Lenke 1型特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元建模及手術(shù)矯形的生物力學(xué)評(píng)價(jià)與比較研究.pdf

1、[背景] 目前具有三維平面節(jié)段性矯形能力的椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)不僅具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性和固定強(qiáng)度，更能對(duì)脊柱施以強(qiáng)大的去旋轉(zhuǎn)矯正力，極大的促進(jìn)了脊柱側(cè)凸的三維矯形效果。然而據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，一方面如椎管破損、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、大動(dòng)脈侵犯等潛在危險(xiǎn)性卻阻礙了椎弓根螺釘系統(tǒng)的推廣；另一方面全椎弓根螺釘矯治時(shí)，相應(yīng)置釘節(jié)段的選擇尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，仍受醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)性判斷的制約。如何最大范圍的減少椎弓根螺釘數(shù)目，在降低置釘風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約醫(yī)療費(fèi)用的同時(shí)；獲得滿意

2、的脊柱側(cè)凸三維矯形效果，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。 脊柱側(cè)凸椎弓根螺釘矯形過(guò)程中所牽涉到的復(fù)雜生物力學(xué)動(dòng)態(tài)變化情況，則可能成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。探討具體節(jié)段螺釘所受應(yīng)力情況，矯形操作過(guò)程中張力變化數(shù)值，為比較不同置釘方案中矯形效果，明確關(guān)鍵椎體位置，指導(dǎo)手術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。 [目的] 目前尚無(wú)研究探討選擇性置釘較常規(guī)連續(xù)置釘如何影響脊柱側(cè)凸的椎體序列發(fā)生矯正的生物力學(xué)機(jī)制。本課題通過(guò)構(gòu)建椎弓根螺釘系統(tǒng)手術(shù)矯正脊柱側(cè)

3、凸的有限元模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，結(jié)合臨床研究報(bào)告，按照有限元建模及有效性驗(yàn)證，個(gè)體化生物力學(xué)賦值，模擬手術(shù)矯形操作，比較不同置釘方案等四個(gè)步驟進(jìn)行。即為多種不同置釘方式的矯形效果做一個(gè)初步的評(píng)價(jià)，亦為脊柱側(cè)凸生物力學(xué)的比較，評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)研究甚至優(yōu)化手術(shù)方案，提供參考依據(jù)和理論支持。 [方法] 1．有限元研究及有效性驗(yàn)證 基于逆向工程原理，以CT掃描圖片為原始資料，獲取LenkelAN型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者的從

4、第六胸椎(T6)上緣到第一腰椎(L1)下緣(側(cè)凸Cobb角段)的薄層螺旋CT值，掃描范圍為掃描層距為0.8mm。將屬于不同椎體的部分分為不同圖片保存，提取出單個(gè)椎體圖像信息。導(dǎo)入Simpleware2.1軟件，建立相應(yīng)笛卡兒坐標(biāo)系生成每一椎體的三維實(shí)體模型。加入椎間盤結(jié)構(gòu)后，得到側(cè)凸段三維實(shí)體模型。通過(guò)逆向工程軟件Geomagic8.0對(duì)所得模型表面打磨光滑，并將其表面擬合成C1連續(xù)的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。最后，將模型導(dǎo)入

5、ABAQUS6.6軟件，參考相關(guān)文獻(xiàn)賦予各部分結(jié)構(gòu)的材料屬性，劃分單元網(wǎng)格生成三維有限元模型。將這些模型分別導(dǎo)入大型有限元軟件Abasqus6.7.2中進(jìn)行前處理并執(zhí)行有限元相關(guān)計(jì)算，就不同工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行位移及應(yīng)力分析。選用國(guó)外先前類似研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，驗(yàn)證其有效性。 2．個(gè)體化生物力學(xué)賦值 結(jié)合臨床側(cè)屈位和牽引位攝片的數(shù)據(jù)，然后按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素三水平分析，對(duì)椎間盤材料屬性和皮質(zhì)骨厚度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終

6、實(shí)現(xiàn)生物力學(xué)屬性的個(gè)體化。 3．模擬手術(shù)矯形操作 采用CAD技術(shù)分別建立螺釘及矯形棒等椎弓根螺釘固定系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，然后用有限元的方式實(shí)現(xiàn)去旋轉(zhuǎn)矯形的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，著重分析了手術(shù)矯形過(guò)程中螺釘應(yīng)力值變化情況以及各椎體位移改變情況，以獲得三維矯形過(guò)程中復(fù)雜的力學(xué)變化規(guī)律。 4．比較不同置釘方案 根據(jù)臨床報(bào)道關(guān)鍵椎體螺釘選擇技術(shù)，分別設(shè)置不同的置釘策略，通過(guò)可視化界面將螺釘逐個(gè)置入目標(biāo)椎弓根中；基于已建立的

7、脊柱側(cè)凸有限元模型實(shí)現(xiàn)對(duì)多種矯形手術(shù)方案的仿真模擬。比較不同方案的位移、旋轉(zhuǎn)及成角變化值，綜合考慮不同置釘策略的手術(shù)效果，提出優(yōu)化手術(shù)的治療方案。 [結(jié)果] 基于CT掃描數(shù)據(jù)建立了幾何形態(tài)和生物力學(xué)特征均符合個(gè)體化特點(diǎn)的脊柱側(cè)凸的三維幾何和有限元模型。通過(guò)Geomagic，Simpleware，ABAQUS軟件構(gòu)建的脊柱側(cè)凸有限元模型包括8個(gè)椎體(T6～L1)，7個(gè)椎間盤(髓核、纖維環(huán))，以及附屬結(jié)構(gòu)(小關(guān)節(jié)、前縱韌帶、

8、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和黃韌帶)。整個(gè)模型單元?jiǎng)澐植捎昧?種單元類型，6種材料性質(zhì)，共劃分了232315個(gè)單元，356830個(gè)節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以前文獻(xiàn)報(bào)道的脊柱模型的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過(guò)與臨床側(cè)屈位片及牽引位片進(jìn)行比較，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)賦值后，具備有單元?jiǎng)澐志?xì)，外觀逼真，幾何相似性好的特征，實(shí)現(xiàn)了形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)特性的個(gè)體化要求。 通過(guò)有限元法將90°去旋轉(zhuǎn)矯形分為上矯形棒，轉(zhuǎn)棒，上穩(wěn)定棒三個(gè)步驟，每

9、一步均產(chǎn)生一定的矯形效果，其中第二棒的植入對(duì)頂椎的矯正較為明顯。再根據(jù)脊柱側(cè)凸序列的應(yīng)力分布特性，與傳統(tǒng)的雙排全節(jié)段椎弓根螺釘矯形相比，不同的置釘矯形方式仍存在不同程度的差異。其中關(guān)鍵椎體螺釘方案與連續(xù)性置釘方案的矯形效果類似。為手術(shù)治療方案的優(yōu)化提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 [結(jié)論] 本研究提出了一套具有通用性的脊柱側(cè)凸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模方式，并且探索出將手術(shù)矯形操作過(guò)程分步化，動(dòng)態(tài)化及精確化的具體操作流程，實(shí)現(xiàn)了脊柱外科矯形內(nèi)