Lenke2型特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元建模及三維矯形手術(shù)的有限元模擬研究.pdf

1、[背景]
　　 對(duì)于Lenke2型AIS患者，其結(jié)構(gòu)性上胸彎的存在是影響雙肩平衡的主要因素。術(shù)前可表現(xiàn)為左肩高、右肩高或雙肩等高。是同時(shí)固定融合主胸彎和上胸彎，還是選擇性融合主胸彎，上胸彎能夠代償主胸彎的矯正而產(chǎn)生自發(fā)性矯正，這是術(shù)前矯形策略決定的重要組成部分。其上胸彎融合策略的正確選擇對(duì)恢復(fù)患者雙肩平衡和提高患者手術(shù)滿(mǎn)意度有著非常重要的意義。King等將該型歸為KingV型，認(rèn)為矯形時(shí)應(yīng)同時(shí)融合上胸彎和主胸彎。Puno等也持相

2、同觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為對(duì)于于Lenke2型患者而言，融合雙彎可以在矯正T1傾斜的同時(shí)獲得更好的術(shù)后雙肩平衡。而Winter等則認(rèn)為矯形術(shù)前雙肩等高或右肩高時(shí)可行選擇性主胸彎融合，但術(shù)中應(yīng)防止主胸彎過(guò)度矯正引起術(shù)后失代償；若術(shù)前左肩高則應(yīng)同時(shí)融合上胸彎。Suk等報(bào)告上胸彎Cobb角＞25°，但當(dāng)右肩高于左肩時(shí)可選擇性融合主胸彎，術(shù)后并未出現(xiàn)上胸彎畸形加重。Kuklo等認(rèn)為前路選擇性主胸彎融合術(shù)可獲得比后路矯形手術(shù)更好的上胸彎自發(fā)性矯正。隨著內(nèi)固定器

3、械的革新及三維矯形理論的發(fā)展，全椎弓根釘技術(shù)被廣泛運(yùn)用于脊柱側(cè)凸矯形，對(duì)雙胸彎的診斷標(biāo)準(zhǔn)和上胸彎融合范圍的選擇也不斷發(fā)生變化。目前對(duì)于Lenke2型AIS是否能采用選擇性胸主彎融合術(shù)，不同后路上端融合椎策略的選擇以及手術(shù)入路等問(wèn)題，臨床上仍存在較大爭(zhēng)議。
　　 有限元法是一種利用人體二維斷層解剖圖像如CT圖像、MRI圖像進(jìn)行三維立體幾何建模的數(shù)字模擬技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)體外實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究的突破和有益補(bǔ)充。利用有限元法建立的脊柱側(cè)凸三

4、維模型可提供有關(guān)解剖學(xué)測(cè)量、力學(xué)計(jì)算和手術(shù)方案的仿真模擬，為實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的矯形手術(shù)方案提供了模型平臺(tái)。目前關(guān)于脊柱側(cè)凸手術(shù)矯形的有限元模擬多集中在后路90°去旋轉(zhuǎn)手術(shù)，前路手術(shù)或前、后路不同手術(shù)方案對(duì)比的有限元模擬研究報(bào)道甚少。
　　 [目的]
　　 本研究利用高精度螺旋CT掃描成像，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件處理分析，建立包括胸廓在內(nèi)的完整Lenke2型特發(fā)性脊柱側(cè)凸(AIS)個(gè)體化的三維有限元模型，進(jìn)一步對(duì)模型的材料性質(zhì)進(jìn)

5、行參數(shù)優(yōu)化并驗(yàn)證模型的有效性。運(yùn)用建立的模型分別仿真模擬Lenke2型AIS的前路、后路手術(shù)矯形操作，分析五種不同手術(shù)方案的矯形效果和生物力學(xué)特點(diǎn)，為L(zhǎng)enke2型AIS的臨床手術(shù)矯形方案優(yōu)化提供理論依據(jù)。
　　 [方法]
　　 1.三維有限元模型的建立
　　 對(duì)1例16歲男性L(fǎng)enke2型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎志愿者，行仰臥位C7至骶尾骨的連續(xù)螺旋CT掃描，將獲得的CT圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)建模軟件Mimics10.0,通

6、過(guò)一系列模塊的處理后獲得醫(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Ansys11.0,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(pán)、各種韌帶、肋軟骨等，建立Lenke2型AIS患者的三維有限元模型。
　　 2.有限元模型的參數(shù)優(yōu)化和有效性驗(yàn)證
　　 將上胸彎、主胸彎、腰段等3個(gè)區(qū)域的椎間盤(pán)材料屬性分為柔軟型、中間型和僵硬型三個(gè)水平，系數(shù)分別為0.

