上述問題進行了卓有成效的研究，但由于樣本量不足、力學(xué)監(jiān)測儀器不統(tǒng)一、患者個體差異較大等原因，目前尚無統(tǒng)一的標準來規(guī)范支具治療。

2.1 壓力檢測

Galante等[3]早在1970年就采用自制的特殊測力計，測量佩戴Milwaukee支具后不同體位下枕部、下頜、胸彎襯墊的壓力，但該測量方法有失準確。1989年Chase等[1]首次運用應(yīng)變式壓力傳感器和壓力監(jiān)測設(shè)備（Talley Group，Ltd，Borehamwood，UK）測試14例AIS患者佩戴Boston支具的效果，結(jié)果顯示，胸腰彎襯墊壓力值平均為（58±18）N，矯形率為（37±21）%，但隨著時間的推移，半年后矯形率下降至（15±14）%。作者認為，矯形率除了受支具生物力學(xué)特性影響之外，還與Cobb角、柔韌性、年齡、佩戴時間等因素相關(guān)。

2.2 束帶張力測量

有關(guān)束帶張力與矯形效果的關(guān)系，Aubin等[4]觀察34例AIS患者在不同束帶張力下矯形效果的變化，束帶上內(nèi)置測壓裝置，束帶張力分別設(shè)定為4種情形（一種遵醫(yī)囑，其他3種是標準張力值，分別為20、40、60 N），記錄患者在日常生活中9種不同姿勢下的張力變化。結(jié)果提示患者躺下時張力變化最為明顯，重新站立起來時束帶張力也有所減少，提示及時調(diào)整束帶張力的必要性，作者也同時質(zhì)疑夜間穿戴支具治療脊柱側(cè)凸的有效性。Wong等[2]選擇33例女性AIS患者（Cobb角25°～45°、年齡10～14歲、Risser征不大于3°），測量不同束帶張力下的襯墊壓強值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當平均束帶張力為（26.8±5.2）N、平均襯墊壓強為（7.09±1.77）kPa時，冠狀面矯正率隨束帶張力及襯墊壓力的增強而改善更加明顯。

但另一篇文獻卻得出相反的結(jié)論，van den Hout等[5]為驗證Boston支具矯形的工作機制，將鞋型PEDAR壓力感應(yīng)設(shè)備置于支具內(nèi)側(cè)，測量16例側(cè)彎患者胸彎襯墊和腰彎襯墊的壓力，觀察8種體位（坐位、直立、仰臥、俯臥、左側(cè)臥、右側(cè)臥、右腿站立、左腿站立）下的壓力變化，發(fā)現(xiàn)所有體位下腰彎襯墊壓力（平均214 N，0～727 N）遠遠大于胸彎襯墊壓力（平均66 N，4～209 N），且襯墊壓力的大小與主彎矯形效果無明顯相關(guān)性，說明襯墊的壓力值變化并不能完全解釋矯形效果。測量結(jié)果的準確性可能取決于感應(yīng)器位置、靈敏度以及患者轉(zhuǎn)換體位后感應(yīng)器與身體接觸松動等因素。

Mac-Thiong等[6]對41例接受支具治療的AIS患者設(shè)定20、40和60 N 3種標準束帶張力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，支具與軀干接觸面應(yīng)力在束帶張力為60 N時最大、40N次之、20 N最?。皇鴰埩S持在40 N時，絕大多數(shù)界面呈現(xiàn)的應(yīng)力增加最為明顯，而當束帶張力增加至60 N時，接觸面壓力增加很少甚至出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

總而言之，不同作者應(yīng)用不同的測試方法、不同的壓力傳感器設(shè)備，測量不同體位的接觸面應(yīng)力，結(jié)果不盡相同，難以進行重復(fù)性測驗，影響了對真實結(jié)果的推斷，因此較難應(yīng)用于臨床治療中。

3 有限元法生物力學(xué)研究

計算機三維有限元方法的引入開拓了支具治療AIS生物力學(xué)研究的新思路，作為對其他實驗?zāi)Ｐ偷谋匾a充，有限元分析現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到脊柱側(cè)凸病因?qū)W、手術(shù)設(shè)計改良、支具治療優(yōu)化等方面。

