王文治，高 輝，陳維毅，張緒樹(shù)，劉佳禾

(太原理工大學(xué) a.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，b.山西省材料強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)沖擊重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，c.建筑學(xué)院，太原 030024)

脊柱后凸(kyphosis，KS)俗稱“駝背”，常見(jiàn)于青少年及日?！暗皖^族”，駝背不僅影響個(gè)人形象，而且還會(huì)引發(fā)的相關(guān)脊椎疾病[1]。脊柱后凸作為常見(jiàn)的脊柱畸形[2]，其危害不容忽視，由于脊柱后凸患者在胸背部后凸增大，其身體重心趨向前，導(dǎo)致其矢狀面角度的失衡；為了保持平衡，患者往往會(huì)不自主屈髖、屈膝，使重心后移，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引發(fā)肌肉疲勞、關(guān)節(jié)疼痛等并發(fā)癥[3-4]。輕度脊柱后凸通常通過(guò)非手術(shù)手段治療緩解，即佩戴脊柱后凸矯形器，而嚴(yán)重脊柱后凸畸形往往需要通過(guò)外科手術(shù)矯形治療[5-9]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)在市面上流行的脊柱后凸矯形器專利分析，目前使用最廣泛、最為人們所接受的有兩種，如圖1(a)和1(b)所示，其中圖1(a)為帶有背帶和腰帶的矯形器；圖1(b)為無(wú)背帶和腰帶的矯形器。相對(duì)比無(wú)背帶和腰帶的矯形器，帶有背帶和腰帶的矯形器更科學(xué)、合理，正如文獻(xiàn)[10-11]中所提及矯正帶需使肩、背、腰和腹部均衡受力，才可使身姿維持自然挺拔，圖1(a)中肩帶作用于肩部而產(chǎn)生后拉雙肩的均衡力系；背帶作用于背部脊椎區(qū)；腹部腰帶可對(duì)肩部作用一個(gè)向后的矯形分力。肩帶、背帶和腹部腰帶相結(jié)合，在脊椎區(qū)產(chǎn)生“三維”力矩，矯正含胸駝背。

(a) 有背帶和腰帶的矯形器[12]；(b) 無(wú)背帶和腰帶的矯形器；(c) 矯形器力學(xué)作用方式圖1 脊柱后凸矯形器及其力學(xué)作用方式Fig.1 Orthotics and its mechanical state

圖1(c)為矯形器力學(xué)作用方式，F(xiàn)JD是肩帶作用于肩部的一個(gè)合力，每個(gè)肩帶合力可分解為沿垂直軸、冠狀軸和矢狀軸的3個(gè)分力，分別為豎直向下的分力F1、水平向內(nèi)的分力F2和垂直脊柱向后的分力F3.豎直向下的分力F1對(duì)駝背患者的脊柱有向下壓迫的作用，這容易造成脊柱的繼發(fā)性損傷[13]，從而加重駝背的狀況；水平向內(nèi)的分力F2對(duì)患者的胸部和背部產(chǎn)生擠壓感，這也是大多數(shù)患者反映佩戴矯形器后，感覺(jué)胸部和背部受到很大的擠壓力和限制的原因，嚴(yán)重影響佩戴的舒適度和積極性[14-16]，從而使佩戴者穿戴一段時(shí)間后就放棄了；真正起矯正效果的力是垂直脊柱向后的分力F3.由于目前駝背矯形器的設(shè)計(jì)均以穿戴性為主[17-20]，其設(shè)計(jì)和性能評(píng)估尚未具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和方法，因此尚不存在個(gè)性化矯正設(shè)計(jì)。

