不同姿勢下穿戴矯形器脊柱側彎患者呼吸力影響因素分析

關天民，彭磊，朱曄，陳向禹

（大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著青少年特發性脊柱側彎發病率逐年增加，青少年特發性脊柱側彎對患者身心健康產生的影響被廣泛關注。脊柱側彎是指脊柱的一個或者數個節段向側方彎曲并有旋轉的三維畸形。目前，針對青少年特發性脊柱側彎的治療方法主要分為脊柱矯形器治療和手術治療兩種。通常根據初診Cobb 角的大小選擇脊柱側彎的治療方案：Cobb 角小于20°采用保守治療為主，例如：物理治療、運動治療和手法治療等方法；對于Cobb 角在20°～45°之間的患者一般采用矯形器治療同時配合保守治療的治療方案；對Cobb 角大于45°時，脊柱側彎進展的風險增大同時側彎會壓迫胸腔內容物，故一般采用手術治療的方法[1-2]。對于手術治療脊柱側彎還是存在一定風險并且術后可能伴隨并發癥的出現，例如嚴重側彎或者胸廓明顯畸形的患者，內環境表現相對缺氧狀態，在進行手術后進一步加重呼吸功能障礙而引起的缺氧、低氧血癥甚至呼吸衰竭等危[3-4]。

現如今，采用矯形器治療Cobb 角在25°～45°范圍內的脊柱側彎是一種重要的手段，其矯形原理如圖1。脊柱側彎矯形器經過大量研究以及長期的臨床應用其治療效果得到了廣泛的認可。2010 年北京協和醫學院王凱[5]分析了波士頓矯形器對脊柱側彎矯形的生物力學影響，其發現在一定范圍之內，壓力點壓力越大矯形效果越好，同時還指出了除力學因素外，側彎脊柱本身特性對波士頓矯形器矯形效果的影響例如：脊柱的柔韌度、側彎類型與位置等因素。2011 年加拿大蒙特利爾理工學院Clin J 等人[6]將脊柱重力因素考慮到側彎脊柱有限元模型中，并且對脊柱側彎矯形進行合理的設計。作者對重力在脊柱終板上產生的壓縮載荷進行量化同時證明了佩戴矯形器之后脊柱終板上不對稱壓縮載荷顯著減少。2014 年第二軍醫大學的易紅蕾[7]針對現有矯形器的缺陷對矯形器進行了改良設計以實現更好的三維矯形效果，同時還對矯形器治療順應性監測系統進行了設計，以便于對矯形過程進行監控。同年香港大學Li M 團隊[8]指出身體質量指數（BMI）也是影響脊柱矯形的一個重要指標，其團隊在測試矯形效果時證明，肥胖患者較正常患者的軟組織粘彈性響應時間更長。2015 南京鼓樓醫院徐磊磊等人[9]通過對脊柱側彎患者進行統計學分析發現年齡較小、Risser 征象較低、初始矯正率較低等是脊柱側彎矯形失敗的因素之一。而2017 年南京大學的孫偉翔[10]分析影響矯形效果因素，提出了BMI 也是影響矯形質量的一個關鍵因素，較高的BMI 導致機械矯形力量分散進而影響到作用在脊柱上的機械力的效果。2016 年丹麥哥本哈根大學Soren Ohrt-Nissen 等人[11]對平均年齡13.3 歲的63 名患者進行線性邏輯分析發現脊柱的柔韌度是影響支具矯形治療的關鍵因素之一。

圖1 脊柱側彎三點力原理圖

脊柱側彎矯正過程是復雜多變的，目前國內外學者在影響人體主動矯形因素方面進行了單一的研究，例如脊柱自身自重對側彎部位的影響、BMI 對機械外力卸載作用影響以及脊柱柔韌度對脊柱側彎矯形影響。但是，忽略了人體在呼吸作用時產生的呼吸力對脊柱的影響。當人體穿戴矯形期之后，在脊柱側彎矯形器壓力墊對應側設置釋放區域，通過人體自身呼吸運動，胸腔和腹腔壓力增大，但由于一側受壓，脊柱只能向有空間的釋放區域偏移，從而人體通過自身的呼吸運動產生主動矯正力[12-15]。本文主要研究患者在穿戴矯形器時不同姿勢呼吸導致的胸廓變化與矯形器產生的擠壓力的影響。

