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

1、本課題應用計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)軟件，建立了基于兩個志愿病人CT圖像的伴有骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側凸三維非線性有限元模型。分析了兩個模型的生物力學結構，然后對優(yōu)化模型進行有效性的驗證。在這基礎上，我們仿真模擬伴有骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側凸后路矯形手術，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力和應變水

2、平變化。
　　第一章伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側凸三維有限元模型的建立
　　目的:應用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)性脊柱側凸三維非線性有限元模型兩個。
　　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)性脊柱側凸志愿者作為研究對象。均采取仰臥位，應用32排螺旋CT從T1上緣至尾骨以1mm間距進行連

3、續(xù)掃描，獲得Dicom格式CT圖像分別為539張和544張。分別導入軟件Mimics10.01，建立包括胸-腰-骸尾椎-胸廓和骨盆等結構的完整脊柱側凸三維幾何模型。對模型進行幾何清理，然后分別導入有限元前處理軟件HyperMesh10.0，劃分出有限元實體網(wǎng)格，并添加椎間盤和韌帶等結構單元，定義了接觸和連接，生成完整的特發(fā)性脊柱側凸三維有限元模型。
　　結果: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、小關節(jié)關節(jié)突及骨盆的伴骨盆水平失衡的特發(fā)性脊柱側彎有限元模型，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)點數(shù)197195，六面體單元9633個，四面體單元578031，殼單元228273個，線纜單元5239個和桿單元1441個，總單元數(shù)821676個;第二例模型共包含節(jié)點數(shù)219162，六面體單元10559個，四面體單元601982，殼單元2330646個，線纜單元6528個和桿單元1320個，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。
　　結論:成功構建了兩例基于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)性脊柱側凸三維有限元模型的生物力學有限元分析和有效性驗證
　　目的:對初步建立的兩個有限元模型進行參數(shù)優(yōu)化，使模型的形態(tài)結構和材料屬性均實現(xiàn)個體化，驗證優(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)性脊柱側凸椎間盤、小關節(jié)突關節(jié)、椎體等的應力的分布，為病變的發(fā)生、發(fā)展的生物力學機制提供可靠地依據(jù)。
　　方法:對兩個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，模擬左右側屈試驗，并與臨床X線片對照，應用SPSS19.0軟件按照正交實驗設計進行三因素三水平分析，再用直觀分析法對正交實驗結果進行分析，實現(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，驗證模型的幾何

7、外形。通過模擬臨床臥位側屈實驗，參照文獻數(shù)據(jù)在脊椎各個節(jié)段施加載荷模擬站立形態(tài)，然后分段加載實驗驗證:在兩個建立的模型中均各自提取T7-11、T11-L1以及L1-S1三個節(jié)段，分別參照歷史同類體外（尸體）實驗對有限元節(jié)段模型進行約束加載，并將加載結果與各自參照的體外實驗結果進行比較，驗證模型的有效性。在前屈、后伸、左側彎、右側彎四種工況下對模型進行加載，計算和分析脊柱的活動度、椎間盤、椎體及小關節(jié)關節(jié)突的應力分布。
　　結果:各

8、椎體中心位置以及矢狀面、冠狀面上各彎的角度，兩個有限元模型與各自對應患者的仰臥位X線片之間均有很好的一致性;T7-11、T11-L1以及L1-S1三個節(jié)段各段有限元模型加載結果與各自參照的歷史體外（尸體）實驗結果基本吻合。兩例三維有限元模型比正常腰椎的活動度要小，椎間盤應力分布趨向于椎間盤的四周，后伸運動時各椎間盤應力最大，側彎頂點椎體容易出現(xiàn)應力集中的情況，在后伸工況下小關節(jié)關節(jié)突的應力集中最明顯，尤其以側凸頂點節(jié)段的小關節(jié)關節(jié)突影響

9、最大。
　　結論:幾何外形及分段加載實驗均驗證了所建立的兩例三維有限元模型的可靠性和有效性，為下一步生物力學模擬研究奠定了基礎。伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側凸頂點容易出現(xiàn)應力集中，后伸運動可加重側凸發(fā)展。
　　第三章伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側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)性脊柱側凸有限元模型，分別模擬后路三維矯形手術過程，并探討研究選擇不同下固定椎對矯形效果的影響。

10、>　　方法:應用建立的兩例伴骨盆矢狀位失衡的特發(fā)性脊柱側凸有限元模型，均模擬后路全椎弓根螺釘固定三維矯形手術。具體約束加載過程如下:參照文獻在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)段凹側模擬置入“椎弓根螺釘”，并放入“預彎”的矯形鈦棒，在棒末端施加向凹側的旋轉(zhuǎn)力矩，使棒向凹側旋轉(zhuǎn)90°，模擬旋棒矯形操作;同時在頂椎區(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凸Cobb角已測。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。
　　結論:1、本研究成功實現(xiàn)了后

12、路手術的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)性脊柱側凸矯形手術方案優(yōu)化和治療效果評估提供了足夠的理論依據(jù)和精確的操作平臺。
　　2、本研究中兩例三維有限元模型的椎體序列恢復明顯，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)應力過大的問題，我們需進一步的模擬出保護S1螺釘?shù)姆桨福m當?shù)募虞d約束，這也是本課題需要進一步深入研究、有待解決的問題。
　　3、A患者