Lenke6型特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元建模及后路三維矯形的生物力學(xué)研究.pdf

1、本研究應(yīng)用計算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，CAE)軟件，建立了基于CT圖像的完整Lenke6型特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維非線性有限元模型；采用正交試驗對初步模型進(jìn)行優(yōu)化，然后對優(yōu)化模型進(jìn)行有效性驗證；在此基礎(chǔ)上，仿真模擬Lenke6型特發(fā)性脊柱側(cè)凸后路CD矯形技術(shù)各個步驟；進(jìn)而利用CD矯形模擬不同的矯形策略工況，探討關(guān)鍵椎置釘技術(shù)和選擇性融合的矯形效果。
　　 目的：應(yīng)用CAE軟件，建立基于CT圖像

2、的Lenke6型特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維非線性有限元模型。
　　 方法：選擇1例14歲女性Lenke6型特發(fā)性脊柱側(cè)凸志愿者作為研究對象。取仰臥位，應(yīng)用螺旋CT從T1上緣至尾骨以1mm間距進(jìn)行連續(xù)掃描，獲得Dicom格式CT圖像511張。導(dǎo)入逆向工程軟件Mimics10.01，建立包括胸-腰-骶椎和胸廓等結(jié)構(gòu)的完整脊柱側(cè)凸三維幾何模型。對模型進(jìn)行幾何清理，然后導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh8.0劃分有限元實體網(wǎng)格，并參照文獻(xiàn)添

3、加椎間盤及韌帶結(jié)構(gòu)單元，生成完整的特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型。參照文獻(xiàn)賦予模型材料參數(shù)和實常數(shù)。
　　 結(jié)果：建立了完整的Lenke6CN型特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維非線性有限元模型，包括12節(jié)胸椎、5節(jié)腰椎、椎間盤、骶尾骨、胸廓及脊柱所有韌帶、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。模型共采用4種單元類型，13種材料性質(zhì)；劃分節(jié)點(diǎn)208739個，全部單元849787個，四面體單元758197個，殼單元90776個，線纜單元680個和桿單元134個。網(wǎng)格劃分后的整

4、體圖形和仰臥位的X線片對比，外觀基本上吻合。
　　 結(jié)論：成功構(gòu)建了基于CT圖像的Lenke6CN型特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，模型完整、逼真地還原了被模擬對象的脊柱特點(diǎn)。
　　 目的：對初步建立的有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化，使模型的形態(tài)和材料屬性均實現(xiàn)個體化；驗證優(yōu)化的Lenke6型特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的有效性。
　　 方法：將上胸段、主胸段、胸腰段和下腰段等4個區(qū)域的椎間盤材料屬性分為柔軟型、中間

5、型和僵硬型三個水平，系數(shù)分別為0.2、1、8。按照正交試驗設(shè)計進(jìn)行四因素三水平分析，找出使模擬結(jié)果和實際情況差異最小的系數(shù)搭配，進(jìn)而生成優(yōu)化后的個體化模型。
　　 將仰臥位的優(yōu)化模型進(jìn)行加載，模擬出左右側(cè)屈位，和站立位，并分別與實際對應(yīng)的X線片比較外形、側(cè)凸Cobb角度和各椎體質(zhì)心與CSVL的偏移距離。在優(yōu)化的模型中提取T1-T4、L4-S1兩個節(jié)段，分別參照同類體外(尸體)實驗對有限元節(jié)段模型進(jìn)行約束加載，并將加載結(jié)果與各自參

6、照的體外實驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證模型的有效性。
　　 結(jié)果：正交試驗結(jié)果顯示使模型和實際差異最小化的較好組合是：椎間盤屬性在上胸段為0.2，主胸凸段為1，胸腰段為1，下腰段為8。
　　 驗證結(jié)果：優(yōu)化后各個體位的有限元模型Cobb角度與臨床X線片相比較，角度最大相差2.5°，最小為0；椎體質(zhì)心偏離骶骨中線的距離：仰臥位、站立位、仰臥左右側(cè)屈位X線片與有限元模型相比較，P>0.10，兩者沒有差別；T1-T4、L4-S1兩個節(jié)

7、段與相關(guān)的生物力學(xué)實驗研究相比較，活動度均在相關(guān)生物力學(xué)實驗研究的范圍內(nèi)。
　　 結(jié)論：有限元模型建立后采用正交試驗對于模型材料屬性進(jìn)行個體化的方法是可行的，也是必要的，優(yōu)化后的模型與實際更為相符。
　　 從幾何外形、仰臥位左右側(cè)屈試驗、站立一仰臥試驗及分段加載實驗，驗證了優(yōu)化后的Lenke6型特發(fā)型脊柱側(cè)凸模型的可靠性和有效性，為下一步生物力學(xué)模擬研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 目的：利用優(yōu)化后的Lenke6型特發(fā)性脊

8、柱側(cè)凸有限元模型，按步驟模擬后路CD矯形技術(shù)。
　　 方法：建立椎弓根釘及矯形棒的有限元模型，并在側(cè)凸模型上去除矯形融合段的棘間韌帶、棘上韌帶和上下關(guān)節(jié)囊，模擬脊柱松解。于融合段各椎體雙側(cè)按解剖結(jié)構(gòu)置入椎弓根釘，在左側(cè)(矯形側(cè))生成矯形棒，并予X、Y方向位移使矯形棒成為目的形狀。在棒上生成手柄模擬手術(shù)鉗功能，將棒旋轉(zhuǎn)90°，把冠狀面的側(cè)凸畸形轉(zhuǎn)化為矢狀面的正常生理后凸和前凸。安置右側(cè)穩(wěn)定棒并依次將螺釘逐步靠攏穩(wěn)定棒的位置。鎖定釘

9、棒間關(guān)節(jié)活動度，釋放應(yīng)力，完成手術(shù)。
　　 結(jié)果：順利完成了CD矯形手術(shù)各步驟的模擬，模擬完成后胸腰彎Cobb角度為29.2°，主胸彎Cobb角度為24.4°，胸腰彎矯形率47.8％，主胸彎矯形率43.9％，冠狀面序列基本恢復(fù)正常，矢狀面胸椎后凸及腰椎前凸均較術(shù)前有改善。
　　 結(jié)論：首次在完整的Lenke6型脊柱側(cè)凸有限元模型上按CD矯形技術(shù)各步驟完成側(cè)凸后路釘棒矯形手術(shù)的模擬，為預(yù)測病人治療效果、旋轉(zhuǎn)矯形策略、探討脊

10、柱側(cè)凸治療中的爭議等提供參考意見，也為本研究下一步矯形策略的選擇的有限元研究奠定基礎(chǔ)。
　　 目的：通過有限元模型矯形手術(shù)模擬的方法探討關(guān)鍵椎置釘技術(shù)的可行性及矯形效果，分析Lenke6型脊柱側(cè)凸是否適合采用選擇性融合策略。
　　 方法：利用后路CD矯形手術(shù)模擬技術(shù)，分別模擬全節(jié)段椎弓根釘技術(shù)矯形工況、關(guān)鍵椎置釘技術(shù)矯形工況、胸腰彎選擇性融合工況等。測量各種工況完成后雙彎Cobb角度、計算矯形率，分析各種工況的矯形效果。