1 試驗與方法

對于主胸彎的患者一般會伴隨著胸廓畸形等并發癥，胸廓畸形通常會使胸壁擴張受限，同時胸肺功能的順應性也會受到影響，由于肋骨的變形使附著其上的呼吸肌群也發生了功能性的改變，影響著膈肌和肋間肌的正常收縮，從而導致了不同程度上的限制性肺通氣功能損害和肺彌散功能的下降[16-17]。本實驗主要目的探究脊柱側彎患者在不同的姿勢下因胸廓變形與矯形器產生的擠壓力的影響因素。因此，從呼吸運動的進行過程可知，呼吸運動主要依靠兩部分呼吸肌的舒縮來完成，分別表現為胸、腹兩個部位的活動，一是肋間外肌舒縮引起肋骨和胸骨運動，引起胸廓前后、左右徑增大，表現以胸部活動為主；二是膈肌收縮，使胸廓的上下徑增大，表現以腹部活動為主。吸氣時，膈肌收縮，膈的隆起部下降，上腹部臟器如肝、脾等隨之下降，于是前腹壁向外突出；呼氣時則相反，前腹壁向內復位。以肋骨和胸骨活動為主的呼吸運動，叫胸式呼吸；以膈肌運動為主的呼吸運動，叫腹式呼吸[18-20]。本實驗基于大連交通大學遼寧省先進運動與康復器械重點實驗室進行測驗。

1.1 試驗設備及軟件

薄膜壓力傳感器、脊柱側彎矯形器、Matlab（2016，Mathworks，美國），如圖2。

圖2 實驗設備

1.2 試驗過程

試驗對象：患者為三名上胸部C 型脊柱側彎，年齡10-12 歲，體重（35±8）kg，Risser 征2 級-3級，脊柱僵硬度中等，三位患者側彎類型均為主側彎，側彎Cobb 角度分別為23.4°，29.3°和30.6°。

試驗地點：大連交通大學遼寧省先進運動與康復器械重點實驗室。

試驗原理：脊柱側彎會導致凹側的肋骨活動受限，從而吸氣時氣體不能很好地進入到這一側的肺部，這會導致呼吸甚至肺活量受到影響。但是當一側胸廓的活動受到限制，另一側的活動就會增加，此時相對更多的氣體就會進入到活動多的一側（總體肺活量還是減少的）。進而通過薄膜壓力傳感器采集胸廓的變化與矯形器之間產生的擠壓力[21-23]。

試驗步驟：（1）對薄膜壓力傳感器進行調試，如圖3 所示。

圖3 薄膜壓力傳感器通訊測試

（2）將應變片貼在主側彎處的皮膚上，佩戴脊柱側彎矯形器之后通過傳感器測得站立、蹲下、彎腰30°、行走和坐立五種姿勢下在一分鐘內每次的呼氣和吸氣時的受力大小。傳感器測得壓力如圖4所示。

圖4 薄膜傳感器測得壓力

脊柱側彎患者通過佩戴支具矯形，通過三點力原理給脊柱施加多組抗旋力和矯形力，這都屬于被動矯正。而患者在矯形器內的呼吸運動則屬于主動矯正，希望通過患者一邊吸氣一邊躲避壓力點，主動向側彎方向移動脊柱。呼吸分為胸式呼吸和腹式呼吸兩種，女孩多為胸式呼吸，男孩一般是胸式呼吸和腹式呼吸結合。有目的的呼吸訓練，可以增加肺活量，通過內在迸發力量來使凹側突出的椎體逐漸恢復。而且，在佩戴脊柱側彎矯形器進行深吸氣時，側彎凸側的脊柱受到了矯形器的抑制，吸氣時胸廓的位移都向側彎凹側移動，所以脊柱側彎矯形器對側彎脊柱起到很好的矯形作用[24-25]。

