本研究由 Chloe L Chung、Derek M Kelly、Jack R Steele 与 Denis J DiAngelo 等人完成，主要作者隶属于 University of Tennessee Health Science Center 的 Department of Orthopaedic Surgery and Biomedical Engineering、Campbell Clinic Orthopaedics 与 Le Bonheur Children’s Hospital，以及 The Center for Orthotics and Prosthetics, Inc.。论文发表于 *Journal of Rehabilitation and Assistive Technologies Engineering*，于2017年10月17日投稿，2018年10月2日被接收。
该研究属于脊柱矫形生物力学与康复工程技术领域，重点关注青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）矫形支具的力学作用机制。青少年特发性脊柱侧凸是一种三维骨骼畸形，其特征包括脊柱轴向旋转（axial rotation，AR）和侧向弯曲，即 Cobb 角（Cobb angle，CA）大于等于10°。临床中，对于 Cobb 角在20°至50°之间、曲线顶椎位于 T6 以下且仍有明显生长潜力的患者，通常使用胸腰段矫形支具进行治疗。支具通过在躯干施加矫形力来维持或减少脊柱弯曲，从而防止畸形进展。虽然已有临床研究证明支具治疗有效，但支具究竟对脊柱施加了何种大小和方向的多维力，长期以来仍缺乏实验手段进行直接测量。现有研究多依赖二维或三维影像、有限元模型或皮肤—支具界面压力测量，但这些方法难以直接量化传递至脊柱的结构载荷。因此，本文的目标是设计并验证一种机械模拟脊柱模型，以模拟单弯胸腰段脊柱侧凸畸形，从而量化支具的结构特性及其对脊柱的矫形力响应。
为实现该目标，研究团队设计了一种名为脊柱侧凸模拟模型（scoliosis analog model，SAM）的机械等效装置。SAM 使用基于连杆机构的系统，模拟临床中观察到的脊柱三维矫形过程。设计依据来自患者记录与 EOS 双平面影像数据，包括身高1.7米、支具外 Cobb 角28°、轴向旋转5°，以及支具内 Cobb 角18°、轴向旋转0°。模型由三组关键椎体代表结构组成，分别对应上端椎、顶椎和下端椎。每个椎体结构由钢制连杆、连接器、塑料臂和外壳构成。连杆长度对应关键椎体间距，分别为8.1 cm和6.6 cm。臂长对应躯干外表面至椎体中心的距离，分别为12.8 cm、10.5 cm和13.6 cm。每个外壳具有特定几何形状，以与支具内部上、顶、下关键区域的轮廓面贴合。该模型利用三点压力原理与支具内壁接触，其中顶椎区域主要承担矫形力传递。SAM 与机器人测试平台（robotic testing platform，RTP）连接，上端安装板与六轴力传感器（upper load cell，ULC）和旋转执行器连接，下端安装板与下力传感器（lower load cell，LLC）连接。由于脊柱侧凸属于三维畸形，SAM 被对准到“畸形参考平面”，该参考平面与冠状面的夹角等于顶椎轴向旋转角。测试中，平台可进行垂直方向的线性位移和绕垂直轴的旋转运动，以分别模拟 Cobb 角和轴向旋转的变化。
在模型验证阶段，研究者首先在无载荷条件下测试 SAM，证明其在40°连杆旋转范围内垂直力小于3 N，说明机构可自由运动。随后通过悬挂4.54 kg 重物对顶椎连接器施加约40 N 的控制力，并在不同输入力角度（−20°、−10°、0°、+10°、+20°、+30°）下测试力传递。力传感器测量到的力分量通过坐标变换转移至上端连接器的铰接点。实验数据与二维计算机辅助设计模型的计算结果进行比较，结果显示系统因装配摩擦导致的平均力损失小于6%，验证了 SAM 的力传递可靠性。
在正式支具测试中，研究者将 Boston 支具安装于 SAM 上，并使用张力计将 Velcro 带张力设定在22～45 N之间。机器人平台首先使 SAM 从“矫正”状态（Cobb 角18°）向下运动至“畸形”状态（Cobb 角28°），模拟10° Cobb 角变化；同时通过绕垂直轴旋转模拟0°至5°的轴向旋转矫正。两种运动同时执行即可实现耦合矫形加载。测试前系统预循环五次，以确保支具在模型上稳定就位。数据采集频率为25 Hz，记录上下力传感器测得的力和力矩，以及连杆机构的角位移。力—位移曲线（force–displacement curve，FDC）和力矩—位移曲线（moment–displacement curve，MDC）用于表征支具在加载过程中的力学行为。将曲线斜率定义为支具的结构刚度，其中线性刚度以力相对于 Cobb 角变化的比值表示，旋转刚度以力矩相对于轴向旋转角变化的比值表示。
结果显示，该 Boston 支具在前后方向（anteroposterior）的刚度为0.5～0.6 N/°，在内外方向（mediolateral）的刚度为0.5～2.3 N/°，在垂直方向（superoinferior）的刚度为23.3～26.5 N/°，轴向旋转刚度为0.6 Nm/°。这表明支具在垂直方向具有较高刚度，而在前后与内外方向的刚度较低，轴向旋转控制能力有限。利用各力传感器数据并通过节点法进行计算，研究者在畸形状态（Cobb 角28°、轴向旋转5°）下求得支具对模型顶椎连接器施加的载荷为向上101 N、向内67 N。这一结果首次直接量化了支具对脊柱顶椎区域的多向矫形力，并明确显示出支具具有向上的“提拉”效应。
该研究的科学价值在于首次建立了一套可重复的机械实验平台，用以直接测量支具施加于脊柱的三维力和力矩。这种方法填补了影像学评估和有限元模拟之间的空白，为支具力学行为研究提供了实验数据。其应用价值在于，该模型和测试方法可以用于评估不同支具设计改动对结构刚度和矫形力的影响，例如调整衬垫位置、改变衬垫几何形状、增加 Velcro 带、改变材料或开孔设计等。临床中矫形师通常依靠经验和主观判断进行这些调整，而 SAM 提供了一种客观量化工具，有助于优化支具设计、改善矫形效果并提高患者佩戴依从性。
研究的亮点包括：第一，提出了新型脊柱侧凸模拟模型，能够在不依赖患者或尸体标本的情况下模拟侧凸畸形；第二，将机器人加载平台与六轴力传感器结合，实现了对支具多向力响应的动态测量；第三，首次直接报告了支具顶椎区域载荷的具体数值，证实了向上提拉效应；第四，通过力—位移和力矩—位移曲线建立了支具结构刚度的评估方法。该方法具有良好的可拓展性，未来可用于研究更复杂曲线类型以及新型支具设计。研究也存在一定局限性，例如模型将脊柱视为零刚度结构，未考虑肋骨柔性和软组织传递效应，测试仅针对单一 Boston 支具，且二维分析简化了三维力学行为。但总体而言，该研究为脊柱侧凸支具技术的实验研究提供了新的基础和方向。