3D人体扫描系统在青少年特发性脊柱侧弯支具治疗中的应用

谢雁春，顾洪闻，赵予辉，李林洋，于海龙 (北部战区总医院骨科，辽宁 沈阳 110016)

青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是指有侧弯或旋转畸形，而无其他先天脊柱异常或疾病的脊柱结构性曲度改变，是常见的脊柱侧弯之一，约占所有脊柱侧弯的80%，青少年患病率为2%～3%[1-2]。不同程度的特发性脊柱侧弯可能会引起青少年的胸廓畸形及心肺功能障碍，导致其生活能力和生存质量下降。因此，对于AIS患者应积极采取相应的有效措施，早预防、早发现、早干预[3]。目前多数研究者认为对冠状位Cobb角在45°以上、出现肩部或骨盆失去平衡的AIS患者，矫形手术是首选治疗方案[1-2,4-5]。随着三维脊柱矫形理论的普及和其在骨科临床及科研中的应用，脊柱侧弯矫形手术成功率显著提高，然而矫形手术创伤较大、费用高昂，具有一定风险及并发症，且术后患者会丧失部分脊柱活动度。因此，对于局部Cobb角在20°～45°且没有手术指征的轻、中度AIS患者，为延缓或纠正脊柱畸形的进展，推迟手术治疗的时间，支具治疗是目前有效的非手术治疗手段，也是学者们努力探究的方向。近年来，3D人体扫描技术不断发展，临床上可通过红外线3D扫描技术进行治疗前的评估和规划[6-7]。因此，本研究结合当前高速发展的医学影像技术、计算机技术和红外线3D打印技术，将基于3D人体扫描打印技术所制作的支具用于治疗AIS，并比较分析传统石膏取模支具与3D扫描取模支具治疗AIS的临床疗效及患者生存质量。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择我院2015年1月至2018年1月接受传统石膏取模支具和3D扫描取模支具进行规范化治疗的AIS患者42例，其中男13例，女29例，初诊时年龄10～16岁，平均(13.3±1.2)岁；治疗前主弯冠状面Cobb角20°～45°，平均(32.44±5.06)°；骨骼发育Risser征0～3级，其中主胸弯27例，胸腰弯/腰弯15例。根据取模方式分为传统组和3D组，传统组20例患者采用传统石膏取模支具治疗，3D组22例患者采用3D扫描取模支具治疗。2组患者性别、月经初潮年龄、治疗初Risser征、治疗初始年龄、随访时间、治疗初主弯Cobb角、侧凸类型比较差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性，见表1。纳入标准：①符合AIS患者支具治疗指征；②初诊时年龄为10～16岁；③主弯Cobb角为20°～45°；④骨骼发育尚未成熟(Risser征0～3级)；⑤病历资料及影像学资料完整；⑥之前未接受过任何治疗。排除标准：①因各种原因无法定期随访；②患有其他对支具疗效及生存质量有严重影响的慢性病；③随访时间少于6个月。本研究经我院伦理委员会批准，患者及家属均同意接受支具治疗。

表1 患者一般资料比较

1.2 支具制作及使用方法

支具材料选取改进型聚丙烯板材，所有随访患者均穿戴定制的Cheneau支具。支具制作前对患者进行相关评估，如外观、姿势及脊柱形态等，随后进行石膏取模或3D扫描系统取模操作。

传统组：患者褪去上衣及贴身衣物，将一层透明薄膜裹于患者颈部以下至髋部，之后用石膏均匀覆于透明薄膜上，待石膏凝固后将石膏模具用器具作1个纵形切口取下，保存模具。运用3D打印技术在所取模具内层进行模拟，并制作支具。

