中国康复医学会辅具应用专委会科普委员会

郑大五附院康复医学工程足脊矫治与运动康复研究中心

摘要

背景：整体姿势再教育（globalposturalre-education,GPR）是一种针对儿童特发性脊柱侧凸（idiopathicscoliosis，IS）的物理治疗方法。在GPR中，物理治疗师将定性的评估脊柱侧凸侧弯曲度减少的潜在可能（辅助矫正）和患者自我矫正的能力（自我矫正）。据作者所知，目前还没有关于GPR应用于IS的研究，因此有必要更好的了解GPR如何改善姿势的生物力学特点。该研究的目的是用计算机模型结合实验测试，从生物力学的角度定量分析这两种再教育的矫正方式。

研究方法：通过在正常站立位与自我矫正位进行表面扫描与3D射线重建，建立16名IS患者（10.5-15.4岁，平均Cobb角33°）的有限元模型。在辅助矫正过程中，将记录下治疗师手施加在脊柱上的力，并在有FEM中模拟这种姿势。自我矫正是通过可用X光片上观测的胸椎和腰椎阶段的顶椎到自我矫正的位置的移动来模拟的。每种姿势的硬度指数是指保持姿势所需的总力除以减少的侧弯曲线（力/减少的cobb角）

结果：治疗师在辅助矫正中施加的平均力为31N时，使得最终模拟的平均侧弯恢复水平为26%（P＜0.05），但会导致胸椎后凸轻微增加，脊柱前凸保持不变。而通过实际的自我矫正可以减少33%的胸椎侧弯程度（P＜0.05），而腰椎侧弯保持不变。胸椎后凸和腰椎前凸分别平均减少6°和5°（P＜0.05）。模拟的自我矫正与实际的自我矫正正相关（r=0.9）。

结论：该研究量化了通过施加外力减少的胸椎侧弯程度和患者自我矫正姿势的能力，这是GPR中常用的两种矫正方式。

关键词：脊柱侧凸，整体姿势再教育，生物力学模型，有限元模型

背景

特发性脊柱侧凸（idiopathicscoliosis，IS）是一种原因不明的三维（tridimensional,3D）脊柱畸形，会导致身体体态的改变，并影响患者对自我形象的感知和心理自信。侧弯的严重程度通常使用冠状位的Cobb角X光测量结果来评估。在北美，对于轻度（10°-20°）和中度（20°-45°）的侧弯，建议采用保守治疗。保守治疗主要包括支具和/或观察。

自年以来，国际脊柱侧弯矫形和康复治疗学会（ScoliosisOrthopaedicandRehabilitationTreatment,SOSORT）承认物理治疗的特异性脊柱侧弯训练（physiotherapyspecificscoliosisexercises，PSSE）可以作为矫形器治疗的补充和替代的保守治疗方法。最近，年的SOSORT指南显示有强有力的证据可以证明PSSE对预防IS患者侧弯度数恶化的功效。其中，整体姿势再教育（globalposturalre-education,GPR）旨在通过积极的肌肉拉伸，运动控制和感觉统合训练，来减少姿势损伤，恢复背部肌肉的对称性和适当的姿势。对适当训练的选择主要基于三步综合评估。这三步评估包括：1）身体形态和症状，2）与姿势改变相关的肌肉短缩的评估，3）评估背部肌肉柔韧性和脊柱畸形矫正的再平衡测试（侧弯可恢复性）。

就像其他PSSE一样，GPR治疗是根据患者的情况和侧弯的可恢复的潜力的评估（在某种程度上，可恢复的潜力的评估类似于手术前进行的灵活性测试）结果进行的个性化指导方案。辅助矫正和自我矫正是两种再平衡测试，旨在评估GPR过程中，主动和辅助矫正的瞬间的侧弯的可恢复性。自我矫正是一种整合训练，在治疗后使用以便逐步整合姿势的变化。辅助矫正包括物理治疗师通过用手向患者的躯干施加目标力，从而减少脊柱侧弯。这个再平衡测试的目的是暂时达到一个减少脊柱侧弯程度的姿势，并定性评估躯干肌肉的硬度和姿势代偿情况。自我矫正是通过患者主动调动躯干肌肉，从而减少脊柱畸形（最好是在三维模式下）的治疗方法。自我矫正还致力于实时评估患者整体矫正的能力，是许多其它PSSE项目的常见的运动方法。

最近的研究显示，PSSE有助于改善脊柱侧弯稳定和生活质量，不过现在仍需定量研究来确认其效果和深入理解生物力学机制。关于GPR应用于IS的研究较少，因此需要量化并更好的理解GPR改善侧弯姿势的生物力学原理。

有限元模型（finiteelementmodels,FEM）经常用于IS和支具治疗的生物力学评估。目前已经开发了一个用于模拟和优化青少年IS支具设计的个性化FEM。这个模型还可以用于模拟其他保守治疗，如物理治疗师的治疗。

