【背景】青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是一种好发于青春期前后、涉及冠状面、矢状面和轴状面的三维脊柱畸形，据报道其患病人数占所有青少年人群的1-3%，其发病机制存在多种假设，尚无定论，因此无法从病因上进行根治。如不及时发现及时治疗，脊柱畸形将不可避免的加重，除了影响患者的外观外，还会恶化患者的心肺功能及心理健康，给个人、家庭及社会造成严重的后果。对于重度脊柱畸形，Cobb角度大于45°以上的患者，通常选择手术治疗，这已达成共识。而对于骨骼尚未成熟，Cobb角度为25°~40°的患者，支具矫形治疗被认为是目前唯一有效的保守治疗方式。但是支具治疗仍旧存在很多弊端，一是支具佩戴的顺应性（佩戴时间及有效界面作用力）常无法量化监测，在过去的大多数研究中常采用患者的主观评定，无客观指标，最近也有作者应用温度或湿度传感器来监测佩戴时间，实现了部分量化，但是对于支具作用于躯干的压力无法实现量化监测。二是传统的Boston支具主要通过冠状面三点或四点作用于躯干实现阻止或改善脊柱畸形的目的，但是临床上常出现矢状面的平背现象，影响患者的呼吸功能，无法实现三维矫形。有学者研究认为在脊柱胸腰交界处施加前凸的矫形力可以改善AIS患者冠状面的畸形，其临床研究也指出，应用胸腰段前凸30°的新型支具（支具冠状面无内衬，对躯干作用力维持对称）治疗AIS，1年的随访结果较好。因此，本课题组在综合已有的理论研究基础上创新性的提出并制造了新型的三维矫形支具，在传统Boston支具的胸腰段构建15°前凸角，同时内置气囊，调整前凸压力，在维持冠状面施压的同时给予矢状面载荷。目前尚未见类似报道。同时应用有限元方法构建叠加腹壁、胸廓、支具等完整的脊柱侧凸模型，对比模拟传统Boston支具及新型三维矫形支具的治疗效果，然后将新型三维矫形支具应用于临床，目前相关报道甚少。【目的】本研究应用计算机辅助技术，通过薄层CT扫描获取原始数据，拟构建附有椎体，椎间盘，髓核，韧带，胸廓等脊柱侧凸模型，同时叠加腹壁及支具，然后通过多种方法验证模型的可靠性。仿真模拟新型三维矫形支具在治疗脊柱侧凸的疗效方面的优越性，同时将其应用于临床，观察其即刻矫正效应，证实其较传统Boston支具的优势。同时建立一套有线及无线的顺应性监测的实验设备，既能客观的记录患者佩戴时间，同时能监测支具作用脊柱的界面有效压力，以期提高疗效。【方法】1.建立AIS三维有限元模型、验证及模拟选择1例胸腰双弯AIS患者，女性，14岁，取仰卧位，连续CT薄层扫描颈7至骨盆，获取CT图像，导入软件Mimics10.0建立三维仿真模型，几何清理后，将模型导入软件Ansys11.0，划分网格，定义节点连接与接触，赋予材质属性，添加椎间盘、肋软骨、胸骨、韧带、腹壁、支具等组织，建立完整的AIS模型，随后进行参数优化及模型的有效性验证。最后分别模拟不同施力方案作用脊柱侧凸之后的参数变化，对比观察其治疗效果。2.支具治疗的顺应性监测系统开发应用压力传感器感测支具与躯干的接触点压力，微处理器收集数据并作运算出来，将处理结果通过USB传输给PC电脑，编制程序读取压力值，超过某设定阈值后视为有效压力时间，进行累计计时，分为单独一个压力传感器，两个传感器同时读取。同时编制程序，进行声音提醒，即低于阈值时，设定报警声音。无线蓝牙读取模式则通过蓝牙模块，连接无线接收端设备苹果智能手机，应用APP程序读取数据。3.新型三维矫形支具的生物力学机制分析及临床应用初探选择19例AIS患者，给予佩戴传统boston支具，支具应力以患者主观感觉接近不能耐受的最大值为标准，分别测量应力分布点为右胸弯顶椎，左腋下，左腰部，双侧髂嵴。记录好压力数据，同时摄脊柱正侧位全长X片，记录冠状位，矢状位及顶椎轴状位的旋转度。维持压力不变，佩戴新型三维矫形支具，矢状面胸腰段给予80N前凸作用力，观察上述脊柱参数变化，进行对照。【结果】1.本研究成功建立了AIS三维有限元模型，包括了完整的脊柱结构（C7-骨盆）、胸廓（含胸骨、肋骨、锁骨）、椎间盘、髓核、韧带、腹壁及支具。