3D组：患者褪去上衣及贴身衣物，站立于旋转台上，将调试好的3D扫描设备对准患者身体，开始扫描并启动旋转台，将患者外观数据录入电脑，运用skanect软件进行快速建模，使用计算机软件进行支具模型设计，并运用3D打印技术在所建模型外覆上模拟的支具，制作支具(图1)。

a：对侧弯患者进行皮肤及骨骼红外线数据采集；b、c：对所采集的数据进行整理、分析；d、e：使用计算机软件进行支具模型设计及有限元分析；f：3D打印出矫形支具

然后根据三维脊柱理论的三点加压法及骨性指标对所有支具进行修整，修整完成后患者进行试用及反馈，再进一步调整支具，提高整体舒适度。

1.3 观察指标

收集支具治疗前所有AIS患者站立位脊柱全长正侧位X射线片资料。支具治疗期间每隔3～6个月复查脊柱正侧位X射线片，影像学资料由同一位临床医师进行测量，采用我院影像科医学影像存档和Surgimap软件测量相关参数，包括主弯Cobb角、胸椎后凸角、腰椎前凸角、矢状位平衡等。在末次随访时采用脊柱侧弯研究学会22项量表(scoliosis research society 22 questionnaire，SRS-22)[8]及健康调查简表(short form-36 health survey，SF-36)[9]评估患者生存质量。SRS-22量表评估内容包括患者的功能活动度、疼痛情况、自我形象、心理健康以及治疗满意度，得分越高表示疗效越好。SF-36量表评估内容包括生理功能、生理职能、躯体疼痛、总体健康、活力、社会功能、情感职能、精神健康，得分越高表示疗效越好。

1.4 统计学分析

应用Microsoft Excel进行资料数据录入，采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，独立样本t检验比较组间差异，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 治疗结果

所有患者均得到随访，随访时间为13～26个月，平均22.8个月。随访期间所有AIS患者的侧弯角度均得到了不同程度的控制，未出现明显进展；均未出现胸廓畸形、呼吸困难、活动障碍及其他严重并发症。

2.2 患者主弯Cobb角比较

3D组随访1年及末次随访时主弯Cobb角与传统组比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表2 患者主弯Cobb角变化

2.3 患者胸椎后凸角、腰椎前凸角及矢状位平衡比较

末次随访时，2组患者的胸椎后凸角、腰椎前凸角、矢状位平衡组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 患者末次随访时矢状位参数纠正比较

2.4 患者SRS-22量表评分及SF-36量表评分比较

3D组患者SRS-22量表评分中自我形象、心理健康、治疗满意度得分均高于传统组，差异有统计学意义(P<0.05)；2组功能活动度及疼痛情况得分比较差异无统计学意义(P>0.05)。3D组SF-36量表的评分高于传统组，差异有统计学意义(P<0.05)，见表4。

表4 患者末次随访时SRS-22、SF-36评分分)

2.5 典型病例

患者，女，年龄12岁，月经初潮7个月，2016年12月因AIS来我院进行支具矫正治疗。采用3D扫描系统取模，支具治疗初期Risser征3级，Cobb角37.58°(图2a)。患者每天佩戴支具20 h以上，日常生活和学习活动未受到显著影响。支具治疗23个月后Risser征4级，Cobb角26.38°，患者脊柱侧弯情况得到良好控制(图2b)。

a：治疗初期；b：治疗23个月后

3 讨论

AIS是脊柱在三维空间上发生的结构性改变，是生长发育时期常见的疾病之一。Zhang等[10]通过系统评价和Meta分析发现，我国小学生AIS的发病率约为1.02%。AIS的病因至今尚未明确，可能与遗传基因、神经系统、不良姿势、血小板及激素水平等相关[11-12]。有研究认为，可能是由于患者生长激素水平高于正常水平，从而出现生长发育高峰提前，使脊柱和脊髓的生长比例失衡，进而导致AIS的发生[13]。美国霍普金斯大学及国立卫生研究所进行了一次大规模全基因组扫描和分型的连锁分析，结果提示AIS可能是一种多基因相关的疾病[14]。而所有AIS患者中，需要进行矫形手术治疗的严重脊柱侧弯患者约0.1%，绝大部分的患者则仅需要观察随访及适当的非手术治疗即可[15]。通过矫形手术对AIS患者进行畸形矫正的同时也会使脊柱丧失一定运动功能，且矫形手术操作复杂、风险较高，易造成神经损伤甚至瘫痪。因此，近年来越来越多的研究者开始关注AIS的非手术治疗。