本研究的目的是通过使用FEM与实验测试，从生物力学的角度定量评估儿童脊柱侧凸两种再教育矫正方式（自我矫正与辅助矫正）。

研究方法

患者

在为期三个月的常规就诊中，一共招募了17名被诊断为儿童IS的患者参与试验。这些被试年龄为10.5-15.4岁，Risser征为0-4。被试的侧弯类型包括：主弯为右胸弯或四弯包括右侧胸弯，胸椎的cobb角为11到45°（平均33°±9°）。他们的胸椎段的顶椎的旋转范围为22°到-6°（平均11°±9°），并通过三维重建的方式并模拟椎弓根和椎体旋转的方向进行分析测量。一个患者因为胸椎cobb角小于10°被排除。在这些患者中，7名佩戴胸腰骶矫形器（thoraco-lombo-sacralorthosis，TLSO），4名佩戴夜间矫形器。两名患者曾经接受过物理治疗，六名患者正在单独接受PSSE或GPR治疗，或配合矫形器治疗。患者通过填写疼痛问卷（数字化疼痛等级量表NPRS-11），确保他们没有相关的禁忌症。该研究方案得医院中心伦理委员会的批准，每位患者及其父母都签署了一份知情同意书。

研究协议

被试在站立位拍摄常规体态图(InSpeck3DCapturor,Creaforminc.,Québec,Canada)和低剂量两个平面的X光片（EOSTM,EOSImaging,Paris,France）。一个治疗师（合著者IL）参与专业的GPR物理治疗师（合著者CF）的专业培训，然后对被试进行被动矫正。在进行被动矫正时，治疗师站在患者身后，左手放在左侧髂棘上方稳定骨盆与整体姿势，右手在右侧顶椎下方稍用力，直到获得满意的脊柱矫正（图1）。在进行被动矫正的时候，治疗师佩戴着带有力传感器的手套（FlexiForceTMA，敏感性5%，TekScan,Boston,MA,USA）记录施加在躯干表面的作用力。传感器对垂直作用力较敏感，但是对剪切力并不敏感。维持矫正后的姿势10s，重复3次，从而获得施加在躯干表面的平均作用力的值。

图1模拟辅助矫正与测量的方法

然后，将自我矫正的姿势教给患者，当这种矫正姿势被很好的理解并适当的整合后，使患者自我矫正为这种姿势，并拍摄该姿势下的体态图和两个平面下的X光片。

使用FEM模拟两种GPR的即刻矫正方法，并与为验证模型而收集的临床数据进行比较。对于每个患者，在参考站立位姿势，并结合体表图和X光片拍摄的自我矫正姿势，使用Ansys14.5软件（AnsysInc.，Canonsburg，PA，USA）包构建个性化的FEM。最初开发重建法和FEM并对其进行验证是为了模拟矫形器的穿戴效果。该模型包括骨盆、骶骨、腰椎和胸椎、肋骨、肋软骨、胸骨、椎间盘和软组织。力学特性是从先前公布的数据和尸体研究得出的。该模型还包括重力载荷。如果有足够的X光片（悬吊，仰卧位牵引，屈曲位等），躯干模型刚度可以针对患者进行个性化设置。然而，出于伦理考虑，排除了这些额外获得的X光片。

通过将记录的治疗师的右手对躯干的作用力的平均值输入参考的站立姿势FEM，模拟被动矫正。通过将骨盆被固定在空间中，再现治疗师的左手动作（图1）。允许第一胸椎（T1）沿着垂直轴移动，但要将其固定在参考的站立位的矢状面上，并与冠状面的骶骨正中线（CentralSacralVerticalLine，CSVL）对齐。T1的边界条件代替了患者产生的肌肉力，以保持他或她的冠状面的矫正（翻身反射）。通过模拟可以计算由于治疗师施加外力导致的侧弯减少程度。

为了模拟自我矫正姿势，在矢状面与冠状面X片中测量的T1和腰椎与胸椎的位置被用于参考建立FEM。骨盆被固定在空间中，脊柱可以垂直移动（图2）。该模拟允许计算胸椎侧弯矫正和实现这种矫正所需要的胸部顶椎的反作用力。并将自我矫正的模拟结果与X光片中记录的实际的自我矫正结果相比较。

图2通过参考FEM中T1和胸椎和腰椎顶体的位置，并将移动到其自我矫正的位置，从而模拟自校正，该位置在真实的自我矫正重建后拍摄的X光片中获得

为了量化患者在GPRs姿势时实现脊柱侧凸度数减少的能力，计算相应的指数。对于辅助矫正，僵硬度指数是指施加在胸部顶椎的力与减少的Cobb角之间的比例(作用力/ΔCobb角)。对于自我矫正，僵硬度指数是指胸椎度数减少时胸椎顶椎处的反作用力（反作用力/ΔCobb角）。