2 結果

通過薄膜壓力傳感器測得不同體位下的因呼吸作用產生胸廓擴張與脊柱側彎矯形器產生的擠壓力。如圖5 以及表1 可以得知：（1）正常體脂的男性患者擠壓力要明顯高于正常體脂的女性患者；（2）正常體脂的男性患者的擠壓力略微高于體脂率偏高的男性患者；（3）體脂較高男性患者的波動劇烈程度高于體脂正常男性患者和體脂正常的女性患者。

圖5 不同姿勢下擠壓力對比圖

表1 不同體位下呼吸壓力平均值比較

我們可以發現：（1）研究測試受試患者心肺功能發現男性患者的心肺功能優于女性患者。在一般情況下由于男生和女生的肺活量差距過大，導致男生的呼吸運動產生的呼吸力會比女生大。（2）通過對正常體脂率的男性患者和體脂率較高的男性患者比較發現，若在產生同等呼吸力的條件下，由于骨骼、脂肪和皮膚等軟組織會呈現出非線性力學特性以及各個組織之間耦合關系的不確定性會出現呼吸力卸載的情況。因此脂肪含量越高，呼吸產生的呼吸力也就會卸載的越多。（3）脂肪組織約占人體總重量的5%-60%，其在吸收和分配機械外力過程中起到十分重要的作用，可以吸收和防止局部應力集中。根據圖6 顯示，不同受試患者、不同部位和不同姿勢會導致力在組織間的傳遞發生非常大的變化，這可能是由于受是患者間存在著個體差異，不同部位脂肪分布不同，以及不同姿勢導致膈肌和肋間肌的收縮不同進而導致呼吸力的變化。

圖6 不同體位下呼吸壓力平均比較

3 結論

一般正常的胸腔、肺容積以及保持胸腔容積正常變化的膈肌和肋間肌的收縮運動可以保證正常的呼吸功能。脊柱側彎會導致胸廓、腹腔、盆腔整體容積變小。如果側彎發生在腰椎，就會影響腹腔和盆腔的容積；如果側彎發生在胸椎，就會影響心肺容積。當胸腔的容積受到影響的時候，通常會表現出來患者的肺活量的變化，一般來說患者側彎Cobb角到達40°時，患者的肺活量會降低20%左右。而脊柱側彎矯形器可以提供機械外力進行矯正，同時配合上自身呼吸訓練對側彎脊柱起到很好矯形作用，同時側彎脊柱的變化也會影響胸腔、腹腔和盆腔的容積變化。

（1）當處于不同姿勢時，附著于肋骨上的呼吸肌群發生生理改變，影響著膈肌和肋間肌的正常收縮功能，從而導致了患者不同姿勢時呼吸力的變化。

（2）肺活量作為反映人體呼吸機能的重要指標，與性別，年齡，BMI 和胸圍等因素有著密切的聯系。呼吸量的大小最終反映在產生呼吸力的大小。

（3）由于人體脂肪組織和皮膚具有非線性力學特點，當受到機械外力刺激時會發生蠕變以及對外力進行卸載的一個過程，同時脂肪組織起到緩沖吸震的作用。通過研究對比發現，不同體脂率對呼吸力傳導也會產生影響。體脂率較高的患者呼吸力在傳遞過程中會產生較大的卸載。

通過正確的呼吸訓練可以對胸廓畸形、姿勢異常起到很好的矯正作用，同時也會改善患者肺部功能和呼吸肌的能力。在矯形器治療期間，配合運動治療可以提高呼吸功能進而實現呼吸肌功能的改變從而達到緩解胸部關節僵硬的情況以實現脊柱側彎主動矯形過程。