基于解剖学精确的脊柱运动建模，用于展示脊柱侧弯的病理状况

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：Anatomically Accurate Modeling of Spine Movement to Depict the Scoliosis Condition

脊柱侧弯模型运动偏差分析及其临床应用价值。基于九例青少年特发性脊柱侧弯患者的多体模型研究，发现脊柱运动存在四类特征性偏差：脊柱长度变化忽略、旋转位移边界限制、特定椎体单侧旋转位移及屈曲点附近旋转位移微调。这些发现将椎体定位误差从2.9±2.0mm降至1.1±0.4mm，脊柱曲率误差从2.1±2.0mm降至0.6±0.3mm，显著提升手术模拟预测精度。

　　

摘要：

目前对于脊柱侧弯患者的运动方式与正常脊柱的差异，以及这些差异对外科手术器械的反应了解甚少。将这些差异纳入脊柱侧弯模拟模型中，可以显著提高模型对手术结果的预测能力，降低并发症风险，从而让患者和临床医生更加满意。现有的脊柱侧弯模型主要是通过调整模型参数来模拟脊柱侧弯的不对称性，但忽略了脊柱侧弯本身会导致运动方式的显著变化。因此，这些经过调整的模型可能会提供错误的预测信息。本文旨在揭示脊柱侧弯患者运动过程中的特殊行为。研究采用了包含微尺度运动单元的多体模型，对9名青少年特发性脊柱侧弯患者的运动情况进行分析。通过统计分析，确定了几种常见的运动模式及其在模拟结果和预测准确性方面的影响。研究发现以下四种运动特征：(1) 脊柱长度变化微乎其微；(2) 某些椎骨的旋转位移有限；(3) 某些椎骨出现单侧旋转位移；(4> 在脊柱弯曲处椎骨的旋转位移也很小。将这些发现纳入模拟模型后，椎骨的位置和方向误差从2.9±2 .5毫米显著改善为1.1±0 .4毫米；脊柱曲率的近似误差也从2.1±2 .0毫米减小到0.6±0 .3毫米。由此可见，脊柱侧弯具有独特的运动特征，因此改进脊柱侧弯模型的预测能力至关重要。

引言

脊柱侧弯是一种复杂的结构性脊柱畸形[1]，[2]（图1a）。它会导致脊柱在冠状面上呈现S形或C形[3]。对于严重的脊柱侧弯病例，通常需要通过外科手术来矫正（图1b）[4]。目前已经开发了多种脊柱侧弯的生物力学模型，用于模拟手术过程并辅助制定治疗计划。图1.

脊柱侧弯的示意图：(a) 脊柱侧弯的形态及其X光片；(b) 安装了外科器械的脊柱侧弯患者及其X光片；需要注意的是，患者身上的模拟装置仅用于展示目的。