特發(fā)性脊柱側(cè)凸伴骨盆矢狀位失衡有限元建模及三維矯形生物力學(xué)研究.pdf

1、本課題應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，CAE)軟件，建立了基于兩個(gè)志愿病人CT圖像的伴有骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維非線性有限元模型。分析了兩個(gè)模型的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行有效性的驗(yàn)證。在這基礎(chǔ)上，我們仿真模擬伴有骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸后路矯形手術(shù)，討論選擇不同下固定椎(lowest instrumented vertebra，LIV)的矯形效果差異以及脊椎的應(yīng)力和應(yīng)變水

2、平變化。
　　第一章伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的建立
　　目的:應(yīng)用CAE軟件（(Mimics和HyperMesh)，建立基于志愿者CT圖像的伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維非線性有限元模型兩個(gè)。
　　方法:選擇1例17歲男性伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸志愿者和1例15歲男性伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸志愿者作為研究對(duì)象。均采取仰臥位，應(yīng)用32排螺旋CT從T1上緣至尾骨以1mm間距進(jìn)行連

3、續(xù)掃描，獲得Dicom格式CT圖像分別為539張和544張。分別導(dǎo)入軟件Mimics10.01，建立包括胸-腰-骸尾椎-胸廓和骨盆等結(jié)構(gòu)的完整脊柱側(cè)凸三維幾何模型。對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，然后分別導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh10.0，劃分出有限元實(shí)體網(wǎng)格，并添加椎間盤和韌帶等結(jié)構(gòu)單元，定義了接觸和連接，生成完整的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型。
　　結(jié)果:成功建立了兩例包括全部胸腰椎(T1-L5)、骶尾骨、完整胸廓、椎間盤、脊

4、柱所有韌帶、小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)突及骨盆的伴骨盆水平失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)彎有限元模型，采用5種單元類型和14種材料性質(zhì);第一例模型（A志愿者）共包含節(jié)點(diǎn)數(shù)197195，六面體單元9633個(gè)，四面體單元578031，殼單元228273個(gè)，線纜單元5239個(gè)和桿單元1441個(gè)，總單元數(shù)821676個(gè);第二例模型共包含節(jié)點(diǎn)數(shù)219162，六面體單元10559個(gè)，四面體單元601982，殼單元2330646個(gè)，線纜單元6528個(gè)和桿單元1320個(gè)，總單元數(shù)

5、852133。建立的模型分別與兩位患者的X線的脊柱幾何形態(tài)相似性非常接近。
　　結(jié)論:成功構(gòu)建了兩例基于CT圖像數(shù)據(jù)的伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，模型均完整、逼真地還原了被模擬患者的脊柱形態(tài)。
　　第二章伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的生物力學(xué)有限元分析和有效性驗(yàn)證
　　目的:對(duì)初步建立的兩個(gè)有限元模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使模型的形態(tài)結(jié)構(gòu)和材料屬性均實(shí)現(xiàn)個(gè)體化，驗(yàn)證優(yōu)化的三維有限元模型的有

6、效性。探討伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸椎間盤、小關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎體等的應(yīng)力的分布，為病變的發(fā)生、發(fā)展的生物力學(xué)機(jī)制提供可靠地依據(jù)。
　　方法:對(duì)兩個(gè)建立的三維有限元模型賦予不同材料屬性和皮質(zhì)骨厚度，模擬左右側(cè)屈試驗(yàn)，并與臨床X線片對(duì)照，應(yīng)用SPSS19.0軟件按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素三水平分析，再用直觀分析法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)模型材料性質(zhì)和皮質(zhì)骨厚度的參數(shù)優(yōu)化。將所建立的有限元模型與原始臥位X線片比較，驗(yàn)證模型的幾何

