2.1   参与者数量分析   纳入患者14例，试验过程无脱落，均进入结果分析。
2.2   患者一般数据及临床测量值   纳入的14例患者均符合青少年特发性脊柱侧弯的诊断标准，且具备完整的数据集，见表1。



2.3   胸围、年龄、Cobb’s角分别与最大吸气和最大呼气时胸廓容积的相关性    双变量Pearson相关性检验结果显示最大吸气时胸廓容积分别与胸围呈正相关(r=0.738，P=0.003 < 0.05)，与年龄呈正相关(r=0.623，P=0.017 < 0.05)，与Cobb’s角不相关(r=0.256，P=0.377 > 0.05)，见图7。最大呼气时胸廓容积分别与胸围呈正相关(r=0.821，P < 0.001)，与年龄呈正相关(r=0.743，P=0.002 < 0.05)，与Cobb’s角不相关(r=0.327，P=0.254 > 0.05)，见图8。







2.4   胸围、年龄、Cobb’s角分别与最大吸气和最大呼气时腹腔容积的相关性   双变量Pearson相关性检验结果显示最大吸气时腹腔容积分别与胸围呈正相关(r=0.778，P=0.001 < 0.05)，与年龄不相关(r=0.498，P=0.070 > 0.05)，与Cobb’s角不相(r=0.099，P=0.736 > 0.05)，见图9。最大呼气时腹腔容积分别与胸围呈正相关(r=0.690，P=0.006 < 0.05)，与年龄不相关(r=0.423，P=0.132 > 0.05)，与Cobb’s角不相关(r=0.089，P=0.763 > 0.05)，见图10。







2.5   胸围、年龄、Cobb’s角分别与最大吸气和最大呼气时胸廓容积差值的相关性   双变量Pearson相关性检验结果显示最大吸气和呼气时胸廓容积的差值与胸围不相关(r=0.088，P=0.764 > 0.05)，与年龄不相关(r=-0.044，P=0.882 > 0.05)，与Cobb’s角不相关(r=-0.70，P=0.813 > 0.05)。

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青少年特发性脊柱侧弯是一种表现为脊柱旋转不对称的疾病。正如它命名中“特发性”所指，尽管学者们做了大量研究，但迄今为止它的病因仍然不明[1]。一般而言，脊柱侧弯可划分为功能性和结构性，结构性脊柱侧弯又包括了不明原因的特发性脊柱侧弯和由代谢性疾病、先天性疾病及神经系统疾患等各类疾病引起的非特异性脊柱侧弯，其中，特发性脊柱侧弯约占80%，是最为常见的一类[2]。在学龄期青少年人群中，青少年特发性脊柱侧弯发生率为0.5%-3%，其中约10%侧弯角度> 45°，需要进行外科矫正[3-5]。青少年特发性脊柱侧弯不仅会影响患者的外观，还会对患者的健康和生活质量产生影响[6-7]；此外，会对患者的胸腔及腹腔造成压迫，减小胸廓容积和腹腔容积，导致各脏器功能受损。

三维运动捕捉系统是应用计算机辅助技术，通过建立不同的模型，记录物体在真实三维空间中的运动轨迹或姿态，并在虚拟三维空间中重建运动物体每一时刻运动状态的高新技术[8-9]。三维运动捕捉系统所记录的数据可较好地保存运动细节，并真实地记录运动轨迹，数据精度高[10]。随着现代精准医疗的不断发展，三维运动捕捉系统已逐渐成为各项医学领域研究、评估及治疗的主要工具[11-19]。该研究旨在建立基于三维运动捕捉系统下青少年特发性脊柱侧弯胸廓容积与腹腔容积的模型。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1   设计   通过三维运动捕捉系统建立胸廓容积与腹腔容积模型，采用一般线性双变量 Pearson 相关性检验进行相关性分析。
1.2   时间及地点   病例来源于2020年7月至2021年7月于上海市养志康复医院(上海市阳光康复中心)、上海交通大学附属第六人民医院、上海交通大学附属儿童医学中心就诊的青少年特发性脊柱侧弯患者。
1.3   对象   选取青少年特发性脊柱侧弯患者14例，年龄10-18岁，其中男性2例，女性12例。该临床研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和上海养志康复医院(上海市阳光康复中心)对研究的相关伦理要求(伦理批件号：YZ2020-063，2020.8.20)。参与试验的患病个体及监护人为自愿参加，对试验过程完全知情同意，在充分了解试验方案的前提下签署了“知情同意书”。
1.3.1   诊断标准  根据国际疾病分类(International Classification of Diseases，ICD-10)应用Cobb’s法测量站立位脊柱正位X射线片的脊柱侧弯，角度> 10°者诊断为脊柱侧弯[20]。
1.3.2   纳入标准  ①符合青少年特发性脊柱侧弯诊断标准(ICD-10：M41.1)；②年龄10-18岁；③Cobb’s角为10°-50°；④自愿加入该试验研究；④能配合完成三维运动捕捉系统的数据采集。
1.3.3   排除标准   ①存在严重基础疾病者；②存在认知、言语及听理解功能严重障碍的患者。
1.3.4   剔除标准  因患者自身原因而导致采集数据失败者。
1.4   方法   
1.4.1   Cobb’s角度测量   X射线片测量其角度：由同一名医生测量每位患者的Cobb’s角度；T1-S1长度测量：测量第1胸椎顶端到第1骶骨底端距离；胸围测量：用软皮尺水平测量胸部最丰满处1周[21]。T1-S1长度及胸围由同一名物理治疗师测量。
1.4.2   建立胸廓容积与腹腔容积模型  通过三维运动捕捉系统系建立青少年特发性脊柱侧弯胸廓容积及腹腔容积模型。

