3D人體掃描系統(tǒng)在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎支具治療中的應(yīng)用

謝雁春，顧洪聞，趙予輝，李林洋，于海龍 (北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是指有側(cè)彎或旋轉(zhuǎn)畸形，而無(wú)其他先天脊柱異?；蚣膊〉募怪Y(jié)構(gòu)性曲度改變，是常見(jiàn)的脊柱側(cè)彎之一，約占所有脊柱側(cè)彎的80%，青少年患病率為2%～3%[1-2]。不同程度的特發(fā)性脊柱側(cè)彎可能會(huì)引起青少年的胸廓畸形及心肺功能障礙，導(dǎo)致其生活能力和生存質(zhì)量下降。因此，對(duì)于AIS患者應(yīng)積極采取相應(yīng)的有效措施，早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)[3]。目前多數(shù)研究者認(rèn)為對(duì)冠狀位Cobb角在45°以上、出現(xiàn)肩部或骨盆失去平衡的AIS患者，矯形手術(shù)是首選治療方案[1-2,4-5]。隨著三維脊柱矯形理論的普及和其在骨科臨床及科研中的應(yīng)用，脊柱側(cè)彎矯形手術(shù)成功率顯著提高，然而矯形手術(shù)創(chuàng)傷較大、費(fèi)用高昂，具有一定風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥，且術(shù)后患者會(huì)喪失部分脊柱活動(dòng)度。因此，對(duì)于局部Cobb角在20°～45°且沒(méi)有手術(shù)指征的輕、中度AIS患者，為延緩或糾正脊柱畸形的進(jìn)展，推遲手術(shù)治療的時(shí)間，支具治療是目前有效的非手術(shù)治療手段，也是學(xué)者們努力探究的方向。近年來(lái)，3D人體掃描技術(shù)不斷發(fā)展，臨床上可通過(guò)紅外線(xiàn)3D掃描技術(shù)進(jìn)行治療前的評(píng)估和規(guī)劃[6-7]。因此，本研究結(jié)合當(dāng)前高速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和紅外線(xiàn)3D打印技術(shù)，將基于3D人體掃描打印技術(shù)所制作的支具用于治療AIS，并比較分析傳統(tǒng)石膏取模支具與3D掃描取模支具治療AIS的臨床療效及患者生存質(zhì)量。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇我院2015年1月至2018年1月接受傳統(tǒng)石膏取模支具和3D掃描取模支具進(jìn)行規(guī)范化治療的AIS患者42例，其中男13例，女29例，初診時(shí)年齡10～16歲，平均(13.3±1.2)歲；治療前主彎冠狀面Cobb角20°～45°，平均(32.44±5.06)°；骨骼發(fā)育Risser征0～3級(jí)，其中主胸彎27例，胸腰彎/腰彎15例。根據(jù)取模方式分為傳統(tǒng)組和3D組，傳統(tǒng)組20例患者采用傳統(tǒng)石膏取模支具治療，3D組22例患者采用3D掃描取模支具治療。2組患者性別、月經(jīng)初潮年齡、治療初Risser征、治療初始年齡、隨訪(fǎng)時(shí)間、治療初主彎Cobb角、側(cè)凸類(lèi)型比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性，見(jiàn)表1。納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合AIS患者支具治療指征；②初診時(shí)年齡為10～16歲；③主彎Cobb角為20°～45°；④骨骼發(fā)育尚未成熟(Risser征0～3級(jí))；⑤病歷資料及影像學(xué)資料完整；⑥之前未接受過(guò)任何治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：①因各種原因無(wú)法定期隨訪(fǎng)；②患有其他對(duì)支具療效及生存質(zhì)量有嚴(yán)重影響的慢性??；③隨訪(fǎng)時(shí)間少于6個(gè)月。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者及家屬均同意接受支具治療。

表1 患者一般資料比較

1.2 支具制作及使用方法

支具材料選取改進(jìn)型聚丙烯板材，所有隨訪(fǎng)患者均穿戴定制的Cheneau支具。支具制作前對(duì)患者進(jìn)行相關(guān)評(píng)估，如外觀、姿勢(shì)及脊柱形態(tài)等，隨后進(jìn)行石膏取?；?D掃描系統(tǒng)取模操作。

