关天民，彭磊，朱晔，陈向禹

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）

0 引言

随着青少年特发性脊柱侧弯发病率逐年增加，青少年特发性脊柱侧弯对患者身心健康产生的影响被广泛关注。脊柱侧弯是指脊柱的一个或者数个节段向侧方弯曲并有旋转的三维畸形。目前，针对青少年特发性脊柱侧弯的治疗方法主要分为脊柱矫形器治疗和手术治疗两种。通常根据初诊Cobb 角的大小选择脊柱侧弯的治疗方案：Cobb 角小于20°采用保守治疗为主，例如：物理治疗、运动治疗和手法治疗等方法；对于Cobb 角在20°～45°之间的患者一般采用矫形器治疗同时配合保守治疗的治疗方案；对Cobb 角大于45°时，脊柱侧弯进展的风险增大同时侧弯会压迫胸腔内容物，故一般采用手术治疗的方法[1-2]。对于手术治疗脊柱侧弯还是存在一定风险并且术后可能伴随并发症的出现，例如严重侧弯或者胸廓明显畸形的患者，内环境表现相对缺氧状态，在进行手术后进一步加重呼吸功能障碍而引起的缺氧、低氧血症甚至呼吸衰竭等危[3-4]。

现如今，采用矫形器治疗Cobb 角在25°～45°范围内的脊柱侧弯是一种重要的手段，其矫形原理如图1。脊柱侧弯矫形器经过大量研究以及长期的临床应用其治疗效果得到了广泛的认可。2010 年北京协和医学院王凯[5]分析了波士顿矫形器对脊柱侧弯矫形的生物力学影响，其发现在一定范围之内，压力点压力越大矫形效果越好，同时还指出了除力学因素外，侧弯脊柱本身特性对波士顿矫形器矫形效果的影响例如：脊柱的柔韧度、侧弯类型与位置等因素。2011 年加拿大蒙特利尔理工学院Clin J 等人[6]将脊柱重力因素考虑到侧弯脊柱有限元模型中，并且对脊柱侧弯矫形进行合理的设计。作者对重力在脊柱终板上产生的压缩载荷进行量化同时证明了佩戴矫形器之后脊柱终板上不对称压缩载荷显著减少。2014 年第二军医大学的易红蕾[7]针对现有矫形器的缺陷对矫形器进行了改良设计以实现更好的三维矫形效果，同时还对矫形器治疗顺应性监测系统进行了设计，以便于对矫形过程进行监控。同年香港大学Li M 团队[8]指出身体质量指数（BMI）也是影响脊柱矫形的一个重要指标，其团队在测试矫形效果时证明，肥胖患者较正常患者的软组织粘弹性响应时间更长。2015 南京鼓楼医院徐磊磊等人[9]通过对脊柱侧弯患者进行统计学分析发现年龄较小、Risser 征象较低、初始矫正率较低等是脊柱侧弯矫形失败的因素之一。而2017 年南京大学的孙伟翔[10]分析影响矫形效果因素，提出了BMI 也是影响矫形质量的一个关键因素，较高的BMI 导致机械矫形力量分散进而影响到作用在脊柱上的机械力的效果。2016 年丹麦哥本哈根大学Soren Ohrt-Nissen 等人[11]对平均年龄13.3 岁的63 名患者进行线性逻辑分析发现脊柱的柔韧度是影响支具矫形治疗的关键因素之一。

图1 脊柱侧弯三点力原理图

脊柱侧弯矫正过程是复杂多变的，目前国内外学者在影响人体主动矫形因素方面进行了单一的研究，例如脊柱自身自重对侧弯部位的影响、BMI 对机械外力卸载作用影响以及脊柱柔韧度对脊柱侧弯矫形影响。但是，忽略了人体在呼吸作用时产生的呼吸力对脊柱的影响。当人体穿戴矫形期之后，在脊柱侧弯矫形器压力垫对应侧设置释放区域，通过人体自身呼吸运动，胸腔和腹腔压力增大，但由于一侧受压，脊柱只能向有空间的释放区域偏移，从而人体通过自身的呼吸运动产生主动矫正力[12-15]。本文主要研究患者在穿戴矫形器时不同姿势呼吸导致的胸廓变化与矫形器产生的挤压力的影响。

1 试验与方法

对于主胸弯的患者一般会伴随着胸廓畸形等并发症，胸廓畸形通常会使胸壁扩张受限，同时胸肺功能的顺应性也会受到影响，由于肋骨的变形使附着其上的呼吸肌群也发生了功能性的改变，影响着膈肌和肋间肌的正常收缩，从而导致了不同程度上的限制性肺通气功能损害和肺弥散功能的下降[16-17]。本实验主要目的探究脊柱侧弯患者在不同的姿势下因胸廓变形与矫形器产生的挤压力的影响因素。因此，从呼吸运动的进行过程可知，呼吸运动主要依靠两部分呼吸肌的舒缩来完成，分别表现为胸、腹两个部位的活动，一是肋间外肌舒缩引起肋骨和胸骨运动，引起胸廓前后、左右径增大，表现以胸部活动为主；二是膈肌收缩，使胸廓的上下径增大，表现以腹部活动为主。吸气时，膈肌收缩，膈的隆起部下降，上腹部脏器如肝、脾等随之下降，于是前腹壁向外突出；呼气时则相反，前腹壁向内复位。以肋骨和胸骨活动为主的呼吸运动，叫胸式呼吸；以膈肌运动为主的呼吸运动，叫腹式呼吸[18-20]。本实验基于大连交通大学辽宁省先进运动与康复器械重点实验室进行测验。

