Lenke1A-型青少年特發(fā)性脊柱側凸有限元模型建立及其生物力學研究.pdf

1、青少年特發(fā)性脊柱側凸( adolescent idiopathic scoliosis，AIS)在青少年中的發(fā)病率約為2％～3％，嚴重威脅著青少年的身心健康。其治療方法較前大有改進，療效也明顯提升。但是，很多問題仍有待進一步研究，其中脊柱側凸的生物力學研究是最為重要的一方面。脊柱生物力學研究方法有多種，包括動物實驗、物理實驗、尸體實驗等。脊柱側凸在自然界的動物中尚未發(fā)現(xiàn)，模型選材困難，而脊柱側凸的人體標本獲取更是困難。隨著電子計算機的發(fā)

2、展，有限元法已經迅速發(fā)展成為一種現(xiàn)代計算方法。其可在研究中重復，并可改變任何質量與定量變化，同時提供了局部以及內部的反應機制。 Hueter-Volkmann定律認為：骨骼所受到的應力增加，骨的生長就會受到抑制；骨骼所受到的應力減小，骨的生長就會加速。上述定律可解釋AIS在生長高峰時側凸的進展。而支具就是通過施加矯形力將凸側和凹側的椎間盤應力平衡，從而達到治療效果的。在本次研究中我們選取一名青少年特發(fā)性脊柱側凸患者，Lenke

3、分型1A-型(PUMC分型IIa型)，Risser征3級，通過建立特發(fā)性脊柱側凸的有限元模型，研究不同矯形力的生物力學特性，并模擬支具治療后椎間盤凸側、凹側應力的分布變化，預測支具治療的效果，為AIS的生物力學研究提供一個量化指標。 第一章 目的： 建立青少年特發(fā)性脊柱側凸的三維有限元模型，并驗證模型的有效性，為下一步研究提供平臺。 方法： 選取一名青少年特發(fā)性脊柱側凸患者，螺旋CT對其脊柱進行層

4、厚1mm的連續(xù)掃描，以Dicom格式文件儲存所得的掃描圖像。用Mimics軟件生成脊柱側凸的三維幾何模型，導入Hypermesh軟件進行網格劃分，并對網格賦予特定的材料屬性。將患者建立的模型與仰臥位、站立位、仰臥左右側屈位X線片進行比較，并選取T12-L2、L3-Sl節(jié)段與相關的生物力學實驗研究相比較。 結果： 1、仰臥位、站立位、仰臥左、右側屈位X線片的Cobb角分別為31°、40°、44°、19°，而有限元模型中相應

5、的角度分別為30°、41°、40°、20°。 2、椎體質心偏離骶骨中線的距離：仰臥位、站立位、仰臥左右側屈位X線片與有限元模型相比較，P>0.10，可以認為兩者沒有差別。 3、T12-L2、L3-S1節(jié)段與相關的生物力學實驗研究相比較，平均剛度均在相關生物力學實驗研究的范圍內。 結論： 1、基于CT掃描的Dicom格式文件，采用Mimics及Hypermesh軟件，構建了T1至骶骨的青少年脊柱側凸有限元模

6、型，該模型包括了T1至骶骨的所有椎體、椎間盤、韌帶，同時還包括了胸廓的肋骨、肋軟骨及胸骨。 2、將該模型與臨床仰臥位、站立位、仰臥左、右側屈位X線片及體外生物力學實驗結果相對比，驗證結果顯示X線片與模型符合程度高，充分說明了該模型的可靠性和有效性，為脊柱側凸生物力學的進一步研究提供了數值化平臺。 第二章 目的： 利用上一章節(jié)所建立的脊柱側凸有限元模型，研究不同矯形力的生物力學特性。 方法：

7、 1、胸1椎體約束X、Y方向的移動，固定骨盆，限制其X、Y、Z三個方向的移動。于頂椎凸側所對應的三根肋骨側面均勻施加20N，40N，60N大小的力，觀察矯形效果。 2、限制胸1椎體約束X、Y方向的移動，固定骨盆，限制其X、Y、Z三個方向的移動。在胸1椎體上加載100N，200N，400N的撐開力，觀察矯形效果。 3、限制胸1椎體約束X、Y方向的移動，固定骨盆，限制其X、Y、Z三個方向的移動。在胸8、胸9椎體上加載總共大小

8、為10N.m，20N.m，40N.m的旋轉力矩，觀察矯形效果。 結果： 1、施加20N、40N、60N的橫向矯正力時，胸彎的Cobb角度由最初仰臥位的31度分別減少至26°、20°、15°，頂椎旋轉角度減小了1.234°、2.501°、3.674°。 2、加載100N、200N、400N撐開力后，側彎的Cobb角度分別減少至25°、18°、13°，頂椎旋轉角度減小了0.09°、0.21°、0.33°。 3

9、、在T8至T9這兩個椎體加載總共大小為10N.m、20N.m、40N.m的旋轉力矩后，脊柱的Cobb角度分別減少至26°、24°、25°，頂椎旋轉角度減小了10.781°、18.423°、30.795°。 結論： (1)利用有限元方法分析不同矯形力的生物力學特點，為臨床器械矯形及支具治療提供生物力學依據。 (2)利用有限元方法研究脊柱側凸的矯形力，為脊柱側凸三維矯形提供了全域性和區(qū)域性的量化指標。 (3)

10、側凸畸形的Cobb角度較小時，橫向矯形力對側凸畸形矯正效率高于撐開力。 (4)三種不同矯形力對三維矯形的效率不相同：施加撐開力、橫向矯形力主要起脊柱去旋轉的作用，而旋轉力主要起椎體去旋轉的作用。 第三章 目的： 利用已建立的脊柱側凸模型，分析支具治療后椎間盤凸側、凹側椎間盤應力分布的變化，預測支具治療效果。 方法： 1、站立位下脊柱生物力學特點 約束條件：固定骨盆，限制其在各個方向

11、的活動，在椎體各個節(jié)段施加相應的重力載荷。 觀察并測量椎間盤應力、韌帶應力分布情況，預測1年后椎體增加的高度及椎體契形病變角度。 2、支具矯形效果 約束條件：為達到較好的模擬佩戴支具條件下的工況，需固定骨盆，約束其X、Y、Z軸三個方向的活動，限制T3、T4的肋骨在X、Y方向的活動。 施加載荷：在椎體各個節(jié)段施加相應的重力載荷，再在T8、T9、T10椎體凸側的肋骨上施加橫向力，力的大小分別為ON、10N、2

12、0N、30N、40N、60N、80N、100N。 觀察并計算凸側和凹側椎間盤平均應力變化、凸/凹應力比值，預測1年后椎體增加的高度及椎體契形病變角度。 結果： 1、站立位下，患者T6-T11之間的椎間盤凹側應力值高于凸側，凸/凹側應力比值均小于1，T8/9椎間盤凸/凹側應力比值最小，為0.230 2、隨著施加橫向矯形力的增加，T6-T11之間的椎間盤凸/凹側應力比值也相應的增加，當施加的力達到30N時，T

13、6/7椎間盤凸/凹側應力比值達到了1.00，而T8/9、T9/10椎間盤凸/凹側應力比值在施加100N力時，仍小于1。 3、隨著橫向矯形力的增加，T6-T11之間椎體的契形病變逐漸減小，預計1年后總的椎體契形病變也呈減小趨勢。其中在加載100N矯形力后，主胸彎椎體契形病變角度總和被逆轉為負數。 結論： (1)首次利用有限元方法研究脊柱側凸椎間盤凸、凹側應力值，并應用凸、凹側應力值預測支具治療的效果，為預測支具治療