(1)确定Marker数量及固定位置：根据青少年特发性脊柱侧弯患者的胸廓及腹腔特征确定三维运动捕捉系统中所需用到的Marker数量及位置。共计82个Marker。

Marker具体贴放位置如下：前方标记分为7行，每行5个标记。所得的5个阵列，分别位于胸廓中线、左右腋前线、左右腋前线之间，见图1。

然后在剑突和第10肋骨下角之间再粘贴两个标记，每侧1个。

后方标记分为7行，每行5个标记。所得的5列，位于胸腰椎棘突(中线)、左右后腋窝线、左右后腋窝线中线之间，见图2。

侧方标记在第3，4，5，6，7行贴的前后标记物中间的腋中线处，左右各贴5个侧方标记物。见图3。

(2) 三维运动捕捉数据系统采集流程：三维步态分析采用美国Motion Analysis系统(Raptor-4S)，包含反光标记点(4 mm)，20个红外摄像头，采样频率为120 Hz(120 frames per second)，工作站和视频处理器，图像采集软件Cortex。

受试者登记其个人基础信息后，穿着紧身衣裤，进入三维运动分析实验室。实验室工作人员以模型(82个反光标记点)为标准为受试者在全身各关键点进行标记。Marker贴放完毕后，对受试者进行静态图像采集，见图4。然后开始三维运动数据采集，首先采集5次平静下呼吸数据，再引导受试者做最大吸气及呼气运动5次，并采集数据。此过程中的所有运动数据和都将会由Cortex软件保存记录。

(3) Cortex软件建模流程：在Cortex软件中对各Marker点进行命名，以此确定各Marker之间的位置关系。连接各点建立胸廓容积与腹腔容积模型，见图5；随后筛选并提取合适的呼吸动画帧数。为保证模型在运动中的完整性，对呼吸动画进行补间及平滑处理。最后利用Cortex导出具体数据。

(4)利用公式计算胸廓容积及腹腔容积(平静呼吸、最大吸气、最大呼气)：通过模型对胸廓及腹腔进行分层计算。采用胸壁三角化并对所覆盖的体积进行积分，计算胸壁的体积位移，实际使用的三角剖分，见图6。目前利用三角函数计算得出三角形面积S1=1/2absinα，所得面积乘以层高得出三角形体积V1=1/2ab·sinα·h，每层体积则为多个三角形体积之和VL1=V1+V2+···V10。

1.5   主要观察指标   ①胸围、年龄、Cobb’s角分别与最大吸气和最大呼气时胸廓容积的相关性；②胸围、年龄、Cobb’s角分别与最大吸气和最大呼气时腹腔容积的相关性。
1.6   统计学分析   采用SPSS 16.0对数据进行统计学分析。计量资料用x±s表示。采用一般线性双变量 Pearson 相关性检验分析胸围、年龄、Cobb’s角分别与最大吸气和最大呼气时胸廓容积及腹腔容积的相关性。计算样本相关系数r值，r的绝对值越大说明相关性越强。以α=0.05为检验标准，P < 0.05认为两总体存在显著的线性关系。文章的统计学方法已经过上海中医药大学统计学专家审核。

青少年特发性脊柱侧弯目前病因尚不明确，认为是多因素共同作用结果，包括脊柱生长力线失衡引起的动静态系统不平衡、生长发育因素、遗传因素、神经内分泌系统紊乱等[22-23]。脊柱侧弯在青春期发展最快，通常认为与青春期骨骼尚未完全发育成熟有关[24]。随着年龄的增长，脊柱侧弯畸形渐渐加重。

青少年特发性脊柱侧弯是一类复杂的脊柱畸形，随着患者的Cobb’s角度增加，躯体其他部位也会产生变形。脊柱畸形不仅会影响患者的外观，还会对患者的胸腔及腹腔造成压迫，减小胸廓容积和腹腔容积，导致各脏器功能受损[25]。此外，青少年特发性脊柱侧弯患者往往合并各种肋骨畸形，使得胸廓活动近一步受限，顺应性降低。这些畸形不仅影响患者外观，更重要的是肺脏的正常生长发育被阻止，导致不可逆的肺功能损害。