綜上，能起到矯形作用且對(duì)人體負(fù)面影響小的新型個(gè)性化矯形器亟待推出。個(gè)性化矯形器的涉及應(yīng)包含以下兩點(diǎn)：一是針對(duì)不同駝背程度所需要施加的力F3的大小適宜；二是F2的力盡可能小，以減輕對(duì)胸部的束縛。但到目前為止，對(duì)矯形力進(jìn)行測(cè)試分析的研究還未見(jiàn)諸報(bào)導(dǎo)。為對(duì)駝背矯形器的設(shè)計(jì)提供理論參考，本文搭建了包括試驗(yàn)機(jī)、測(cè)力計(jì)、攝像系統(tǒng)在內(nèi)的人體脊柱后彎力加載測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)圖像處理和分析計(jì)算獲得矯形過(guò)程中胸椎角度變化與矯形力的關(guān)系，并通過(guò)回歸分析得到矯形力與矯形角度、體重、身高等相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)系式，為更實(shí)用、更優(yōu)化的脊背矯形器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)按性別將16名受試者分為兩組(男8例，女8例)，年齡在24～28歲的正常健康人，無(wú)其他疾病、嚴(yán)重畸形或傷殘。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，每位受試者的頸椎C7和胸椎T7骨性標(biāo)記點(diǎn)的體表處貼標(biāo)志物；測(cè)量并記錄受試者年齡、身高、體重、肩寬、坐高等數(shù)據(jù)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)參考人體測(cè)量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[21-23]；每位受試者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行5～10 min身體的放松運(yùn)動(dòng)。測(cè)量過(guò)程要求受試者頭部不能隨意運(yùn)動(dòng)，每位受試者做5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2為實(shí)驗(yàn)方案圖，其中圖2(a)為實(shí)驗(yàn)圖(紅圈為體表標(biāo)記物)，圖2(b)為實(shí)驗(yàn)示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案圖Fig.2 Experiment scheme diagram

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為以下三部分：

1) 受試者坐姿及加載方式。受試者采用坐姿狀態(tài)雙膝并攏靜坐于椅子上，雙臂自然下垂，用無(wú)彈性的束縛帶將腰部與椅背固定，且椅背緊貼于桌子，無(wú)彈性的尼龍繩(受力過(guò)程中其形變量與人體變量相比可忽略不計(jì))繞過(guò)肩部水平向后，光滑的橡膠管套在繞過(guò)肩部的尼龍繩外圍，以減小摩擦和減輕尼龍繩對(duì)肩部的壓強(qiáng)，尼龍繩傳遞垂直作用于脊柱向后的水平力F3.同時(shí)，調(diào)整三腳架位置及攝像機(jī)拍攝范圍，使攝像機(jī)處于人體的正側(cè)面，利于后續(xù)角度的測(cè)量，并拍攝桌旁的兩個(gè)測(cè)力計(jì)顯示數(shù)，以使每一幀圖像中的測(cè)量角度和作用力同步(左側(cè)為數(shù)顯屏A，右側(cè)為數(shù)顯屏B)；

2) 力的傳遞和測(cè)力計(jì)的放置(默認(rèn)左右兩肩的受力對(duì)稱相等)。將兩個(gè)測(cè)力計(jì)(型號(hào)ZPS-DPU-500 N，精度0.1 N)分別連接于繞過(guò)左肩的尼龍繩上下兩側(cè)，測(cè)力計(jì)A測(cè)量左肩上側(cè)的水平力，測(cè)力計(jì)B測(cè)量左肩下側(cè)的水平力，其數(shù)字顯示屏懸掛于桌子側(cè)面。尼龍繩另一段連接在金屬板的邊角，忽略傳感器A、B的重力，繞過(guò)右肩的尼龍繩連接于金屬板邊角，板正中間引出尼龍繩；

3) 力學(xué)加載裝置。由板正中心引出的尼龍繩通過(guò)定滑輪和試驗(yàn)機(jī)(Instron 5544)連接，試驗(yàn)機(jī)以3.3 mm/s緩勻速拉伸，其最大位移設(shè)置為0.2 m，整個(gè)實(shí)驗(yàn)可視為準(zhǔn)靜態(tài)。

1.3 角度定義和測(cè)量

利用非手術(shù)方法矯正脊柱后凸過(guò)程中涉及的角度為矢狀位角度，具體為頸椎角度和胸椎角度，各個(gè)角度的定義如圖3所示。

圖3 角度定義Fig.3 Angle definition

其中(X1,Y1)、(X2,Y2)分別是頸椎C7和胸椎T7的體表骨性標(biāo)記點(diǎn)，θ表示頸椎C7、胸椎T7的中心連線與豎直垂線的夾角，代表胸椎角度。在整個(gè)矯形過(guò)程中定義將每一時(shí)刻的瞬時(shí)角度減去起始角度為矯形角度，記為α.

攝像機(jī)記錄頸椎C7和胸椎T7標(biāo)志物的位置變化，用圖像處理軟件Image J測(cè)量胸椎角度變化。圖像采集及處理具體方法為：幀提取軟件Avi2Jpeg(共享版)來(lái)提取圖片序列，并導(dǎo)出為*bmp格式的圖片(15幀/s)；導(dǎo)入Image J圖像處理軟件，從第一張圖片開(kāi)始，依次讀取每一張對(duì)應(yīng)的矯形角度α及所受的矯形力F(數(shù)顯屏A和數(shù)顯屏B之和的2倍，N).