傳統(tǒng)組：患者褪去上衣及貼身衣物，將一層透明薄膜裹于患者頸部以下至髖部，之后用石膏均勻覆于透明薄膜上，待石膏凝固后將石膏模具用器具作1個(gè)縱形切口取下，保存模具。運(yùn)用3D打印技術(shù)在所取模具內(nèi)層進(jìn)行模擬，并制作支具。

3D組：患者褪去上衣及貼身衣物，站立于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，將調(diào)試好的3D掃描設(shè)備對(duì)準(zhǔn)患者身體，開(kāi)始掃描并啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，將患者外觀數(shù)據(jù)錄入電腦，運(yùn)用skanect軟件進(jìn)行快速建模，使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行支具模型設(shè)計(jì)，并運(yùn)用3D打印技術(shù)在所建模型外覆上模擬的支具，制作支具(圖1)。

a：對(duì)側(cè)彎患者進(jìn)行皮膚及骨骼紅外線(xiàn)數(shù)據(jù)采集；b、c：對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析；d、e：使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行支具模型設(shè)計(jì)及有限元分析；f：3D打印出矯形支具

然后根據(jù)三維脊柱理論的三點(diǎn)加壓法及骨性指標(biāo)對(duì)所有支具進(jìn)行修整，修整完成后患者進(jìn)行試用及反饋，再進(jìn)一步調(diào)整支具，提高整體舒適度。

1.3 觀察指標(biāo)

收集支具治療前所有AIS患者站立位脊柱全長(zhǎng)正側(cè)位X射線(xiàn)片資料。支具治療期間每隔3～6個(gè)月復(fù)查脊柱正側(cè)位X射線(xiàn)片，影像學(xué)資料由同一位臨床醫(yī)師進(jìn)行測(cè)量，采用我院影像科醫(yī)學(xué)影像存檔和Surgimap軟件測(cè)量相關(guān)參數(shù)，包括主彎Cobb角、胸椎后凸角、腰椎前凸角、矢狀位平衡等。在末次隨訪(fǎng)時(shí)采用脊柱側(cè)彎研究學(xué)會(huì)22項(xiàng)量表(scoliosis research society 22 questionnaire，SRS-22)[8]及健康調(diào)查簡(jiǎn)表(short form-36 health survey，SF-36)[9]評(píng)估患者生存質(zhì)量。SRS-22量表評(píng)估內(nèi)容包括患者的功能活動(dòng)度、疼痛情況、自我形象、心理健康以及治療滿(mǎn)意度，得分越高表示療效越好。SF-36量表評(píng)估內(nèi)容包括生理功能、生理職能、軀體疼痛、總體健康、活力、社會(huì)功能、情感職能、精神健康，得分越高表示療效越好。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用Microsoft Excel進(jìn)行資料數(shù)據(jù)錄入，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較組間差異，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 治療結(jié)果

所有患者均得到隨訪(fǎng)，隨訪(fǎng)時(shí)間為13～26個(gè)月，平均22.8個(gè)月。隨訪(fǎng)期間所有AIS患者的側(cè)彎角度均得到了不同程度的控制，未出現(xiàn)明顯進(jìn)展；均未出現(xiàn)胸廓畸形、呼吸困難、活動(dòng)障礙及其他嚴(yán)重并發(fā)癥。

2.2 患者主彎Cobb角比較

3D組隨訪(fǎng)1年及末次隨訪(fǎng)時(shí)主彎Cobb角與傳統(tǒng)組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表2。

表2 患者主彎Cobb角變化

2.3 患者胸椎后凸角、腰椎前凸角及矢狀位平衡比較

末次隨訪(fǎng)時(shí)，2組患者的胸椎后凸角、腰椎前凸角、矢狀位平衡組間比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表3。

表3 患者末次隨訪(fǎng)時(shí)矢狀位參數(shù)糾正比較

2.4 患者SRS-22量表評(píng)分及SF-36量表評(píng)分比較

3D組患者SRS-22量表評(píng)分中自我形象、心理健康、治療滿(mǎn)意度得分均高于傳統(tǒng)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；2組功能活動(dòng)度及疼痛情況得分比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。3D組SF-36量表的評(píng)分高于傳統(tǒng)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表4。