1.1 试验设备及软件

薄膜压力传感器、脊柱侧弯矫形器、Matlab（2016，Mathworks，美国），如图2。

图2 实验设备

1.2 试验过程

试验对象：患者为三名上胸部C 型脊柱侧弯，年龄10-12 岁，体重（35±8）kg，Risser 征2 级-3级，脊柱僵硬度中等，三位患者侧弯类型均为主侧弯，侧弯Cobb 角度分别为23.4°，29.3°和30.6°。

试验地点：大连交通大学辽宁省先进运动与康复器械重点实验室。

试验原理：脊柱侧弯会导致凹侧的肋骨活动受限，从而吸气时气体不能很好地进入到这一侧的肺部，这会导致呼吸甚至肺活量受到影响。但是当一侧胸廓的活动受到限制，另一侧的活动就会增加，此时相对更多的气体就会进入到活动多的一侧（总体肺活量还是减少的）。进而通过薄膜压力传感器采集胸廓的变化与矫形器之间产生的挤压力[21-23]。

试验步骤：（1）对薄膜压力传感器进行调试，如图3 所示。

图3 薄膜压力传感器通讯测试

（2）将应变片贴在主侧弯处的皮肤上，佩戴脊柱侧弯矫形器之后通过传感器测得站立、蹲下、弯腰30°、行走和坐立五种姿势下在一分钟内每次的呼气和吸气时的受力大小。传感器测得压力如图4所示。

图4 薄膜传感器测得压力

脊柱侧弯患者通过佩戴支具矫形，通过三点力原理给脊柱施加多组抗旋力和矫形力，这都属于被动矫正。而患者在矫形器内的呼吸运动则属于主动矫正，希望通过患者一边吸气一边躲避压力点，主动向侧弯方向移动脊柱。呼吸分为胸式呼吸和腹式呼吸两种，女孩多为胸式呼吸，男孩一般是胸式呼吸和腹式呼吸结合。有目的的呼吸训练，可以增加肺活量，通过内在迸发力量来使凹侧突出的椎体逐渐恢复。而且，在佩戴脊柱侧弯矫形器进行深吸气时，侧弯凸侧的脊柱受到了矫形器的抑制，吸气时胸廓的位移都向侧弯凹侧移动，所以脊柱侧弯矫形器对侧弯脊柱起到很好的矫形作用[24-25]。

2 结果

通过薄膜压力传感器测得不同体位下的因呼吸作用产生胸廓扩张与脊柱侧弯矫形器产生的挤压力。如图5 以及表1 可以得知：（1）正常体脂的男性患者挤压力要明显高于正常体脂的女性患者；（2）正常体脂的男性患者的挤压力略微高于体脂率偏高的男性患者；（3）体脂较高男性患者的波动剧烈程度高于体脂正常男性患者和体脂正常的女性患者。

图5 不同姿势下挤压力对比图

表1 不同体位下呼吸压力平均值比较

我们可以发现：（1）研究测试受试患者心肺功能发现男性患者的心肺功能优于女性患者。在一般情况下由于男生和女生的肺活量差距过大，导致男生的呼吸运动产生的呼吸力会比女生大。（2）通过对正常体脂率的男性患者和体脂率较高的男性患者比较发现，若在产生同等呼吸力的条件下，由于骨骼、脂肪和皮肤等软组织会呈现出非线性力学特性以及各个组织之间耦合关系的不确定性会出现呼吸力卸载的情况。因此脂肪含量越高，呼吸产生的呼吸力也就会卸载的越多。（3）脂肪组织约占人体总重量的5%-60%，其在吸收和分配机械外力过程中起到十分重要的作用，可以吸收和防止局部应力集中。根据图6 显示，不同受试患者、不同部位和不同姿势会导致力在组织间的传递发生非常大的变化，这可能是由于受是患者间存在着个体差异，不同部位脂肪分布不同，以及不同姿势导致膈肌和肋间肌的收缩不同进而导致呼吸力的变化。

图6 不同体位下呼吸压力平均比较

3 结论

一般正常的胸腔、肺容积以及保持胸腔容积正常变化的膈肌和肋间肌的收缩运动可以保证正常的呼吸功能。脊柱侧弯会导致胸廓、腹腔、盆腔整体容积变小。如果侧弯发生在腰椎，就会影响腹腔和盆腔的容积；如果侧弯发生在胸椎，就会影响心肺容积。当胸腔的容积受到影响的时候，通常会表现出来患者的肺活量的变化，一般来说患者侧弯Cobb角到达40°时，患者的肺活量会降低20%左右。而脊柱侧弯矫形器可以提供机械外力进行矫正，同时配合上自身呼吸训练对侧弯脊柱起到很好矫形作用，同时侧弯脊柱的变化也会影响胸腔、腹腔和盆腔的容积变化。

（1）当处于不同姿势时，附着于肋骨上的呼吸肌群发生生理改变，影响着膈肌和肋间肌的正常收缩功能，从而导致了患者不同姿势时呼吸力的变化。

（2）肺活量作为反映人体呼吸机能的重要指标，与性别，年龄，BMI 和胸围等因素有着密切的联系。呼吸量的大小最终反映在产生呼吸力的大小。

（3）由于人体脂肪组织和皮肤具有非线性力学特点，当受到机械外力刺激时会发生蠕变以及对外力进行卸载的一个过程，同时脂肪组织起到缓冲吸震的作用。通过研究对比发现，不同体脂率对呼吸力传导也会产生影响。体脂率较高的患者呼吸力在传递过程中会产生较大的卸载。

通过正确的呼吸训练可以对胸廓畸形、姿势异常起到很好的矫正作用，同时也会改善患者肺部功能和呼吸肌的能力。在矫形器治疗期间，配合运动治疗可以提高呼吸功能进而实现呼吸肌功能的改变从而达到缓解胸部关节僵硬的情况以实现脊柱侧弯主动矫形过程。