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用上述實(shí)驗(yàn)方法，得到受試者駝背矯形過(guò)程中，所受水平后拉矯形力和對(duì)應(yīng)的胸椎角度θ，求得其矯形角度α，以相對(duì)角度為基準(zhǔn)量，對(duì)對(duì)應(yīng)的5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得矯形力數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，獲得所受矯形力F.所有數(shù)據(jù)均采用均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。最后，采用SPSS 25.0軟件分別對(duì)矯形角度和矯形力、人體身高等尺度因素與矯形力進(jìn)行多元回歸分析。

2 結(jié)果

2.1 相對(duì)胸椎角度與矯形力的關(guān)系

圖4所示為男性、女性矯形角度與矯形力的帶標(biāo)準(zhǔn)偏差的曲線，可見(jiàn)所需矯形力大小與矯形角度呈正相關(guān)變化，即矯形角度越大，其所需的矯形力也越大。為進(jìn)一步定量分析，以1 °為間隔連續(xù)將1 °～12 °的對(duì)應(yīng)矯正力列表(見(jiàn)表1)，同一矯形角度，男性所需矯形力普遍比女性大。

圖4 帶有標(biāo)準(zhǔn)偏差的矯形角度與矯形力曲線Fig.4 Curves of orthopedic angle and force with standard deviation

表1 胸椎的不同矯形角度的矯形力Table 1 Orthopedic force of thoracic vertebrae with different orthopedic angles N

2.2 擬合回歸分析

使用SPSS 25.0軟件對(duì)圖4所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)擬合回歸分析(見(jiàn)表2).矯形角度與矯形力的回歸分析結(jié)果表明：矯形角度與矯形力的關(guān)系函數(shù)模型均為三次函數(shù)且回歸的修正決定系數(shù)R2均大于0.99，P值均為0.000，說(shuō)明其回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(見(jiàn)表2).

表2 矯形角度與矯形力的回歸方程Table 2 Regression equation between orthopedic angle and orthopedic force

2.3 多元回歸分析

為實(shí)現(xiàn)個(gè)體化設(shè)計(jì)，運(yùn)用SPSS 25.0軟件進(jìn)行多元回歸分析，建立不同的矯形角度下，矯形力與身體尺度參數(shù)(測(cè)試方法與單位見(jiàn)表3)的函數(shù)關(guān)系。其中，設(shè)定自變量為性別、身高、身體質(zhì)量指數(shù)、上半身長(zhǎng)/身高、外肩寬、坐高、坐肩高/坐高，分別用x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7表示；因變量為不同矯形角度間隔(包括1 °，2 °，…，12 °)對(duì)應(yīng)的矯形力，分別用y1，y2，…，y12表示。擬合結(jié)果如表4所示。

表3 人體參數(shù)定義[22-23]Table 3 Definition of human body parameters[22-23]

表4 矯形力與各因素的回歸方程Table 4 Regression equation of orthopedic force and individual factors

表4中多元回歸方程擬合優(yōu)度R2均大于0.8，P值均小于0.05，顯著性良好。綜上所述，本文通過(guò)結(jié)合受試者個(gè)體尺度指標(biāo)，對(duì)于矯正角度以及矯形力進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性分析，為背部輕度后凸患者個(gè)性化矯形器設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

2.4 通用公式

為將表4中回歸方程整合成通用式，以便直接通過(guò)結(jié)合身高、體重等人體尺度指標(biāo)數(shù)據(jù)和矯形角度來(lái)計(jì)算所需矯形力大小。其擬合方程為：

F3=C0(α)+C1(α)x1+C2(α)x2+C3(α)x3+
C4(α)x4+C5(α)x5+C6(α)x6+C7(α)x7.

其中F3為圖1(c)中垂直脊柱向后矯形力；C0(α)，C1(α)，…，C7(α)為各回歸系數(shù)關(guān)于矯形角度α的關(guān)系式，其關(guān)系散點(diǎn)圖及相應(yīng)擬合曲線見(jiàn)圖5，其通用式系數(shù)擬合方程如表5所示。

圖5 回歸系數(shù)散點(diǎn)圖及相應(yīng)的擬合曲線Fig.5 Scatter diagram of regression coefficient and corresponding fitting curve

表5 通用式系數(shù)擬合方程Table 5 General coefficient fitting equation

表5表示系數(shù)方程擬合結(jié)果均為關(guān)于相對(duì)胸椎角度的四次方函數(shù)，且其擬合優(yōu)度均大于0.9，將實(shí)驗(yàn)組個(gè)人數(shù)據(jù)代入其擬合通用公式，并與圖4和表1結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果適用。