7、2、1、8。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素三水平分析，找出使模擬結(jié)果和實(shí)際差異最小的系數(shù)搭配，進(jìn)而生成優(yōu)化的個(gè)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，并分別與實(shí)際對(duì)應(yīng)的X線(xiàn)片比較幾何外形、冠狀面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T10-T11、T12-L2、L4-L5三個(gè)節(jié)段，分別參照同類(lèi)體外實(shí)驗(yàn)對(duì)有限元節(jié)段模型進(jìn)行約束加載，并將加載結(jié)果與各自參照的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性。

8、>　　 3.不同矯形方案的手術(shù)操作模擬
　　 分別模擬前路選擇性胸主彎融合釘棒系統(tǒng)固定矯形(端-端融合)，后路選擇性胸主彎融合(上端融合椎為T(mén)5)、后路部分融合上胸彎(上端融合椎為T(mén)3、T4)和完全融合上胸彎(上端融合椎為T(mén)2)的全節(jié)段椎弓根螺釘固定矯形，在位移差異、成角變化及雙肩平衡參數(shù)等多個(gè)水平比較了五種手術(shù)方案的效果差異，對(duì)目前臨床上爭(zhēng)論比較多的后路上端固定椎選擇、能否進(jìn)行主胸彎選擇性融合以及手術(shù)入路的選擇進(jìn)行了細(xì)致的生

9、物力學(xué)分析。
　　 [結(jié)果]
　　 1.成功建立了完整的Lenke2B-型AIS三維有限元模型，包括C7、12節(jié)胸椎、5節(jié)腰椎、椎間盤(pán)、骶尾骨、胸廓、鎖骨、肩胛骨及脊柱所有韌帶、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。模型共采用3種單元類(lèi)型，15種材料性質(zhì)；共包括638505個(gè)實(shí)體單元，32152個(gè)殼單元，634個(gè)Link單元，共計(jì)671291個(gè)單元，建立的模型與該患者的脊柱全長(zhǎng)X線(xiàn)片的脊柱幾何形態(tài)相似性非常好。
　　 2.正交試驗(yàn)結(jié)果顯示使

10、模型和實(shí)際差異最小化的最佳組合是：椎間盤(pán)屬性在上胸段為8，主胸段為8，腰段為0.2。驗(yàn)證結(jié)果：優(yōu)化后各體位的有限元模型Cobb角度與脊柱全長(zhǎng)X線(xiàn)片相比較，角度最大相差2°；椎體質(zhì)心偏離骶骨中垂線(xiàn)的距離：仰臥位脊柱全長(zhǎng)X線(xiàn)片、仰臥位左右側(cè)屈位X線(xiàn)片與有限元模型相比較，P＞0.05，兩者之間無(wú)明顯差別；T10-T11、T12-L2、L4-L5三個(gè)節(jié)段與相關(guān)的體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究相比較，活動(dòng)范圍均在相關(guān)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi)。
　　

11、 3.五種不同矯形方案有限元模擬術(shù)后的上胸彎冠狀面Cobb角和矯形率分別為：21.5(44.8％)、26.5(32.1％)、28.1(27.9％)、34.1(12.5％)、32(17.9％)，各矯形方案的主胸彎矯正率無(wú)明顯差別。胸椎矢狀面生理后凸得以維持。五種矯形方案術(shù)后各雙肩平衡參數(shù)較術(shù)前有所升高，除方案A(上端固定椎為T(mén)2)外，其余各方案的喙突高度差均>9mm，鎖骨角均＞2.5°，鎖骨傾斜角差均＞4.5°。
　　 [結(jié)論]<

12、br>　　 1.基于患者斷層CT數(shù)字圖像，利用有關(guān)計(jì)算機(jī)數(shù)字建模軟件建立的Lenke2B一型AIS三維有限元模型外觀(guān)逼真，幾何相似性非常好，為脊柱側(cè)凸的矯正手術(shù)的有限元分析提供了有效的操作平臺(tái)。
　　 2.經(jīng)參數(shù)優(yōu)化的有限元模型順利地通過(guò)有效性驗(yàn)證，真實(shí)反映了本例脊柱側(cè)凸患者個(gè)體化的生物力學(xué)屬性。
　　 3.成功實(shí)現(xiàn)了Lenke2型AIS的后路90°去旋轉(zhuǎn)和前路單純凸側(cè)節(jié)段性加壓矯形的有限元模擬。有限元模擬為L(zhǎng)enke

13、2型AIS各種矯形手術(shù)方案的優(yōu)化和治療效果的正確評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。
　　 4.通過(guò)有限元模擬研究表明：對(duì)于左肩高的含結(jié)構(gòu)性上胸彎Lenke2型AIS，后路完全融合上胸彎和主胸彎(上端固定椎為T(mén)2)，可取得上胸彎、主胸彎良好的三維矯形和雙肩平衡。后路部分融合上胸彎(上端固定椎為T(mén)3、T4)，上胸彎的矯正率稍差，術(shù)后容易出現(xiàn)輕度～中度雙肩失平衡。前路或后路選擇性胸主彎融合，上胸彎的自發(fā)矯正率低，難以恢復(fù)上胸彎的正常脊柱序列，術(shù)后容