本研究由香港理工大学的 Ka-po Lee、Chao Lu、Hiu-tung Kwok、Jun Zhang、Queenie Fok、Kit-lun Yick 及 Joanne Yip 等人共同完成，发表于《Fashion and Textiles》期刊2024年第11卷第41号。研究旨在开发一种可变形躯干人体模型（morphing torso mannequin），用于测量脊柱侧凸矫形器与皮肤之间的界面压力，并评估矫形器的疗效，从而减少青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者在治疗过程中反复接受X光检查的需求。该研究的核心目标是兼顾矫形压力与穿着舒适性，同时为服装设计提供适应AIS患者特殊体型的工具。
从学术背景来看，AIS是一种常见于10至15岁青少年的脊柱三维畸形，当Cobb角处于20°至40°且Risser征为0至3级时，矫形器治疗是最主要的保守干预手段。传统硬质矫形器通过三点压力系统对脊柱施加矫正力，但长期佩戴会限制患者着装选择，并对其身体意象、社交生活及整体生活质量产生负面影响。研究表明，矫形压力不足会降低疗效，而压力过高则可能导致疼痛、压疮甚至肺容量减少。因此，如何在确保矫正效果的同时控制界面压力，是临床和康复工程领域长期存在的难题。现有的软体人体模型多无法同时整合胸椎、肋骨及骨盆等关键解剖结构，或仅适用于正常脊柱形态，难以真实反映AIS患者的脊柱反应。
在研究方法上，该团队首先基于一位12岁女性AIS患者的双平面X光影像，获取其胸椎（T5至T11）Cobb角25.3°、胸腰段（T11至L3）Cobb角21.8°、Risser征2级的个体化脊柱曲度数据。随后，研究利用已验证的有限元模型（finite element model，FE模型）提取躯干曲面轮廓，并通过SolidWorks 2018软件完成三维建模。皮肤与肌肉层分别采用Dragon Skin™ 10 Very Fast铂金硅胶、Ecoflex™ 0010铂金硅胶以及Soma Foama™ 15和柔性聚氨酯泡沫905进行浇铸。骨骼结构方面，研究团队将17个椎体和24根肋骨进行分割并编号，使用Shore D硬度为79的树脂材料3D打印，同时采用Shore A硬度为40的Hei-Cast 8400材料打印椎间盘，以模拟人体椎间盘的柔韧性。胸骨则通过Dragon Skin™ 10 NV铂金硅胶模塑制成。椎体表面涂覆荧光颜料，便于在暗环境中观察脊柱曲度变化。为了验证模型的有效性，研究者使用与临床研究相同的Pliance®-XF-16压力测量系统（配备3×3传感器阵列）和各向异性纺织矫形器（anisotropic textile brace，ATB），在人体模型上逐步调节压力，直至胸椎垫、腰椎垫及骨盆左右两侧的压力分别达到24.4 kPa、9.6 kPa、1.8 kPa和7.5 kPa的目标值。随后，通过对比人体模型穿戴与未穿戴ATB状态下的Cobb角及脊柱曲线，并与患者实际X光影像进行相关性分析，验证其模拟矫形效果的能力。
研究结果显示，组装完成的可变形躯干人体模型在体表轮廓上与FE模型高度一致，并且在初始脊柱曲度和Cobb角方面也表现出显著相似性。在胸椎区域，模型与三维椎体模型及X光影像的Cobb角均约为25°，且顶椎均位于T8至T9之间。在腰椎区域，模型与三维椎体模型和X光影像的偏差分别为0.8°和0.5°，这种微小差异可能源于T12至L5区域对柔性泡沫支撑的依赖，在直立状态下受重力影响而发生位移。压力测量结果表明，模型在胸椎垫、腰椎垫、骨盆左右两侧记录到的压力分别为24.1 kPa、9.4 kPa、2.1 kPa和7.4 kPa，与患者实测值高度接近。穿戴ATB后，模型脊柱的顶椎区域发生明显向凹侧移动，其中T8至T9区域向左移位，L1椎体向右移位，与临床X光影像中的变化趋势一致。定量分析显示，模型穿戴ATB后，胸椎Cobb角由25.1°降至19.9°，减少5.2°；腰椎Cobb角由21.3°降至19.1°，减少2.2°。患者X光影像中相应区域的Cobb角分别减少6.6°和3.0°，两者趋势一致。更重要的是，模型与临床X光影像在穿戴矫形器后的脊柱矫正效果之间的相关系数达到0.95，说明该模型能够较为准确地模拟真实人体的矫形反应。
在结论方面，该研究证实了可变形躯干人体模型在测量矫形器-皮肤界面压力和评估矫形疗效方面的可行性。与传统方法相比，该模型可以在不增加患者辐射暴露的情况下，反复模拟不同矫形器的加压效果，为临床医生确定新制矫形器的最佳压力水平提供了参考依据。同时，该模型也可用于评估服装合体性，帮助时尚设计师为AIS患者设计兼顾舒适性与美观性的服装。研究还指出，该模型具有整合先进传感器技术的潜力，例如与光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器结合，实现对矫形压力的实时监测和优化。此外，该模型可用于研究不同类型矫形器在异常脊柱上的压力分布，从而推动矫形器设计、人体工学座椅及床垫等辅助设备的改进。
本研究的亮点主要体现在三个方面。首先，该模型首次将胸椎、腰椎、肋骨、胸骨和骨盆整合进同一软体躯干模型中，克服了以往AIS软体模型仅包含腰椎或缺乏肋骨结构的问题。其次，通过模塑与3D打印相结合的方式，模型不仅实现了与FE模型1:1的几何等效，还采用了多种不同硬度和柔韧性的材料来模拟骨骼、椎间盘和软组织的力学特性。第三，研究通过定量对比模型与患者X光影像的脊柱曲线变化，以较高的相关系数验证了模型的有效性，为后续临床应用奠定了基础。
然而，研究也存在一定局限性。本研究主要基于二维冠状面X光影像进行验证，无法充分评估AIS脊柱在三维空间中的旋转畸形。此外，肌肉活动、组织顺应性和个体疼痛反应等因素在人体模型中难以完全复现。模型制造工艺复杂，涉及多材料3D打印、模具制作和精确装配，可重复性较低。未来研究可结合三维成像技术，开发涵盖不同年龄、性别和脊柱曲度类型（C型和S型）的系列化模型，并探索动态条件下的矫形效果评估。总体而言，该研究为脊柱侧凸矫形器的压力优化和疗效评估提供了一种安全、可重复的实验平台，具有重要的临床转化价值和服装设计应用前景。