本研究由香港理工大学时装及纺织学院的 Ka-po Lee、Zhijun Wang、Lin Zheng、Ruixin Liang、Queenie Fok、Kit-lun Yick 和 Joanne Yip，香港理工大学电机及电子工程学系光子学研究中心的 Chao Lu 和 Linyue Lu，佛山市第五人民医院（佛山康复医院）的 Zhijun Wang，以及香港大学矫形及创伤外科学系的 Jason Pui-yin Cheung 共同完成。论文发表于 Sensors 期刊 2025 年第 25 卷第 5 期，文章编号 1284，于 2025 年 1 月 26 日投稿，2 月 16 日修回，2 月 18 日接收，2 月 20 日在线发表。

青少年特发性脊柱侧弯（adolescent idiopathic scoliosis, AIS）是一种三维脊柱畸形，全球约有 1.7% 的 10 至 18 岁青少年受其影响。支具治疗是目前广泛使用的保守治疗方法，但临床上对于支具应施加的最优力值尚无共识。现有用于监测支具压力的传感器存在若干局限，包括无法提供整体力分布、传感器易移位、佩戴不适、可穿戴性有限等。为解决这些问题，本研究开发了一种集成十四枚硅胶封装光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）传感器的体压映射针织内衣（body pressure mapping knitwear, BPMK），用于监测支具治疗过程中即时和整体的力变化。研究目标是通过 BPMK 获取可靠的力数据，并将其与有限元（finite element, FE）模型结合，为临床提供数据驱动的支具力优化依据。

研究的工作流程可分为四个主要阶段。第一阶段是 FE 模型与 AIS 软体人台的使用。研究基于一名 12 岁女性 AIS 患者的临床数据建立 FE 模型，该患者胸椎 Cobb 角为 25.3°，腰椎 Cobb 角为 21.8°，Risser 分级为 2 级，佩戴功能性贴身内衣（functional intimate apparel, FIA）即各向异性纺织支具（anisotropic textile brace, ATB）2 小时后，Cobb 角分别降至 18.7° 和 18.8°。由于招募具有相同 Cobb 角和体表轮廓的受试者存在困难，研究采用了一具经过验证的软体 AIS 人台，该人台基于前述患者的测量数据开发，能够准确模拟其躯干轮廓、脊柱曲度和 Cobb 角，避免了人体试验中的辐射暴露和运动干扰。第二阶段是 FBG 传感器系列的设计。共制作了十四枚 FBG 传感器，分布在四根光纤上，以降低单根光纤上刻写十四枚传感器的安装难度、成本和时间。每枚传感器在刻写前均经过间隔测量。传感器被嵌入 1.5 mm 厚的 Dragon Skin® 20 硅胶膜中，硅胶膜上预先制作曲线凹槽，FBG 传感器嵌入凹槽后再整体衬入纯匹马棉针织内衣的经向方向。十四枚传感器成对布置于支具垫片对应的关键区域，包括肋骨、骨盆髂前上棘、腋下、腰部、骨盆髂嵴、胸肌和腰肌，并分别以“R”和“L”标注右侧和左侧。为获得力—应变关系，研究使用经过验证的人工组织（由 Ecoflex® 0010 硅橡胶和聚氨酯泡沫制成，厚度 20 mm）和 JSV-H1000 力计进行模拟佩戴试验。力计每 5 秒施加 0.5 N，直至达到 10 N，使用 SM130 光学传感解调仪记录布拉格波长漂移，最终得到十四个位置各自的力—波长漂移预测方程。随后将 BPMK 穿在软体人台上，再穿戴 FIA，在 FIA 右侧胸椎区和左侧骨盆区放置硅胶垫，并收紧绑带至脊柱开始对齐伸直，测试持续约一分钟至信号稳定。第三阶段是 FE 仿真。FE 模型包含躯干、骨骼结构和 FIA 三个主要部件，分别通过三维人体扫描和 X 射线图像构建。模型在 MSC Marc 2020 软件中实现，重新划分网格以提高精度，并根据 BPMK 测得的力值调整加载条件。躯干组织杨氏模量为 0.05 MPa，泊松比 0.40；椎骨、肋骨和骨盆为 10,000 MPa，泊松比 0.30；椎间盘为 1.00 MPa，泊松比 0.30；FIA 纺织材料为 0.59 MPa，泊松比 0.40；铰链材料为 2070 MPa，泊松比 0.30。模型固定 T1 椎骨顶面和躯干底面所有自由度，并通过位移边界条件模拟 FIA 的穿戴过程。第四阶段是验证。通过比较 FE 模型估计的 Cobb 角和脊柱曲度与 X 射线实际观察结果来验证模型可靠性。Cobb 角使用 RadiAnt DICOM Viewer 测量，脊柱曲度通过测量椎体与骶骨中央垂直线之间的水平距离进行量化。

