摘要
随着每年青少年特发性脊柱侧弯患者数量的不断增加，矫形器治疗对于轻、中型患者是最主要的治疗方式。而目前矫形器的设计与制造对矫形器师的经验要求较高，关于矫形力施加位置与大小的理论研究较少，脊柱侧弯矫形器的设计与制造存在精准度较低、矫形效果不理想以及患者穿戴舒适性较差等问题。 针对以上问题，本文利用医学与工程学相关技术，对脊柱侧弯矫形器的结构分析与优化设计进行研究。通过建立弯曲梁模型等效侧弯段脊柱，为脊柱矫形力的加载提供了理论计算方法，并结合躯干与脊柱简化模型的有限元仿真分析，确定了初次矫形效果最好的躯干矫形力施加位置与大小，为矫形器的设计提供了理论依据。根据该矫形力的加载方式，对矫形器的结构和材料进行优化设计，并使用3D打印技术进行了制造。通过对患者穿戴矫形器进行适配性研究可知，矫形器能实现预期矫形效果，且患者穿戴舒适性较高。本文主要研究内容如下： (1)脊柱侧弯矫形力理论分析与几何模型的建立。通过建立侧弯段脊柱等效弯曲梁模型，得到矫形力与矫形角的函数关系式。基于患者CT数据利用医学和工程学软件建立躯干与侧弯段脊柱的几何模型。 (2)建立患者躯干与侧弯段脊柱有限元模型并进行仿真分析。对患者躯干与侧弯段脊柱几何模型进行网格划分、定义各组织材料参数和接触等，建立其有限元模型并对有效性进行了验证。通过施加不同大小的矫形力观察脊柱变形情况，结合前面矫形力的理论计算，从而确定初次矫形效果最好的脊柱矫形力施加位置与大小。再根据矫形力在躯干与脊柱之间的传递关系，得到躯干矫形力的加载方式。对比其理论计算与仿真结果，研究显示两者具有一致性，从而确保躯干矫形力加载方式的准确性。 (3)建立脊柱侧弯矫形器主体轮廓模型并进行优化设计。利用非接触式扫描技术与医学软件建立矫形器主体轮廓模型。基于前文得到的躯干矫形力加载方式，对患者躯干与矫形器有限元模型进行仿真分析，结合Canfit软件设计出带有施力区与释放区的矫形器。再从结构和材料两方面对矫形器进行优化设计。首先，通过拓扑优化确定矫形器镂空区域为背部左上方和和臀部上方。然后，通过正交试验结合有限元仿真计算对镂空区域的结构进行了分析，从而确定了镂空结构的设计方案，优化后的矫形器体积减少了29%。优化前后矫形器应力大小变化小于10%，验证了优化后的矫形器强度。最后，通过对3D打印材料进行对比研究，从而确定本研究选用聚丙烯(PP)材料对矫形器进行制造。 (4)利用3D打印技术制造矫形器并进行适配性研究。采用熔融沉积成型工艺，通过3D打印技术对矫形器进行制造。利用GeomagicQualify软件对打印前后的矫形器模型进行偏差检测，结果显示制造精度能够满足矫形器使用要求。并利用偏差检测对矫形器与患者身体的贴合程度进行分析，结果显示贴合度较好。采用薄膜压力传感器与JM3812无线静态应变测试仪对矫形器进行应力试验，验证了优化后的矫形器有限元仿真结果的有效性。对比脊柱侧弯患者穿戴矫形器前后的X光片发现，Cobb角减少了14.68°，其生理曲线趋近于正常人生理曲线，表明优化设计后的矫形器满足临床上对于矫正效果的预期要求。最后，通过步态试验和动、静态的足底压力测试实验，以及主观评价法等方式，对患者穿戴矫形器进行了适配性研究。可以得出该矫形器能够实现预期矫形效果，患者穿戴舒适性较高，并且穿戴此矫形器对患者步态和平衡性都有一定的改善作用。
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