经参数优化后，该模型与实体几何相似性好，与文献报道的生物力学测试一致，验证有效。在支具背部胸、腰两处施加40N的束带张力，模拟单纯冠状面施加载荷，结果显示胸弯及腰弯Cobb角分别减小7°及6°，同时发现矢状面曲度亦有所减小，胸椎后凸减少2°，腰椎前凸减少3°。在维持支具束带张力40N不变的前提下，在胸腰段给予不同大小的载荷（40N，60N，80N），发现随着矢状面施力增加，腰椎前凸角明显增大，胸椎后凸角稍增加，胸腰段后凸角明显减小，顶椎旋转度有所减少，冠状面胸腰椎侧凸Cobb角也呈减小趋势。以80N施力方案脊柱参数改善最为明显，其中胸椎后凸增加2°，腰椎前凸增加7°。胸腰椎侧凸角分别减少9°及13°。2.成功建立有线及无线顺应性监测系统。将压力传感器，微处理器通过串口通信方式连同PC，在PC端基于visual studio建立桌面端控制程序，对传感器采集的数据进行动态显示，并在压力小于所设定的阈值的时候产生声音警报。在此基础上，我们应用redbear BLE shield蓝牙4.0模块，与Arduino控制板连接。通过它，能够轻松便捷的让Arduino与iPhone5s设备进行有效连接。Arduino动态扫描，碰到压力条件满足就发出信号，手机接受信号，通过App程序Lightblue读取。3.应用I-scan系统进行5点压力测试，右胸弯压力为61.8±17.9N，左腋下压力为21.0±6.9N，左侧腰部压力31.1±11.4N，右侧髂嵴压力29.5±11.9N，左侧髂嵴压力25.4±11.1N。佩戴新型三维矫形支具后，同法测试，结果显示右胸弯压力为62.4±17.1N，左腋下压力为21.8±7.1N，左侧腰部压力31.1±10.8N，两者比较P=0.966;右侧髂嵴压力29.1±12.3N，左侧髂嵴压力24.8±9.8N，与传统支具压力比较无统计学差异（P>0.05）。胸腰段前凸矫形力为78.3±6.1N。佩戴传统支具后，胸弯矫正率为21%，腰弯矫正率为31%，胸椎顶椎旋转度矫正率为13%，腰椎顶椎旋转度矫正率为36%；佩戴新型三维矫形支具后，胸弯矫正率为36%，腰弯矫正率为52%，胸椎顶椎旋转度矫正率为39%，腰椎顶椎旋转度矫正率为53%。可以明确看到，两种支具对冠状面矫形效果明显，亦能改善明显侧凸顶椎旋转度，均有统计学意义（P<0.01），但是新型三维矫形支具较传统支具矫形效果更佳（P<0.01）。对于矢状面参数来说，传统Boston支具能明显减少胸椎后凸角及腰椎前凸角（P<0.05），新型支具能略增加胸椎后凸，但无统计学意义（P>0.05），能明显增加腰椎前凸（P<0.05）。对比分析五个接触点的压力值与佩戴支具后cobb角矫正率的相关性，采用双变量相关性分析，右胸部压力、左腋下压力与佩戴传统支具后的胸椎旋转度矫正率、左腋下压力与佩戴新型支具后的胸弯矫正率相关(P<0.05)。其余各点压力值与侧弯矫正率的Pearson相关系数以及Spearman非参数相关系数的检验结果均远大于O.05，无相关性。【结论】1.成功建立了叠加支具的侧凸脊柱三维有限元模型，验证有效。不同支具的模拟研究发现新型三维矫形支具在增加了矢状面胸腰段前凸力的作用下较传统Boston支具能够更好的实现三维矫形，并且认为胸腰段给予80N前凸作用力效果最佳，为下一步临床验证及应用奠定了实验基础。2.本研究成功开发了一套压力监测设备，读取程序，有线及无线显示终端，形成了一套完整的监测侧弯患者佩戴支具顺应性的系统，为将来开发可移动设备，应用于临床提供了极大的可能性。3．本实验通过Iscan压力传感器系统监测了传统及新型三维矫形支具对于躯干5个接触点的压力值，认为最大压力点处为胸椎顶椎处，其次为腰椎顶椎处，他们提供了主要的矫形压力，其他压力点提供辅助性对抗作用。4．对于不同的患者，支具的压力大小与支具矫形效果没有明显相关性，表明矫形支具的效果除了受生物力学因素影响外，还有别的因素参与其中。5．新型三维矫形支具除了在冠状面施加作用力外，同时施加载荷于矢状面胸腰段，较传统Boston支具能更好的实现冠状面畸形矫正，同时能够更好的维持矢状面弧度，避免平背现象的发生，真正的实现三维矫正脊柱畸形。