研究结果显示，硅胶封装的 FBG 传感器在软表面上测量力时具有很高的线性度，十四个传感器的决定系数（r²）范围为 0.83 至 0.99。力与布拉格波长漂移之间建立了十四个线性方程，分别对应不同传感器位置。在软体人台测试中，FIA 施加的力值在不同位置差异明显。前方系列中，2R 为 0.471 N，1R 为 0.648 N，1L 为 0.965 N，2L 为 0.481 N；后方系列中，7R 为 1.810 N，6R 为 1.178 N，6L 为 0.000 N，7L 为 1.453 N；右侧系列中，3R 为 1.400 N，4R 为 0.324 N，5R 为 1.905 N；左侧系列中，3L 为 1.250 N，4L 为 2.107 N，5L 为 1.494 N。较高的力值出现在胸椎顶点区域 T8-T9 和腰椎顶点区域 L1 附近。临床数据中胸椎和腰椎顶点区域的力分别为 2.44 N 和 0.96 N，而软体人台测试结果分别为 1.4 N 和 2.1 N，两者均显示出顶点区域力值较高的趋势。传感器灵敏度存在一定变异，例如 3L 传感器在 10 N 作用力下最大布拉格波长漂移为 0.215 nm，而 5R 传感器仅为 0.055 nm，这可能与光纤刻写工艺、衬入过程、织物结构及厚度差异有关。FE 分析结果显示，胸椎向左侧移位，腰椎向右侧移位，T8 和 T9 椎骨位移最明显，表明脊柱趋于伸直。FE 模型估计的胸椎 Cobb 角从 24.9° 降至 18.1°，腰椎 Cobb 角从 22.1° 降至 16.7°；X 射线图像显示胸椎 Cobb 角从 25.3° 降至 18.7°，腰椎 Cobb 角从 21.8° 降至 18.8°。FE 模型与 X 射线图像在胸椎和腰椎区域的估计差异分别为 0.6° 和 2.1°。脊柱曲度比较显示，模型和实测的支具内脊柱曲线均在 T7 至 T10 向左偏移、T12 至 L4 向右偏移，椎体位置之间的相关系数为 0.87，高于此前研究中的 0.74，表明模型在胸椎 T5-T8 和腰椎 L1-L4 区域的运动估计更为准确。

本研究的结论是，BPMK 能够有效测量软表面上的支具力分布，硅胶封装 FBG 传感器的高线性度证实了其检测力的可行性。通过将 BPMK 测得的力数据输入 FE 模型，模拟结果与实测数据高度一致，验证了 BPMK 的可靠性和准确性。与传统方法相比，BPMK 提供了更全面的整体和即时力测量能力，佩戴舒适性和身体运动适应性更好，是 AIS 支具干预连续监测的可靠工具。FBG 传感器的柔韧性和磁共振成像兼容性使其在骨科治疗、运动表现等健康相关领域具有广泛应用前景。研究的科学价值在于建立了 BPMK 与 FE 模型相结合的方法，为理解支具力与脊柱矫正之间的关系提供了定量工具。应用价值在于为临床医生提供数据驱动的决策依据，有助于确定最优支具力值，降低损伤风险，提高支具依从性和治疗效果。研究的局限性包括石英光纤易碎、光纤长度影响可穿戴性、硅胶封装方式和位置对力—应变关系影响显著、软体人台对不同体型个体的适配性有限等。未来研究可考虑使用聚合物光纤、开发微型解调仪、深入研究硅胶对 FBG 响应的作用机制，并在改进后进行人体试验。