T4~T10經(jīng)肋椎單元固定臨床解剖三維測(cè)量及三種固定方式有限元分析.pdf

1、[研究背景]:
　　 胸椎中下段解剖位置比較特殊，周圍毗鄰心臟、大動(dòng)靜脈、迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)干等重要結(jié)構(gòu)，且椎體較小，椎弓根較細(xì)，椎管內(nèi)為脊髓神經(jīng)，所以后路椎弓根螺釘置入的危險(xiǎn)性較大，尤其伴有胸椎畸形、結(jié)核、腫瘤等疾患時(shí)，使椎骨形態(tài)及周圍結(jié)構(gòu)解剖學(xué)關(guān)系更為復(fù)雜，因此許多臨床醫(yī)生放棄后路經(jīng)椎弓根固定而采用椎板鉤或鋼絲固定。而后兩種固定方法由于只能固定椎骨“三柱”中的“后柱”，所以生物力學(xué)不穩(wěn)定，固定效果差，常導(dǎo)致患者“二次手術(shù)”和

2、不必要的痛苦。
　　 加拿大Dvorak醫(yī)生等于上世紀(jì)末提出胸椎，尤其是中段胸椎經(jīng)肋椎單元固定的方法，由于該法可以克服以前術(shù)式的缺陷，并且經(jīng)體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和大體解剖測(cè)量認(rèn)為該術(shù)式可行。
　　 傳統(tǒng)脊柱固定的研究方法為尸體解剖、測(cè)量與體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，干燥骨測(cè)量由于只能測(cè)量骨性結(jié)構(gòu)，且由于骨性結(jié)構(gòu)的破損、脫水，使得測(cè)量結(jié)果差異性較大;尸體標(biāo)本測(cè)量由于國內(nèi)傳統(tǒng)觀念問題，尸體獲取困難，且標(biāo)本固定后的變形或尸體捐獻(xiàn)人員本身的疾

3、患，使得測(cè)量結(jié)果與真實(shí)活體差別較大;即便是CT或MR影像資料測(cè)量，其均為二維平面測(cè)量，其測(cè)量點(diǎn)的確定欠準(zhǔn)確;體外生物力學(xué)的測(cè)量往往也由于測(cè)量儀器、設(shè)備及力學(xué)感應(yīng)裝置本身的缺陷而導(dǎo)致與真實(shí)值偏差較大。
　　 近十幾年來，特別是在近幾年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)概念的提出及在醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使其成為醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐中重要的組成部分，尤其是在外科領(lǐng)域，數(shù)字化醫(yī)學(xué)對(duì)于外科手術(shù)的變革起到重要的作用。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可使患者或研究個(gè)體的影像信息模型可

4、視化，通過計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行三維術(shù)前模擬、術(shù)中定位和操作及術(shù)后評(píng)估。國內(nèi)外對(duì)于中下胸段經(jīng)肋椎單元固定數(shù)字化三維重建測(cè)量及虛擬手術(shù)研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。
　　 有限單元法(Finiteelementmethod，F(xiàn)EM)是一種在工程和機(jī)械制造領(lǐng)域廣為應(yīng)用的物理數(shù)學(xué)方法，其本質(zhì)是將連續(xù)的、不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的個(gè)體分割成有限個(gè)單元，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物理合成和分解，通過獨(dú)自研究每個(gè)單元的物理性質(zhì)，達(dá)到對(duì)整個(gè)物理個(gè)體進(jìn)行分析的目的。尤其是自上

5、個(gè)世紀(jì)70年代應(yīng)用于骨科生物力學(xué)以來，現(xiàn)已成為骨科生物力學(xué)研究重要的方法，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛躍式發(fā)展，其模型越來越接近正?；铙w，結(jié)果更加可信。而國內(nèi)尚未見對(duì)經(jīng)肋椎單元固定系統(tǒng)有限元的分析和對(duì)照的文獻(xiàn)報(bào)道。
　　 本課題擬將臨床脊柱外科學(xué)、人體解剖學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、計(jì)算機(jī)三維重建數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于T4-T10經(jīng)肋椎單元固定系統(tǒng)的研究，針對(duì)肋椎單元、螺釘固定相關(guān)徑線、角度及其他臨床解剖相關(guān)問題開展研究，為臨床手術(shù)固定方案制定及內(nèi)

