個(gè)體化青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元模型的建立和應(yīng)用.pdf

1、目的：探討基于CT掃描數(shù)據(jù)建立個(gè)體化的AIS三維有限元模型的技術(shù)路線和方法。將該模型應(yīng)用于手術(shù)和支具治療基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，對(duì)不同的治療方法和相關(guān)策略進(jìn)行了仿真和生物力學(xué)評(píng)價(jià)，為側(cè)凸治療的優(yōu)化和個(gè)體化提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 方法：用32排螺旋CT(GEMEDICALSYSTEMS，LightSpeed16，軟件版本LightSpeedApps405I.2_H4.0M5)，對(duì)一例青少年特發(fā)性側(cè)凸患者(KingⅢ型，頂椎T9)從T1上緣至骶

2、尾骨末端進(jìn)行連續(xù)掃描。掃描層距1.25mm，共513張。獲取患者的影像學(xué)資料，以DICOM格式存儲(chǔ)。用上海交通大學(xué)生命質(zhì)量與機(jī)械工程研究所研發(fā)的圖像處理軟件MedGraphics抽取骨性結(jié)構(gòu)的邊界。按點(diǎn)-線-面一體的程序建立側(cè)凸患者脊柱(頸椎除外)、胸廓、骨盆和腹壁軟組織的幾何模型，以IGES格式輸出。借助ANSYS軟件的前處理模塊功能，參考文獻(xiàn)初步賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格形成三維有限元模型。將建成的三維有限元模型分段與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較，

3、初步驗(yàn)證模型的可信程度。按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行五因素三水平分析，結(jié)合臨床bending試驗(yàn)和牽引試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)上胸段、主胸彎段，胸腰段和下腰段等4個(gè)區(qū)域的椎間盤材料屬性和皮質(zhì)骨厚度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和個(gè)體化。本課題將個(gè)體化模型初步用于以下二個(gè)領(lǐng)域：(1)基于有限元模型，進(jìn)行Zielke手術(shù)矯形進(jìn)行不同策略的設(shè)計(jì)和仿真實(shí)現(xiàn)。綜合考慮矯形效果滿意、螺釘拔出的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，提出合理的治療方案。(2)根據(jù)Boston支具治療的原則和患者側(cè)凸形態(tài)特點(diǎn)在模型

4、上裝配支具模型?；谟邢拊Ｐ?，進(jìn)行支具不同加載加載方式治療的仿真和生物力學(xué)分析。 結(jié)果：1.基于CT掃描數(shù)據(jù)建立了解剖相似性好、可靠性高，即形態(tài)和生物力學(xué)特征均符合個(gè)體化特點(diǎn)的脊柱側(cè)凸軀干、骨盆和腹壁的三維幾何和有限元模型。模型包括椎體、椎間盤、終板、后部結(jié)構(gòu)、肋骨、胸骨、骨盆、肋椎關(guān)節(jié)、肋橫突關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、骶髂關(guān)節(jié)和各種韌帶(前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、關(guān)節(jié)囊、棘上韌帶、棘間韌帶、和肋間韌帶等)，模型共包括20種材料的屬

5、性，80003個(gè)體單元，22232個(gè)殼單元，136個(gè)索單元，共266422個(gè)節(jié)點(diǎn)。2.基于AIS患者的三維有限元模型，通過Zielke前路手術(shù)治療仿真模擬的生物力學(xué)分析，在頭端椎體和中間椎體上固定的螺釘受到軸向拉伸力，其余螺釘上產(chǎn)生軸向壓力；頭端和尾端的螺釘受較大的剪力；在頭端運(yùn)動(dòng)節(jié)段的強(qiáng)力矯形方案導(dǎo)致軸向拉伸的和橫向剪切的力量加大。3.束帶力為60N時(shí)，矯形率為60％，后凸畸形沒有顯著變化，頂椎的旋轉(zhuǎn)部分改善。 結(jié)論：1.本課

6、題基于人體CT斷層解剖數(shù)據(jù)，建立了一套臨床上AIS患者(包括軀干、骨盆和腹壁)三維有限元模型的快速建模的技術(shù)路線和方法。2.AIS三維有限元模型經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化處理后，具有很高的幾何和生物力學(xué)可信度，并且具有了形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)特性個(gè)體化的特點(diǎn)，可以用來深入研究特定AIS患者的生物力學(xué)。3.基于模型對(duì)Zielke前路手術(shù)治療仿真模擬和生物力學(xué)分析，得出采取在頭尾兩端適度矯形、在中間節(jié)段強(qiáng)力矯形的手術(shù)策略可以獲得滿意的矯形效果，同時(shí)降低了頭端螺