7、外形。通過模擬臨床臥位側(cè)屈實(shí)驗(yàn)，參照文獻(xiàn)數(shù)據(jù)在脊椎各個(gè)節(jié)段施加載荷模擬站立形態(tài)，然后分段加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:在兩個(gè)建立的模型中均各自提取T7-11、T11-L1以及L1-S1三個(gè)節(jié)段，分別參照歷史同類體外（尸體）實(shí)驗(yàn)對(duì)有限元節(jié)段模型進(jìn)行約束加載，并將加載結(jié)果與各自參照的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的有效性。在前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎四種工況下對(duì)模型進(jìn)行加載，計(jì)算和分析脊柱的活動(dòng)度、椎間盤、椎體及小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)突的應(yīng)力分布。
　　結(jié)果:各

8、椎體中心位置以及矢狀面、冠狀面上各彎的角度，兩個(gè)有限元模型與各自對(duì)應(yīng)患者的仰臥位X線片之間均有很好的一致性;T7-11、T11-L1以及L1-S1三個(gè)節(jié)段各段有限元模型加載結(jié)果與各自參照的歷史體外（尸體）實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。兩例三維有限元模型比正常腰椎的活動(dòng)度要小，椎間盤應(yīng)力分布趨向于椎間盤的四周，后伸運(yùn)動(dòng)時(shí)各椎間盤應(yīng)力最大，側(cè)彎頂點(diǎn)椎體容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，在后伸工況下小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)突的應(yīng)力集中最明顯，尤其以側(cè)凸頂點(diǎn)節(jié)段的小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)突影響

9、最大。
　　結(jié)論:幾何外形及分段加載實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了所建立的兩例三維有限元模型的可靠性和有效性，為下一步生物力學(xué)模擬研究奠定了基礎(chǔ)。伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸頂點(diǎn)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，后伸運(yùn)動(dòng)可加重側(cè)凸發(fā)展。
　　第三章伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸后路三維矯形有限元分析
　　目的:利用建立的兩例伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元模型，分別模擬后路三維矯形手術(shù)過程，并探討研究選擇不同下固定椎對(duì)矯形效果的影響。

10、>　　方法:應(yīng)用建立的兩例伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元模型，均模擬后路全椎弓根螺釘固定三維矯形手術(shù)。具體約束加載過程如下:參照文獻(xiàn)在T1-S1各椎節(jié)分別施加模擬自身重力和肌肉韌帶因素的向下載荷，在固定節(jié)段凹側(cè)模擬置入“椎弓根螺釘”，并放入“預(yù)彎”的矯形鈦棒，在棒末端施加向凹側(cè)的旋轉(zhuǎn)力矩，使棒向凹側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，模擬旋棒矯形操作;同時(shí)在頂椎區(qū)(A患者模型為T12-L3，B患者模型為T10-L2)固定螺釘施加10Nm的扭矩，模擬椎體

11、的去旋轉(zhuǎn)矯形。A患者模型的上固定椎選擇T10，下固定椎分別選擇L4、L5、S1;B患者模型的上固定椎選擇T7，下固定椎分別選擇L4、L5、S1。比較三種固定方案的矯形效果。
　　結(jié)果:兩例模型分別模擬的三種不同方案有限元模擬矯形最終的腰椎側(cè)凸Cobb角已測(cè)。A患者模型三種方案分別為:25°、23°、20°，B患者模型三種方案分別為:29°、24°、21°。胸腰段和腰椎矢狀面生理曲度得到維持。
　　結(jié)論:1、本研究成功實(shí)現(xiàn)了后

12、路手術(shù)的90°去旋轉(zhuǎn)操作和壓縮撐開矯形過程的三維有限元模擬。有限元模擬為伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)方案優(yōu)化和治療效果評(píng)估提供了足夠的理論依據(jù)和精確的操作平臺(tái)。
　　2、本研究中兩例三維有限元模型的椎體序列恢復(fù)明顯，脊柱外觀通過矯形方案操作后基本變直，但也存在融合節(jié)段至S1后出現(xiàn)應(yīng)力過大的問題，我們需進(jìn)一步的模擬出保護(hù)S1螺釘?shù)姆桨?，適當(dāng)?shù)募虞d約束，這也是本課題需要進(jìn)一步深入研究、有待解決的問題。
　　3、A患者