肺功能通过肺容量、膈肌和肋间肌功能、肺和气道阻力来进行调节。正常通气依赖于稳定的胸腔，胸腔限制会导致限制性肺病出现，由此产生较高的肺心病早期死亡率[26]。呼吸则是由肋间肌、膈肌相互协调，带动胸廓运动改变胸廓容积完成的。青少年特发性脊柱侧弯对呼吸功能的损害主要是影响肺脏生长发育，限制胸廓运动，减小胸廓容积，导致肺容积减小，引发通气功能降低和气体交换功能障碍。患者会出现耐力下降、肺活量下降、气促等问题，严重患者甚至会出现呼吸衰竭生存期缩短[27]。有研究指出青少年特发性脊柱侧弯患者的肺功能情况与脊柱及胸廓畸形有着直接关系[28]，但尚未有研究表明其与Cobb’s角度的大小直接相关。青少年特发性脊柱侧弯轻度患者可能不存在胸廓畸形等问题，随着患者的Cobb’s角不断增加，两侧肋间肌肌力的不平衡会引起凹凸两侧胸廓发生不对称改变，导致胸廓容积减小，使得肺部呼吸容积及顺应性受到影响。

目前国内临床骨科医师对于青少年特发性脊柱侧弯患者常采用CT平扫检测其胸廓与腹腔变化，这一检查对患者有辐射性损害，且需要依靠临床骨科医师的经验得出患者疾病的进展情况。而对于青少年特发性脊柱侧弯患者的肺功能损害程度则采用肺功能测试来检验，但这一检查不能顾忌脊柱畸形对腹腔的影响，且无法将手术前后经过矫正的胸廓容积与腹腔容积变化良好地量化。现阶段国内对于青少年特发性脊柱侧弯患者的胸廓和腹腔检测，没有高效、精准、量化的方法。多数患者可得到明确诊断，并需要长时间监测其疾病的发展。骨科医师、康复科医师等需要直观了解到患者的胸廓及腹腔改变，以此制定更为准确的手术、康复等治疗方案，并通过胸廓容积及腹腔容积的变化检测手术及康复疗效。通常Cobb’s角< 5°属于病变轻微，无需随访；如角度在5°-9°间，则需至少半年随访1次[29]；角度在10°-45°者，需要进行保守治疗，包括物理治疗，矫形器等治疗手法，而其随访频率与Cobb’s角存在正相关性[30]；超过45°及以上患者则需要手术及时进行介入。但目前所有的检测方法绝大多数采用辐射性摄片，骨科医师、康复科医师需要大幅度降低检测次数，以确保患者减少由于辐射产生的损害。这对监测处于高速生长发育的青少年特发性脊柱侧弯患者的疾病发展无疑是不利的。

作者所在课题组针对青少年特发性脊柱侧弯患者，通过建立基于三维运动捕捉系统下青少年特发性脊柱侧弯胸廓容积与腹腔容积的模型，在运动捕捉分析系统中构建出患者的胸廓和腹腔轮廓，并保存、分析患者静态及动态时胸廓和腹腔的运动变化；再将所采集到的数据导出，并计算出胸廓容积及腹腔容积。通过此次研究证明轻中度青少年特发性脊柱侧弯患儿的最大吸气和最大呼气时胸廓容积和腹腔容积与患者的胸围呈正相关，但与患者的Cobb’s角不相关；最大吸气和最大呼气时胸廓容积的差值与患者的胸围、年龄、Cobb’s角均不相关。

此次研究主要将重点放在模型的初步建立及计算，所得结果存在一定局限性。收治患者Cobb’s角均值为(29.28±12.51)°，大多属于轻中度，胸廓畸形表现不明显，故可能存在Cobb’s角与胸廓容积的相关性降低。此外，由于研究病种较为特殊，故样本量相对较少，样本量年龄、Cobb’s角、身高和体质量等数据跨度较大，在后期研究中将增大样本量，并获取更好的临床试验数据。

通过测量青少年特发性脊柱侧弯患者的胸廓容积及腹腔容积能够了解患者的肺功能情况、胸廓畸形程度，观察胸腔与腹腔变形程度，可以直观、安全、高效地监测患者的疾病发展情况，快速准确地制定治疗方案；同时可以检测骨科医师、康复科医师等的手术及康复等治疗方案的有效性。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：
三维运动捕捉系统：应用计算机辅助技术，通过建立不同的模型，对人体运动数据进行保存与分析。
青年特发性脊柱侧弯：一种脊柱结构性的侧弯，生长发育期间原因不清楚的脊柱侧凸。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

目前国内临床骨科医师对于青少年特发性脊柱侧弯患者常采用CT平扫检测其胸廓与腹腔变化，这一检查对患者有辐射性损害，且需要较大依靠临床骨科医师的经验得出患者疾病的进展情况。而对于青少年特发性脊柱侧弯患者的肺功能损害程度则采用肺功能测试来检验，但这一检查不能顾忌脊柱畸形对腹腔的影响，且无法将手术前后经过矫正的胸廓容积与腹腔容积变化良好地量化。现阶段国内对于青少年特发性脊柱侧弯患者的胸廓和腹腔检测，没有高效、精准、量化的方法。多数患者可得到明确诊断，并需要长时间监测其疾病的发展。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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