3.1 AIS支具治療有限元生物力學(xué)的發(fā)展

最早Andriacchi等[7]于1976年通過數(shù)學(xué)方法計算模擬重建椎體、肋骨、胸腔等，分別建立5種脊柱側(cè)彎（腰彎、中胸彎、雙胸彎、胸腰雙彎、胸腰雙彎并左側(cè)傾斜）模型，模擬Milwaukee支具的治療效果，并在回顧性臨床研究中得到證實，81%的患者其矯形實際效果與模擬結(jié)果類似，但建模方法比較粗糙。之后Gignac等[8]利用多重影像學(xué)技術(shù)將肋骨、胸骨、骨盆引入有限元模型，模擬20例胸腰雙彎AIS患者，分析新型三維施力方法（施力于胸彎頂椎區(qū)域、固定后方剃刀背、同時傾斜冠狀面45°作用于腰彎頂椎區(qū)）的矯形效果，結(jié)果顯示，新型施力方法較Boston支具更加有效，且不影響矢狀面平衡。隨著研究的深入，現(xiàn)今的三維計算機模型不僅能逼真地模擬椎體、椎間盤、后柱小關(guān)節(jié)及肋椎關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，更能將所附著韌帶、肌肉及胸廓肋骨的作用特征考慮在內(nèi)，模擬效果更加完善與逼真[9-10]。

國內(nèi)AIS支具治療的有限元分析起步較晚，但仍有少數(shù)作者進行相關(guān)的嘗試。唐明星等[11]建立Lenke 1A型特發(fā)性脊柱側(cè)凸模型，利用有限元方法分析支具治療后主胸彎椎間盤凸側(cè)和凹側(cè)應(yīng)力分布的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著橫向矯形力的增加，T6～T11椎體的楔形病變逐漸減小，預(yù)計1年后總的椎體楔形病變也呈減小趨勢；在加載100 N矯形力后，主胸彎椎體楔形病變角度總和被逆轉(zhuǎn)為負數(shù)。這一分析方法為預(yù)測支具治療效果提供了一種新的手段。Nie等[12]建立1例從胸1到骨盆的有限元模型，選取多個節(jié)點擬合成腹部樣條曲線生成腹部曲面，采用四面體單元Solid 92來模擬形成腹壁，在此模型基礎(chǔ)上研究個性化支具的設(shè)計，并根據(jù)臨床實際情況對其矯形效果進行模擬分析，結(jié)果提示，對于冠狀面畸形的矯正，個性化支具效果更優(yōu)，且不會出現(xiàn)胸椎后凸及腰椎前凸減少的不利現(xiàn)象。

3.2 AIS支具治療的生物力學(xué)有限元建模方法

3.2.1 DLT或NSCP建模法 一般情況下，有限元模型的建立需要依賴CT或MRI斷層掃描后的圖像重建，而大量射線將嚴重影響處于生長發(fā)育期的AIS患者的健康，有限元分析的相關(guān)研究也因此受到一定限制。

近年來歐美國家廣泛開展利用二維X線片建立三維有限元模型的研究，其中比較常用的方法是 DLT（direct linear transformation）和 NSCP（nonstereo-corresponding points）法[13-15]。DLT法是在2張或3張不同方位的平面X線片上標志出每個椎體的6個特征點，通過DLT算法重建，獲得相應(yīng)的空間控制點，利用克里格法插值技術(shù)構(gòu)建一個類似椎體的模型，然后參考數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過面插值算法獲得面模型，最終建立幾何模型；NSCP方法與DLT方法原理相似，增加了19個特征點，建模更加完善，也更接近于真實結(jié)構(gòu)。