3 討論

矯形力與矯形角度的關(guān)系研究對(duì)矯形器的設(shè)計(jì)尤為重要。目前文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)關(guān)于矯形力與矯形角度之間關(guān)系的報(bào)道。本研究通過(guò)搭建測(cè)試裝置，實(shí)驗(yàn)測(cè)量并分析了脊柱后凸矯形過(guò)程中矯形角度與矯形力的關(guān)系，旨在為新型矯形器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

就圖4中曲線趨勢(shì)而言，整個(gè)矯形過(guò)程可分為三個(gè)過(guò)程。在矯形初始階段，由于韌帶處于松弛狀態(tài)，所施加的外力幾乎不引起椎體自身的變化，主要變形是韌帶的拉伸，此階段所需外矯形力很小而且變化平緩；第二階段處于準(zhǔn)彈性階段，由于矯形過(guò)程中既有椎體變形，又有韌帶拉伸，所以該階段一般不會(huì)出現(xiàn)塑性形變，且始終表現(xiàn)為粘彈性特征[24]；第三階段是當(dāng)矯形角度約11 °以上時(shí)，所需矯形力急劇增加，一方面有導(dǎo)致椎間盤(pán)壓縮、韌帶拉伸產(chǎn)生的阻力，另一方面有胸大肌等肌肉拉伸產(chǎn)生生理性阻力，使曲線的末端斜率有瞬間增大的趨勢(shì)。KNUTTGEN et al[25]通過(guò)研究肌肉工作所引起關(guān)節(jié)角度的改變、肌肉工作條件的改變及肌肉發(fā)揮力量能力的改變，發(fā)現(xiàn)肌肉收縮伸長(zhǎng)所產(chǎn)生的力量不是恒定的值；而PERIE et al[26]通過(guò)核磁檢測(cè)方法結(jié)合有限元分析發(fā)現(xiàn)，脊柱后凸矯形的效果與脊柱順應(yīng)性有很大的相關(guān)性。

本文提供的通用公式不可避免存在誤差，主要包括3方面：由于是人體實(shí)驗(yàn)，其主觀能動(dòng)性容易引起難以控制的誤差；受試者個(gè)體外形體格差異也會(huì)造成不可避免誤差；個(gè)體間身體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)大小(如肌肉大小、骨骼粗細(xì)等)的差異也沒(méi)有加以考慮。這對(duì)公式的通用性有一定的影響。

本文屬于探索性研究，研究?jī)?nèi)容和結(jié)果對(duì)新型矯形器的設(shè)計(jì)有重要價(jià)值。但研究過(guò)程還存在一定的局限。首先，僅研究了坐姿狀態(tài)下的受試者。當(dāng)人們處于不同的姿勢(shì)時(shí)，其脊柱所承受的壓力有很大的不同[27]，站姿比坐姿狀態(tài)下，脊柱受力小50%，直接影響矯形力的大?。黄浯?，受試者均為青年正常人，而有脊柱后凸畸形的人，肌肉、脊柱的力學(xué)特性可能與正常人有一定的差異，因此本文的實(shí)驗(yàn)用于脊柱后凸畸形的人可能會(huì)有一定誤差；此外，矯形力與矯形角度的關(guān)系還會(huì)受到年齡、種族以及肌肉、脊柱的力學(xué)特性、脊柱后凸程度等因素的影響，這些都需要進(jìn)一步探索研究。最后，本研究結(jié)果還需要大量樣本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文研究結(jié)果表明，輕度脊柱后凸(13 °以內(nèi))矯形力與相對(duì)矯形角度的關(guān)系可用三次函數(shù)表示。新型矯形器的設(shè)計(jì)需考慮兩方面要點(diǎn)：了解矯形角度與所需矯形力等重要參數(shù)指標(biāo)；在滿足所需矯形力F3的前提下使作用于肩部的分力F1和F2降低，以減輕脊椎的壓縮力和對(duì)胸腔的束縛力，使得矯形器設(shè)計(jì)更加人性化。本文盡管只對(duì)青年人進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果也只適用于青年人，但所提及的測(cè)試概念、方法和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)可為新型矯形器的設(shè)計(jì)提供理論支撐，并為脊柱的建模分析等提供數(shù)據(jù)支持；同時(shí)本文所得到的考慮了人體身高、體重等尺度指標(biāo)和矯形角度來(lái)計(jì)算所需矯形力大小的通用公式，對(duì)新型矯形器的設(shè)計(jì)及相關(guān)測(cè)試有理論意義和實(shí)際參考價(jià)值。