通过ANOVA分析的post-hocTurkey（95%置信区间）比较使用GraphPadPrism（GraphPadPrism,）模拟的脊柱侧弯Cobb角。计算Pearsoncoefficients评估不同结果之间的相关性。计算差异与相关性时，P＜0.05被认为具有统计学意义

结果

表1与表2总结了胸椎Cobb角的减少度数和相应的作用力。在辅助矫正时，治疗师施加在胸椎上的平均力为31±6N。在主要的受力点下记录的平均压力为30.9±14.1[19.3–77.7]kPa。模拟辅助矫正时，在冠状面，胸椎侧弯度数平均减少了26%[7–64%](减少的Cobb角的平均值为8°[3–19°，p0.05])。但是，与参考的站立位姿势相比，在模拟辅助矫正时的冠状面的腰椎度数略有增加（站立位参考姿势的平均值为27°[13°-42°]，辅助矫正时为29°[16°-43°]，P＜0.05）。胸椎后凸轻微增加，而腰椎前凸保持不变（在参考的站立位姿势下的平均值为30°[10-47]，辅助矫正位为33°[11°-50°]（P＜0.05），参考站立位下的腰椎前凸的平均值为70°[57°–85°]，而辅助矫正位71°[58°–85°]）。僵硬度指数在2与10N/°之间。治疗师施加的作用力与减少的侧弯程度之间具有显著的相关性（r=0.6，P＜0.05）。

表1被动矫正的胸椎Cobb角的模拟结果与参考的站立位姿势和相关僵硬度指数的比较

表2主动矫正的胸椎Cobb角的模拟结果与参考的站立位姿势和相关僵硬度指数的比较

实际的自我矫正后，胸椎侧弯平均减少了33%[减少69%-增加15%]（Cobb减少11°[-4°-21°]，p＜0.05），而腰椎生理曲度保持不变（参考的站立姿势27°[13°-42°]，自我矫正后为26°[14°-42°]）。除了两名患者侧弯减少3°（P7）或轻微增加4°（P12）之外，所有患者的胸椎侧弯减少19%或更多。胸椎后凸与腰椎前凸分别减少6°[减少17°-增加5°]和5°[减少13度-增加6°]（p＜0.05）。胸椎顶椎旋转范围从21°--13°（平均7°±11°）。模拟自我矫正时胸椎侧弯度数平均减少25%[减少66%-增加13%]（cobb角矫正8°[-2°-15°]，p＜0.05），而腰椎曲度保持不变。胸椎后凸和腰椎前凸分别平均减少了7°[减少18°-增加5°]和5°[减少12°-增加7°]（p＜0.05）。自我矫正时，实际与模拟的胸椎侧弯减少的程度具有很好的相关性（r=0.9，p＜0.05）。模拟的在胸椎顶椎处的平均反作用力为45N，引起的平均的僵硬度指数为0-21N/°。模拟的自己矫正的Cobb角与辅助矫正的Cobb角之间没有相关性（r=1，p＞0.05）。

讨论

这项研究通过临床研究与使用个性化FEM，量化身体的僵硬度，胸椎侧弯的减少程度与患者自我姿势矫正的能力之间的关系。通过分析两种不同的即刻矫正机制，探究侧弯度数减少是取决于外力（辅助矫正）还是主动的肌肉募集（自我矫正）。

据我们所知，这是第一项报告物理治疗师通过在躯干上施加作用力，辅助矫正脊柱侧弯畸形，并作为GPR方法的一部分的研究。在没有其它充分的参考文献的情况下，将治疗师的右手施加到胸椎顶椎的作用力与压力范围和该患者穿戴的矫形器时胸椎下测量的应力或压力的报告值进行比较。我们关于作用力与压力范围的研究结果与支具治疗的研究相一致。Romano报道了17名患者在坐位穿着玻璃纤维制作的矫形器时，产生了类似的25.9[18.7-42.8]kPa的压力，但是Pham的研究发现穿着Chêneaubrace时，压力值较小（平均8kPa，32名患者），而本研究为30.9kPa。VandenHout（[4-]N，16名患者）和Périé（[0-]N，12名患者）探索了Boston支具，并报告了Boston支具的作用力范围。而本研究中为23-55N。