Périé等[16]于2003年通過2張X線片對12例AIS患者進行有限元模擬及壓力測試研究，結(jié)果顯示被動作用力對冠狀面的矯形僅有9°，而實際矯正了16°，進而提出，支具治療的機制除了襯墊、束帶共同達到的矯形作用之外，可能還有其他因素參與其中。隨后該作者利用相似的方法對3例患者進行個體化建模，重建的三維模型包含脊柱、胸壁、腹壁、骨盆、支具等，同時運用壓力傳感器實體監(jiān)測Boston支具作用于體表的壓力（初始壓力＞30 mmHg），結(jié)果表明，軀干所受壓力在右胸廓、左腰部、腹部及雙側(cè)骨盆等5個區(qū)域最大，等效力為18～73 N，有限元模型與實體在冠狀面及矢狀面的差異少于6～9.8 mm，Cobb角僅相差7.7°[17]。這一實驗結(jié)果表明該建模方案能模擬個體化支具的生物力學(xué)效應(yīng)，從而為開發(fā)設(shè)計更為有效的三維支具提供了一條新的途徑。

為驗證Charleston夜間支具的有效性及生物力學(xué)特性，Clin等[18]采用同樣的方法對2例AIS患者進行三維重建模擬，發(fā)現(xiàn)佩戴Charleston夜間支具后，主彎Cobb角減小58%～97%，內(nèi)在壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在主彎凸側(cè)，張應(yīng)力表現(xiàn)在凹側(cè)；增加次彎凹側(cè)的壓應(yīng)力后，凸側(cè)張應(yīng)力也會隨之增加。因此推測Charleston支具的不足之處在于加劇了次彎的非對稱性壓應(yīng)力。為揭示支具的即刻矯正效應(yīng)及其與長期隨訪結(jié)果的相關(guān)性，Clin等[19]選擇3例AIS患者進行個體化建模，根據(jù)柔韌及僵硬程度的不同分別給予不同加載值，基于支具類型、束帶多少、束帶壓力、矢狀面狀況、襯墊、支具大小、支具材料強度等14種不同因素設(shè)計不同方案相疊加的虛擬支具，每個患者接受1 024種虛擬支具的模擬佩戴，結(jié)果證實，支具即刻矯正效應(yīng)與長期隨訪結(jié)果有明顯相關(guān)性。

3.2.2考慮重力作用的模型構(gòu)建方法 為了更真實地反映實體情況，有學(xué)者在建模過程當中考慮了重力因素[20]。首先在原始模型上加載合適的向上的力以確定“零重力”幾何模型，然后將這個向上的力重設(shè)為零，獲得重力作用下的脊柱模型，通過數(shù)學(xué)算法優(yōu)化設(shè)計，實際椎體位移和模擬狀態(tài)的位移相差＜3 mm。在冠狀面尤其是側(cè)凸頂點，這個力是不對稱的，凸側(cè)和凹側(cè)相差0.1～0.2 MPa。而既往建模時只是單純將重力直接施壓在椎體上，或是非側(cè)凸患者每個椎體掃描層的重力中心上。因此這一方法能更好、更準確地模擬脊柱側(cè)凸的生物力學(xué)變化。Clin等[21]依此方法對5例AIS患者建模，基于加載2種束帶張力（20、60N）、脊柱柔韌性（柔軟、僵硬）以及是否施加重力等8種情況來觀察束帶張力、脊柱柔韌性以及重力對矯形效果的影響。結(jié)果表明，支具的生物力學(xué)行為在于防止側(cè)彎在重力作用下產(chǎn)生彎曲，而側(cè)凸的即刻矯正效應(yīng)取決于束帶張力及脊柱柔韌性，模擬分析與實際測量相符。作者認為該模型較前有明顯改進，能更好地理解支具治療的生物力學(xué)行為，為優(yōu)化支具治療提供更好的分析工具。

