青少年特发性脊柱侧弯具有发病率高、危害程度大以及发病原因不明确等特点,严重影响着青少年的身心健康。目前,矫形治疗的生物力学机理和治疗方案已成为了医工界研究学者的热点研究问题之一。但近些年来针对矫形治疗的研究重点是如何确定被动矫形力的大小、施加位置,而往往忽视了脊柱侧弯患者自身产生的主动矫形力对其自身的影响。本研究将矫形过程中影响主动矫形因素考虑其中以进一步完善矫形机理,同时提出一种符合人体生物力学特性的新型脊柱侧弯矫形器设计方法,从而提高患者的治愈率,为临床矫形器治疗提供理论参考依据。本文研究内容及结论如下:(1)结合脊柱侧弯矫形原理,研究呼吸和肌肉对脊柱侧弯主动矫形的影响。通过试验分析了四种动作下产生挤压力的变化规律,揭示了体脂和性别是影响挤压力大小的主要因素。在Any Body软件中选取竖脊肌、腹横肌和腹直肌作为研究对象,模拟在不同姿态、运动幅度下肌肉力的变化规律,确定了适合的运动幅度以增加肌肉的韧性和力量,改善患者脊柱附近肌力不平衡现象。(2)基于逆向工程原理,根据患者的CT图像数据对其椎体进行几何重建,并对重建后的几何模型进行了优化处理,同时利用3-matic软件通过标定上下椎体终板位置生成了精度高、贴合性好和外缘光滑的椎间盘几何模型,得到了符合人体解剖学特性且精度较高的患者脊柱侧弯几何模型。(3)通过查阅文献资料确定脊柱各组织材料属性以及连接关系,在有限元前处理软件中对其进行网格划分、材料属性赋予以及定义接触关系,建立了与患者脊柱侧弯高度相似的有限元模型。同时从几何相似性和生物力学有效性两个角度验证了所建立的几何模型真实有效。通过施加多组矫形力拟合出Cobb角与矫形力关系以及脊柱偏移量与矫形力的关系,可以得出按初始Cobb角度的40%进行矫正,所需矫形力为38.6N,脊柱偏移3.82mm。(4)根据患者体廓设计出符合身体曲率的矫形器结构,综合考虑患者身体特性对矫形器的压力区以及释放空间进行设计,得到了满足人体生物力学特性且具有良好依从效果的青少年特发性脊柱侧弯矫形器。