新型个体化三维矫形胸腰骶气囊支具的设计及其生物力学仿真平台的构建

Adolescent Idiopathic Scoliosis(AIS) is a three dimensional spinal deformity with unknown reasons and great harmfulness to public society. Brace treatment is the only effective conservative treatment for the early detected mild to moderate AIS. But the brace treatment has some problems such as wearing discomfort, being not achieve the aim of three dimensional correction and individual design. A new brace should be developed without delay. Our group has completed the theoretical study and design work for the new brace and proposed three innovations: 1.Using airbags to improve comfort.2.Exerting lordosis orthopedic force on the thoracolumbar spine.3.Proposing the concept of designing individual biomechanical simulative platform based on the X-ray films. This project intends to complete:1.Designing and manufacturing a simple model of this new brace. 2. Building individual biomechanical simulative platform based on X-ray films. 3. Verifying the platform. 4. Completing the design and manufacture of the brace based on the platform and comparing the immediate correction effect, three-dimensional correction and wearing comfort with the Boston brace. The successful development of the new individual three-dimensional correction thoracic lumbosacral airbag Brace will significantly improve the effect of conservative treatment of AIS patients and have a wide application prospect.

青少年特发性脊柱侧凸（AIS）是不明原因引起的脊柱三维畸形，危害较大。对于早期发现的轻中度AIS，支具治疗是唯一有效的保守治疗方式。支具治疗还存在着支具佩戴舒适度差、无法实现畸形三维矫形及支具无法实现个体化等诸多问题。研发一种佩戴舒适、能实现三维矫形的新型个体化支具刻不容缓。目前课题组已完成新型支具的理论研究及外观设计工作，创新性地提出了应用气囊改善舒适度、胸腰段脊柱增加前凸矫形力及基于X光片的个体化支具的设计理念。本课题拟完成：1.新型支具简易模型的设计及制造；2.构建基于X光片的个体化支具设计生物力学仿真平台；3.生物力学仿真平台的验证；4.根据仿真平台的设计流程完成新型支具的设计及制造，并与Boston支具进行即刻矫正效应、三维矫形效应及支具佩戴舒适度的比较，初步验证新型支具疗效。新型个体化三维矫形胸腰骶气囊支具的成功研制将显著改善AIS患者保守治疗的效果，应用前景广泛。

青少年特发性脊柱侧凸（AIS）是不明原因引起的脊柱三维畸形，危害较大。对于早期发现的轻中度 AIS，支具治疗是唯一有效的保守治疗方式。支具治疗存在着支具佩戴舒适度差、无法实现畸形三维矫形及支具无法实现个体化等问题。研发一种佩戴舒适、能实现三维矫形的新型个体化支具刻不容缓。.本课题基于患者CT图像，成功建立形态逼真且完整的AIS三维有限元模型，并对此模型进行了参数优化及有效性验证。基于此模型，仿真模拟个性化支具的有限元模型，并进行脊柱、胸廓、骨盆、躯干外形及支具等几何模型的叠加，建立真实的支具有限元模型。.在支具有限元模型胸、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角减小，胸椎后凸及腰椎前凸亦减小。维持支具束带张力不变，在胸腰段给予载荷，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。这一结果证明增加了矢状面胸腰段前凸矫形力的新型支具较传统支具能更好的实现三维矫形。.本课题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，应用蓝牙4.0模块，与Arduino控制板连接。通过它与iPhone 5s设备进行无线连接。.本课题通过Iscan压力传感器系统监测了传统及新型支具对于躯干5个接触点的压力值，发现最大压力点为胸椎顶椎处，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。.本课题选择19例AIS患者，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，记录压力数据，同时摄脊柱全长正侧位片，记录冠状位，矢状位及顶椎轴状位参数。维持压力不变，佩戴新型支具，矢状面胸腰段给予80N前凸作用力，观察上述脊柱参数变化，进行对比。研究发现，新型支具较传统支具矫形效果更佳。对于矢状面参数，传统支具明显减少胸椎后凸角及腰椎前凸角，新型支具明显增加腰椎前凸且能略增加胸椎后凸。因此，新型三维矫形支具较传统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，避免平背畸形的发生，真正实现了脊柱畸形的三维矫正。