计算出的僵硬度指数允许根据测量和模拟的患者脊柱僵硬程度进行相应的排序。我们发现施加的作用力与FEM计算的胸椎减少的Cobb角之间呈中度相关性（r=0.6，p＜0.05）。我们的研究与一项关于矫形器矫正和施力点下测量的压力的研究的结果相似（r=0.9）(Wong（）)，但是与VandenHout（）（胸椎r=0.5，腰椎r=0.3）与Pham（）（r=-0.08）的关于矫形器的研究结果不同，他们只发现了很小的相关性。Wong（）的队列研究使用supinelateralbendingtest测量脊柱的灵活性与可矫正性，但是，这一点在另外两项研究中没有具体说明。因为躯干的僵硬度与相关性曲线的斜率直接相关，所以，中等或低相关性可以用FEM中没有调整的案例的躯干僵硬度的可变性解释。计算施加的作用力与和胸椎矫正相关的躯干僵硬度之间的双因素相关性时有意义的。

辅助矫正模拟与治疗师的经验一致。因为在5°的误差内，它可以暂时减少主弯的畸形，同时腰椎曲度不显著的增加2°。腰椎的曲度没有变化是有意为之，因为主要是为了通过向顶椎施加压力，实现胸椎阶段的最佳矫正，同时不增加反曲。在GPR中，这种再平衡测试旨在确定侧弯的可恢复性与身体姿势的代偿性的重要性，从而指导临床医生选择主动拉伸与感觉统合训练。在临床上，无法量化真正的矫正。通过一只手在胸椎区域施加矫正力，另一只手维持骨盆与整体姿势的稳定性，我们只能在视觉上限制上半身的位移。因为在矫正时，治疗师站在患者身后，无法在这种姿势下拍摄X光片来验证模拟的结果。

自我矫正可以帮助主弯畸形显著减少，说明了患者可以通过运动控制进行即刻的脊柱矫正。主胸弯得到矫正，同时腰椎冠状面的曲度没有反向加重，但是矢状面的生理曲度呈现轻微的减少。不同的矫正策略可以引起相应的姿势代偿，如矢状面的生理曲度减少或者冠状面的关节间隙增加（图3）。这些观察结果表明，自我矫正训练必须逐步融入治疗的过程中，并且只有当患者有更好姿势控制能力之后，才能避免长期的副作用。GPR治疗的目的是，逐步减少姿势代偿，同时维持在治疗过程中实现的侧弯的矫正。

图3自我矫正后，站立位拍摄的X光片显示了患者即刻减少胸椎侧弯的潜力

自我矫正有助于减少椎体的旋转，平均从11°到7°。大多数的患者最初的旋转度数较少，只有12与13号患者椎体旋转度数为22°。对于这些患者而言，自我矫正的矫正比例分别为26%和36%，这表明椎体旋转度较大的患者依旧可以进行自我矫正。尽管相关性较高（r=0.9），自我矫正的模拟结果低估了冠状面的实际矫正效果，这可能是由于模拟中不包含其它的肌肉募集矫正机制。

在胸段顶椎计算的反作用力可能与需要用于维持矫正与平衡的肌肉募集有关。由于作用力主要集中在三个椎体（T1和顶椎）上，他们的反作用力要高于维持自我矫正所募集的肌肉的反作用力，而这就可以解释其所接受的高作用力（表2）。尽管如此，进行模拟时可以通过反作用力计算相关患者的僵硬程度等级。患者P7模拟的矫正度数最低（1°），因此僵硬度等级最高（21N/°），表明脊柱的僵硬程度较高。

。

这两种姿势下侧弯缓解的不同程度不具有相关性，这表明他们为两种不同的矫正机制。辅助矫正是一种被动矫正，完全由治疗师作用的外力产生，没有主动的肌肉募集。因此，所获得的矫正仅仅与躯干的抗阻运动能力相关。而自我矫正是一种主动矫正，完全与患者的内在自我矫正能力相关。

局限性

由于有限的数据和标准化的获取方式，计算模型很难完全验证FEM。例如，对于被动矫正而言，很难在维持姿势时拍摄X光片。在目前的研究中，模拟集中在特定的参数子集，如辅助矫正时和自我矫正时顶椎的位置的侧向作用力。而这种作用力有助于解释矫正训练时的复杂机制。虽然实践中有许多未知因素，但是实验中进行的数值研究具有评估所选参数的具体影响的优势。不同的肌肉募集方式在维持特定姿势时可能有所不同，但是，这些肌肉募集方式并没有被测试。在这项研究中，我们仅仅纳入了维持稳定姿势的最小作用力。FEM中也纳入了椎间盘扭转的僵硬度，但是并没有根据患者的具体行为进行个性化处理，因为不可能使用可用的成像数据进行相应的测量：因为椎间盘的扭转僵硬度随着旋转的增加而增加，这可能会影响旋转程度较高的椎体的测量结果。由于可以使用的X光片的数量有限，本研究中无法测量自我矫正时的所需的内在作用力的再现性。但是自我矫正的可再现性可以最终通过非射线的方式（如体表图）来测量。试验限制包括在拍摄外在体表图和X光片试验时，手部位置不同。这需要患者进行额外的