Lenke5型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元模型的建立及手術(shù)矯形的生物力學(xué)研究.pdf

1、背景：
　　 特發(fā)性脊柱側(cè)凸的前路手術(shù)因矯形力直接作用于椎體、能提供強(qiáng)大的去旋轉(zhuǎn)力,且融合節(jié)段少,有利于保留運(yùn)動(dòng)節(jié)段,適用于胸腰段或腰段脊柱側(cè)凸,但存在假關(guān)節(jié)形成和內(nèi)固定失敗等并發(fā)癥發(fā)生率較高的問(wèn)題。隨著內(nèi)固定器械的革新及三維矯形理論的發(fā)展,椎弓根釘技術(shù)被廣泛運(yùn)用于側(cè)凸矯形。相對(duì)于椎板鉤及椎弓根鉤,椎弓根螺釘通過(guò)前、中、后三柱,能提供更佳矯形力和顯著的遠(yuǎn)端向中線矯正能力,節(jié)省融合節(jié)段。近年來(lái)全節(jié)段椎弓根螺釘矯形術(shù)被廣泛用于胸腰段

2、和腰段脊柱側(cè)凸,取得了很好的療效。因此目前胸腰段或腰段特發(fā)性脊柱側(cè)凸在手術(shù)入路、融合節(jié)段的選擇等問(wèn)題上仍存在爭(zhēng)議。
　　 有限元法作為一種數(shù)字模擬技術(shù),已成為脊柱側(cè)凸生物力學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前側(cè)凸矯形的有限元模擬多集中在后路CD手術(shù),前路手術(shù)或前后路手術(shù)對(duì)比的有限元模擬報(bào)道甚少。
　　 目的：
　　 利用相關(guān)的CAE軟件(Mimics和HyperMesh),建立基于CT圖像的Lenke5型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(AI

3、S)的三維有限元模型。對(duì)模型的材料性質(zhì)和皮質(zhì)骨厚度的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證后,再分別模擬Lenke5型AIS的前、后路手術(shù)矯形操作,比較不同手術(shù)入路的各種不同矯形方案的矯形效果,以及脊椎的應(yīng)力、應(yīng)變水平。
　　 方法：
　　 1三維有限元模型的建立
　　 對(duì)1例女性Lenke5型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎患者,行仰臥位胸1至尾骨的CT掃描,將獲得的CT圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)建模軟件Mimics10.0,通過(guò)一系列模塊

4、的處理后獲得醫(yī)學(xué)三維仿真模型,對(duì)模型進(jìn)行幾何清理。再將清理后的醫(yī)學(xué)仿真模型導(dǎo)入有限元分析軟件HyperMesh8.0,利用軟件的前處理工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義接觸與連接,參照文獻(xiàn)定義材質(zhì)屬性,添加椎間盤、各種韌帶等,建立Lenke5型AIS患者的三維非線性有限元模型。
　　 2模型的參數(shù)優(yōu)化和有效性驗(yàn)證
　　 對(duì)建立的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),并與臨床試驗(yàn)對(duì)照,應(yīng)用SPSS軟件按照正交實(shí)驗(yàn)

5、設(shè)計(jì)進(jìn)行四因素三水平分析,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)證模型的幾何外形。通過(guò)模擬臨床臥位側(cè)屈實(shí)驗(yàn),參照文獻(xiàn)在各脊椎節(jié)段施加載荷模擬站立,然后提取脊柱的不同節(jié)段,將約束加載得到的結(jié)果與各自參照的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較等,驗(yàn)證模型的有效性。
　　 3不同矯形方案的手術(shù)操作模擬
　　 在建立的脊柱側(cè)凸有限元模型上構(gòu)建前、后路手術(shù)的釘棒系

6、統(tǒng)有限元模型,根據(jù)臨床前、后路手術(shù)融合節(jié)段的不同,設(shè)置前路短節(jié)段融合、端一端融合和后路下固定椎為下端椎或穩(wěn)定椎的四種不同矯形方案,模擬各種方案90°去旋轉(zhuǎn)和壓縮序貫矯形操作,比較不同方案的位移、冠狀面及矢狀面成角變化、旋轉(zhuǎn)度變化,手術(shù)矯形后脊椎的應(yīng)力水平。
　　 結(jié)果：
　　 1成功建立了包括全部胸腰椎(T1～L5)、骶尾骨、完整胸廓、椎間盤、脊柱所有韌帶及關(guān)節(jié)的特發(fā)性脊柱側(cè)彎有限元模型,采用4種單元類型,14種材料性質(zhì)

7、;共包含節(jié)點(diǎn)數(shù)170784,四面體單元633668個(gè),殼單元126636個(gè),線纜單元680個(gè)和桿單元132個(gè),建立的模型與該患者的X線的脊柱幾何形態(tài)相似性非常好。
　　 2利用材料參數(shù)和皮質(zhì)骨厚度優(yōu)化后的模型模擬臨床側(cè)屈實(shí)驗(yàn)、站立實(shí)驗(yàn),其生物力學(xué)行為和臨床基本符合。分段加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果和與各自參照的體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
　　 3四種不同方案有限元模擬矯形最終的腰椎側(cè)凸Cobb角分別為:22°、23°、26°、

8、26°,胸腰段和腰椎矢狀面生理曲度得到維持。前路短節(jié)段融合的脊椎應(yīng)力水平明顯較高。而在下端固定椎止于下端椎時(shí),前路單棒固定與后路全節(jié)段椎弓根釘固定獲得的頂椎旋轉(zhuǎn)的矯正度分別為41.68°和37.79°。
　　 結(jié)論：
　　 1基于個(gè)體化的CT圖像,利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件建立的Lenke5型AIS的三維有限元模型形態(tài)逼真,真實(shí)反映了脊柱的形態(tài)學(xué)特征。
　　 2進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的有限元模型順利通過(guò)有效性驗(yàn)證,真實(shí)反映了實(shí)際個(gè)