3.1 支具治疗在AIS中的应用

对于有侧弯进展倾向的AIS患者，支具治疗已成为矫正轻、中度脊柱侧弯公认有效的非手术治疗方法，可有效控制脊柱畸形进一步加重，矫正侧弯角度，以免行风险更高的手术治疗[16]。当今支具的制作原理多运用生物力学三点力原理和纵向牵引力原理对脊柱进行侧向推动和纵向牵引，在不影响患者正常生长发育及呼吸运动的情况下，控制患者脊柱侧弯的进展，使脊柱侧弯畸形得到有效控制和矫正[17-18]。

由于AIS患者的个体差异较大，支具种类及材质也多种多样，目前很难比较不同支具之间的治疗效果。常用的支具类型有Cheneau支具、Milwaukee支具、Lyon支具、Boston支具、SpineCor动力支具等。相对于其他类型支具，本研究所使用的新型Cheneau支具预留了凹陷区，为患者呼吸及运动提供了足够的伸展空间，有利于患者的生长发育[19]。

支具治疗AIS的主要适应证包括：①侧弯Cobb角25°～30°且伴有5°以上角度进展；②侧弯Cobb角20°～45°；③患者骨骼发育尚未完全(至少1年以上的生长潜力)；④Risser征≤4级。禁忌证包括：①肥胖、高位胸椎侧弯或胸椎侧弯伴胸椎严重前凸；②无明显生长发育迹象；③精神异常或极度不配合；④患者主弯Cobb角>45°或脊柱侧弯畸形进一步发展的可能性较大。

当患者的正常生长发育结束，即骨骼已发育成熟，则可停止支具的治疗。朱泽章等[20]认为停止支具治疗的指征为男性Risser征5级，女性Risser征4级且月经初潮满3年。也有研究直接将患者Risser征5级作为支具治疗终止的指标[21]。Risser征达到5级后停止佩戴支具可防止患者因佩戴时间过长或过短而引起治疗效果不佳，或出现相应并发症。如果支具佩戴期间患者的侧弯角度进展迅速或出现明显的神经症状，支具已无法有效控制侧弯的进展，继续使用支具治疗的效果较差，并可能延误患者治疗，应及时考虑矫形手术治疗。

Dickson等[22]研究认为，支具治疗会影响部分患者的身心健康，支具所带来的外观改变和不适感会使患者对支具治疗产生抵触心理，其中以Milwaukee支具最为明显。对于处在发育高峰期的青少年，应考虑到患者可能出现的心理和生理影响，定期复查并及时调整支具，注意支具固定位置是否正确，若患者生长发育较快，则需要及时更换支具，以减少相关并发症的发生[23-33]。Zaina等[34]认为，在支具治疗期间配合适当的功能锻炼，既能改善支具治疗可能引起的胸廓活动受限及心肺功能下降，又能有效减少在支具治疗期间矫正的Cobb角丢失。

3.2 3D人体扫描系统在支具治疗中的应用

3D人体扫描，即人体的三维空间数字化模型建立，是通过对人体的表面进行测量，得到数字化3D模型的过程[35]。基于3D人体扫描系统制作支具的过程是通过红外线扫描、视频数据成像、光学传感捕捉人体模型数据，从而对人体进行快速3D建模。所采集的人体数据录入软件后可自动修补，形成完整的成型数据，可提高生产效率，节省制作时间。而传统的石膏取模方法不仅取模时间较长，患者易因身体接触石膏而感到不适，且不能完全紧贴人体，会一定程度上造成取模的误差。在石膏凝固取下时，还可能因切割等操作对患者造成损伤。

综上，本研究通过分析基于3D人体扫描系统取模制作的支具与传统石膏取模制作的支具用于治疗AIS发现，3D人体扫描系统取模是一种安全、方便、快捷的支具取模方法，为支具的制作提供了很好的选择；3D人体扫描系统取模制作的支具能有效控制并缓解AIS患者病情，易被患者及其家属接受，能提高患者依从性，有利于提高长期治疗效果。