表4 患者末次隨訪(fǎng)時(shí)SRS-22、SF-36評(píng)分分)

2.5 典型病例

患者，女，年齡12歲，月經(jīng)初潮7個(gè)月，2016年12月因AIS來(lái)我院進(jìn)行支具矯正治療。采用3D掃描系統(tǒng)取模，支具治療初期Risser征3級(jí)，Cobb角37.58°(圖2a)?；颊呙刻炫宕髦Ь?0 h以上，日常生活和學(xué)習(xí)活動(dòng)未受到顯著影響。支具治療23個(gè)月后Risser征4級(jí)，Cobb角26.38°，患者脊柱側(cè)彎情況得到良好控制(圖2b)。

a：治療初期；b：治療23個(gè)月后

3 討論

AIS是脊柱在三維空間上發(fā)生的結(jié)構(gòu)性改變，是生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期常見(jiàn)的疾病之一。Zhang等[10]通過(guò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)和Meta分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)小學(xué)生AIS的發(fā)病率約為1.02%。AIS的病因至今尚未明確，可能與遺傳基因、神經(jīng)系統(tǒng)、不良姿勢(shì)、血小板及激素水平等相關(guān)[11-12]。有研究認(rèn)為，可能是由于患者生長(zhǎng)激素水平高于正常水平，從而出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育高峰提前，使脊柱和脊髓的生長(zhǎng)比例失衡，進(jìn)而導(dǎo)致AIS的發(fā)生[13]。美國(guó)霍普金斯大學(xué)及國(guó)立衛(wèi)生研究所進(jìn)行了一次大規(guī)模全基因組掃描和分型的連鎖分析，結(jié)果提示AIS可能是一種多基因相關(guān)的疾病[14]。而所有AIS患者中，需要進(jìn)行矯形手術(shù)治療的嚴(yán)重脊柱側(cè)彎患者約0.1%，絕大部分的患者則僅需要觀察隨訪(fǎng)及適當(dāng)?shù)姆鞘中g(shù)治療即可[15]。通過(guò)矯形手術(shù)對(duì)AIS患者進(jìn)行畸形矯正的同時(shí)也會(huì)使脊柱喪失一定運(yùn)動(dòng)功能，且矯形手術(shù)操作復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較高，易造成神經(jīng)損傷甚至癱瘓。因此，近年來(lái)越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注AIS的非手術(shù)治療。

3.1 支具治療在AIS中的應(yīng)用

對(duì)于有側(cè)彎進(jìn)展傾向的AIS患者，支具治療已成為矯正輕、中度脊柱側(cè)彎公認(rèn)有效的非手術(shù)治療方法，可有效控制脊柱畸形進(jìn)一步加重，矯正側(cè)彎角度，以免行風(fēng)險(xiǎn)更高的手術(shù)治療[16]。當(dāng)今支具的制作原理多運(yùn)用生物力學(xué)三點(diǎn)力原理和縱向牽引力原理對(duì)脊柱進(jìn)行側(cè)向推動(dòng)和縱向牽引，在不影響患者正常生長(zhǎng)發(fā)育及呼吸運(yùn)動(dòng)的情況下，控制患者脊柱側(cè)彎的進(jìn)展，使脊柱側(cè)彎畸形得到有效控制和矯正[17-18]。

由于AIS患者的個(gè)體差異較大，支具種類(lèi)及材質(zhì)也多種多樣，目前很難比較不同支具之間的治療效果。常用的支具類(lèi)型有Cheneau支具、Milwaukee支具、Lyon支具、Boston支具、SpineCor動(dòng)力支具等。相對(duì)于其他類(lèi)型支具，本研究所使用的新型Cheneau支具預(yù)留了凹陷區(qū)，為患者呼吸及運(yùn)動(dòng)提供了足夠的伸展空間，有利于患者的生長(zhǎng)發(fā)育[19]。