3.2.3個性化有限元模型的建立 Sattout等[22]將18例AIS患者納入Providence夜間支具的生物力學(xué)特性研究，其個體化有限元模型中的脊柱、肋骨、胸腔、骨盆形態(tài)均通過雙相低輻射EOS拍攝系統(tǒng)獲得，軀干表面通過三維表面形態(tài)掃描儀獲得，依據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)數(shù)字化構(gòu)建Providence支具內(nèi)襯有限元模型，應(yīng)用壓力感受器測量支具皮膚界面的壓力值，模擬患者從站立到仰臥位的狀態(tài)，結(jié)果顯示，胸彎矯正45%、腰彎矯正48%，加上支具后可分別矯正62%、64%，實際矯形效果更好，分別達到65%和70%，模擬壓力分布和實際測量值相當。結(jié)論指出，仰臥體位對冠狀面矯形起到主要作用，支具起到一定的補充作用。

3.3 有限元法在AIS支具研究設(shè)計中的應(yīng)用

3.3.1分析支具設(shè)計的影響因素 為設(shè)計出更符合側(cè)凸矯正生物力學(xué)行為的支具，Clin等[23]運用有限元法比較不同胸腰骶支具的即刻矯正效應(yīng)，以了解影響支具設(shè)計的最關(guān)鍵因素。根據(jù)X線片對3例AIS患者構(gòu)建個體化模型，設(shè)計包含15種因素共計12 288種不同支具，模擬佩戴后，發(fā)現(xiàn)5種因素在矯形效果上起關(guān)鍵作用，分別是支具開口（前方還是后方）、束帶張力、股骨大轉(zhuǎn)子襯墊、腰椎前凸設(shè)計和堅硬的外殼材料。

3.3.2數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用價值 Desbiens-Blais等[24]利用計算機輔助設(shè)計及制造（computer assisted design/computer assisted manufacturing，CAD/CAM）技術(shù)研發(fā)個體化支具。其步驟為利用2張X線片通過3D技術(shù)重建軀干及體表形態(tài)，將有限元模型輸入CAD/CAM軟件，進行交互設(shè)計及模擬矯形過程，然后通過數(shù)控車床切割制造實物；選取6例AIS患者分別佩戴新型個體化支具與常規(guī)支具，新型支具平均矯正主胸彎16°、胸腰彎13°，常規(guī)支具平均矯正主胸彎11°、胸腰彎16°，模擬狀態(tài)和實體測量結(jié)果并無統(tǒng)計學(xué)差異。雖然結(jié)果不盡如人意，但相信隨著樣本量的增加，以及個體化設(shè)計的更趨合理，數(shù)字化支具治療將會獲得更好的側(cè)彎矯正效果。最近與其同屬于一個實驗室的Cobetto等[25-26]的前瞻性對照研究結(jié)果表明，聯(lián)合應(yīng)用CAD/CAM工藝和有限元分析方法綜合制作支具，其矯形效果比單純應(yīng)用CAD/CAM工藝制作的支具效果更好。亦有學(xué)者借助3D打印技術(shù)制作個性化支具，患者佩戴的舒適感明顯改善[27]。

4 小結(jié)

目前支具治療AIS的生物力學(xué)研究主要集中在兩個方面，即如何調(diào)整現(xiàn)有支具以提高其治療效果，以及研究設(shè)計出更加符合側(cè)凸矯正生物力學(xué)行為的支具。但對于支具矯形力施加的方向、大小，束帶張力及襯墊壓力的具體關(guān)系，姿勢改變與支具調(diào)整等一系列問題，還需進一步深入研究。盡管能較好地模擬臨床相關(guān)生物力學(xué)機制，但如何運用有限元法精確展示人體解剖結(jié)構(gòu)、構(gòu)成材料屬性、邊界與負荷變化延長等，仍是一個難題；其有效性亦需實驗數(shù)據(jù)支持，或在應(yīng)用中進一步驗證。

未來脊柱外科醫(yī)師可從臨床實際出發(fā)，更新設(shè)計理念，運用臨床醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、人體工程學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)及材料學(xué)等領(lǐng)域的最新技術(shù)和成果，研制一種或多種新型支具，改善佩戴舒適度，真正實現(xiàn)個體化設(shè)計和三維矯形，最大程度地提高支具的治療效果，盡可能阻止AIS患者側(cè)凸進展，避免手術(shù)治療。