不同姿勢下穿戴矯形器脊柱側(cè)彎患者呼吸力影響因素分析

關(guān)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(fā)性脊柱側(cè)彎發(fā)病率逐年增加，青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎對患者身心健康產(chǎn)生的影響被廣泛關(guān)注。脊柱側(cè)彎是指脊柱的一個或者數(shù)個節(jié)段向側(cè)方彎曲并有旋轉(zhuǎn)的三維畸形。目前，針對青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的治療方法主要分為脊柱矯形器治療和手術(shù)治療兩種。通常根據(jù)初診Cobb 角的大小選擇脊柱側(cè)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(cè)彎進展的風險增大同時側(cè)彎會壓迫胸腔內(nèi)容物，故一般采用手術(shù)治療的方法[1-2]。對于手術(shù)治療脊柱側(cè)彎還是存在一定風險并且術(shù)后可能伴隨并發(fā)癥的出現(xiàn)，例如嚴重側(cè)彎或者胸廓明顯畸形的患者，內(nèi)環(huán)境表現(xiàn)相對缺氧狀態(tài)，在進行手術(shù)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(xiàn)如今，采用矯形器治療Cobb 角在25°～45°范圍內(nèi)的脊柱側(cè)彎是一種重要的手段，其矯形原理如圖1。脊柱側(cè)彎矯形器經(jīng)過大量研究以及長期的臨床應(yīng)用其治療效果得到了廣泛的認可。2010 年北京協(xié)和醫(yī)學院王凱[5]分析了波士頓矯形器對脊柱側(cè)彎矯形的生物力學影響，其發(fā)現(xiàn)在一定范圍之內(nèi)，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(cè)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(cè)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(cè)彎脊柱有限元模型中，并且對脊柱側(cè)彎矯形進行合理的設(shè)計。作者對重力在脊柱終板上產(chǎn)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(yī)大學的易紅蕾[7]針對現(xiàn)有矯形器的缺陷對矯形器進行了改良設(shè)計以實現(xiàn)更好的三維矯形效果，同時還對矯形器治療順應(yīng)性監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計，以便于對矯形過程進行監(jiān)控。同年香港大學Li M 團隊[8]指出身體質(zhì)量指數(shù)（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(yīng)時間更長。2015 南京鼓樓醫(yī)院徐磊磊等人[9]通過對脊柱側(cè)彎患者進行統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn)年齡較小、Risser 征象較低、初始矯正率較低等是脊柱側(cè)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(zhì)量的一個關(guān)鍵因素，較高的BMI 導(dǎo)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(fā)現(xiàn)脊柱的柔韌度是影響支具矯形治療的關(guān)鍵因素之一。

圖1 脊柱側(cè)彎三點力原理圖

脊柱側(cè)彎矯正過程是復(fù)雜多變的，目前國內(nèi)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(cè)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(cè)彎矯形影響。但是，忽略了人體在呼吸作用時產(chǎn)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(cè)彎矯形器壓力墊對應(yīng)側(cè)設(shè)置釋放區(qū)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(cè)受壓，脊柱只能向有空間的釋放區(qū)域偏移，從而人體通過自身的呼吸運動產(chǎn)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(dǎo)致的胸廓變化與矯形器產(chǎn)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(fā)癥，胸廓畸形通常會使胸壁擴張受限，同時胸肺功能的順應(yīng)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(fā)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(dǎo)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(cè)彎患者在不同的姿勢下因胸廓變形與矯形器產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)以胸部活動為主；二是膈肌收縮，使胸廓的上下徑增大，表現(xiàn)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(nèi)復(fù)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(fù)器械重點實驗室進行測驗。

1.1 試驗設(shè)備及軟件

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

圖2 實驗設(shè)備

1.2 試驗過程

試驗對象：患者為三名上胸部C 型脊柱側(cè)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(cè)彎類型均為主側(cè)彎，側(cè)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(fù)器械重點實驗室。

試驗原理：脊柱側(cè)彎會導(dǎo)致凹側(cè)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(cè)的肺部，這會導(dǎo)致呼吸甚至肺活量受到影響。但是當一側(cè)胸廓的活動受到限制，另一側(cè)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(cè)（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(chǎn)生的擠壓力[21-23]。

試驗步驟：（1）對薄膜壓力傳感器進行調(diào)試，如圖3 所示。

圖3 薄膜壓力傳感器通訊測試

（2）將應(yīng)變片貼在主側(cè)彎處的皮膚上，佩戴脊柱側(cè)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(nèi)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(cè)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(nèi)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(cè)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(jié)合。有目的的呼吸訓練，可以增加肺活量，通過內(nèi)在迸發(fā)力量來使凹側(cè)突出的椎體逐漸恢復(fù)。而且，在佩戴脊柱側(cè)彎矯形器進行深吸氣時，側(cè)彎凸側(cè)的脊柱受到了矯形器的抑制，吸氣時胸廓的位移都向側(cè)彎凹側(cè)移動，所以脊柱側(cè)彎矯形器對側(cè)彎脊柱起到很好的矯形作用[24-25]。

2 結(jié)果

通過薄膜壓力傳感器測得不同體位下的因呼吸作用產(chǎn)生胸廓擴張與脊柱側(cè)彎矯形器產(chǎn)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(fā)現(xiàn)：（1）研究測試受試患者心肺功能發(fā)現(xiàn)男性患者的心肺功能優(yōu)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(dǎo)致男生的呼吸運動產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，若在產(chǎn)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(xiàn)出非線性力學特性以及各個組織之間耦合關(guān)系的不確定性會出現(xiàn)呼吸力卸載的情況。因此脂肪含量越高，呼吸產(chǎn)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(yīng)力集中。根據(jù)圖6 顯示，不同受試患者、不同部位和不同姿勢會導(dǎo)致力在組織間的傳遞發(fā)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(dǎo)致膈肌和肋間肌的收縮不同進而導(dǎo)致呼吸力的變化。

圖6 不同體位下呼吸壓力平均比較

3 結(jié)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(cè)彎會導(dǎo)致胸廓、腹腔、盆腔整體容積變小。如果側(cè)彎發(fā)生在腰椎，就會影響腹腔和盆腔的容積；如果側(cè)彎發(fā)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(xiàn)出來患者的肺活量的變化，一般來說患者側(cè)彎Cobb角到達40°時，患者的肺活量會降低20%左右。而脊柱側(cè)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(cè)彎脊柱起到很好矯形作用，同時側(cè)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(fā)生生理改變，影響著膈肌和肋間肌的正常收縮功能，從而導(dǎo)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(lián)系。呼吸量的大小最終反映在產(chǎn)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(fā)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(fā)現(xiàn)，不同體脂率對呼吸力傳導(dǎo)也會產(chǎn)生影響。體脂率較高的患者呼吸力在傳遞過程中會產(chǎn)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(xiàn)呼吸肌功能的改變從而達到緩解胸部關(guān)節(jié)僵硬的情況以實現(xiàn)脊柱側(cè)彎主動矯形過程。