支具治療AIS的主要適應(yīng)證包括：①側(cè)彎Cobb角25°～30°且伴有5°以上角度進(jìn)展；②側(cè)彎Cobb角20°～45°；③患者骨骼發(fā)育尚未完全(至少1年以上的生長(zhǎng)潛力)；④Risser征≤4級(jí)。禁忌證包括：①肥胖、高位胸椎側(cè)彎或胸椎側(cè)彎伴胸椎嚴(yán)重前凸；②無(wú)明顯生長(zhǎng)發(fā)育跡象；③精神異?；驑O度不配合；④患者主彎Cobb角>45°或脊柱側(cè)彎畸形進(jìn)一步發(fā)展的可能性較大。

當(dāng)患者的正常生長(zhǎng)發(fā)育結(jié)束，即骨骼已發(fā)育成熟，則可停止支具的治療。朱澤章等[20]認(rèn)為停止支具治療的指征為男性Risser征5級(jí)，女性Risser征4級(jí)且月經(jīng)初潮滿(mǎn)3年。也有研究直接將患者Risser征5級(jí)作為支具治療終止的指標(biāo)[21]。Risser征達(dá)到5級(jí)后停止佩戴支具可防止患者因佩戴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短而引起治療效果不佳，或出現(xiàn)相應(yīng)并發(fā)癥。如果支具佩戴期間患者的側(cè)彎角度進(jìn)展迅速或出現(xiàn)明顯的神經(jīng)癥狀，支具已無(wú)法有效控制側(cè)彎的進(jìn)展，繼續(xù)使用支具治療的效果較差，并可能延誤患者治療，應(yīng)及時(shí)考慮矯形手術(shù)治療。

Dickson等[22]研究認(rèn)為，支具治療會(huì)影響部分患者的身心健康，支具所帶來(lái)的外觀改變和不適感會(huì)使患者對(duì)支具治療產(chǎn)生抵觸心理，其中以Milwaukee支具最為明顯。對(duì)于處在發(fā)育高峰期的青少年，應(yīng)考慮到患者可能出現(xiàn)的心理和生理影響，定期復(fù)查并及時(shí)調(diào)整支具，注意支具固定位置是否正確，若患者生長(zhǎng)發(fā)育較快，則需要及時(shí)更換支具，以減少相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生[23-33]。Zaina等[34]認(rèn)為，在支具治療期間配合適當(dāng)?shù)墓δ苠憻?，既能改善支具治療可能引起的胸廓活?dòng)受限及心肺功能下降，又能有效減少在支具治療期間矯正的Cobb角丟失。

3.2 3D人體掃描系統(tǒng)在支具治療中的應(yīng)用

3D人體掃描，即人體的三維空間數(shù)字化模型建立，是通過(guò)對(duì)人體的表面進(jìn)行測(cè)量，得到數(shù)字化3D模型的過(guò)程[35]?；?D人體掃描系統(tǒng)制作支具的過(guò)程是通過(guò)紅外線(xiàn)掃描、視頻數(shù)據(jù)成像、光學(xué)傳感捕捉人體模型數(shù)據(jù)，從而對(duì)人體進(jìn)行快速3D建模。所采集的人體數(shù)據(jù)錄入軟件后可自動(dòng)修補(bǔ)，形成完整的成型數(shù)據(jù)，可提高生產(chǎn)效率，節(jié)省制作時(shí)間。而傳統(tǒng)的石膏取模方法不僅取模時(shí)間較長(zhǎng)，患者易因身體接觸石膏而感到不適，且不能完全緊貼人體，會(huì)一定程度上造成取模的誤差。在石膏凝固取下時(shí)，還可能因切割等操作對(duì)患者造成損傷。

綜上，本研究通過(guò)分析基于3D人體掃描系統(tǒng)取模制作的支具與傳統(tǒng)石膏取模制作的支具用于治療AIS發(fā)現(xiàn)，3D人體掃描系統(tǒng)取模是一種安全、方便、快捷的支具取模方法，為支具的制作提供了很好的選擇；3D人體掃描系統(tǒng)取模制作的支具能有效控制并緩解AIS患者病情，易被患者及其家屬接受，能提高患者依從性，有利于提高長(zhǎng)期治療效果。