6、植物的選擇提供參考;通過對(duì)三種經(jīng)肋椎單元固定系統(tǒng)計(jì)算機(jī)有限元應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算與分析，為臨床常用三種固定方式的選擇提供數(shù)學(xué)物理模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并填補(bǔ)相關(guān)空白，對(duì)指導(dǎo)臨床應(yīng)用具有非常重要的意義。
　　 [目的]:
　　 1.建立15例T4-T10經(jīng)肋椎單元三維數(shù)字化模型。
　　 2.數(shù)字立體化測(cè)量T4-T10經(jīng)肋椎單元固定及經(jīng)椎弓根固定相關(guān)15組共30側(cè)解解剖學(xué)參數(shù)，為該階段經(jīng)肋椎單元固定的可行性及內(nèi)植物應(yīng)用選擇提供參考。

7、
　　 3.對(duì)T4-T10經(jīng)肋椎單元固定，固定系統(tǒng)分三類固定方式及三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，比較同一固定方式下不同部位、不同固定方式及不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下相同固定部位之間應(yīng)力分布，為臨床三種固定方式應(yīng)用的選擇及內(nèi)植物改良提供參考。
　　 4.回顧性分析臨床32例T4-T10節(jié)段胸椎結(jié)核經(jīng)后路固定的手術(shù)方式、治療效果及遠(yuǎn)期療效，并與有限元分析結(jié)果對(duì)照，驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的可靠性和提出臨床手術(shù)改進(jìn)建議。
　　 [方法]:

8、
　　 1.CT資料的獲取與T4-T10肋椎單元三維模型的建立:15例（年齡16～42歲，平均28歲）非脊柱疾患成人T3-T11CT連續(xù)雙側(cè)掃描，共30側(cè)，掃描要求:電壓120Kv，電流150mA，層厚0.625mm，512×512矩陣。在骨窗下調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度，使圖像能清晰顯示該節(jié)段肋椎單元結(jié)構(gòu)，并保存為以Dicom為文件擴(kuò)展名的文件。三維重建時(shí)將文件導(dǎo)入Mimics14.1（試用版，Materilise公司，比利時(shí)），三維重建

9、T4-T10肋椎單元三維模型，建立三維模型數(shù)據(jù)庫。
　　 2.T4-T10肋椎單元及經(jīng)椎弓根固定解剖學(xué)相關(guān)參數(shù)的三維測(cè)量:利用重建軟件中的三維斷面（水平、矢狀、冠狀位）配準(zhǔn)測(cè)量結(jié)構(gòu)，通過工具欄中三維距離測(cè)量模塊在三維重建模型上測(cè)量以下幾組參數(shù):第一組:經(jīng)肋椎單元固定參數(shù):椎弓根一肋單位橫徑;經(jīng)肋椎單元固定螺釘釘?shù)篱L度;經(jīng)肋椎單元固定內(nèi)傾角;經(jīng)肋椎單元固定最大內(nèi)傾角;經(jīng)肋椎單元固定最小內(nèi)傾角;比較左右側(cè)差異;第二組:經(jīng)椎弓根固定參

10、數(shù):椎弓根橫徑;椎弓根釘?shù)篱L度;椎弓根螺釘內(nèi)傾角;椎弓根螺釘最大內(nèi)傾角;椎弓根螺釘最小內(nèi)傾角;比較左右側(cè)差異;并比較組間差異。
　　 3.選擇1名（男性，32歲，72KG）非脊柱脊髓患者影像學(xué)數(shù)據(jù)，將CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics14.1（試用版）利用軟件自帶的域值設(shè)定(Threshold)選擇擬重建部分，參數(shù)化建立T5-T9椎骨、肋骨及3種5條韌帶數(shù)字模型。利用PRO-E軟件建立脊柱后路經(jīng)肋椎單元固定系統(tǒng)，并將其導(dǎo)入Mimics

11、中重建好的三組模型中（第一組:T6-7部分椎體切除T6-T8經(jīng)肋椎單元后路固定;第二組:T6-7部分椎體切除，T6-T7-T8經(jīng)肋椎單元后路固定;第三組:T6-7部分椎體切除，T5-T6-T8-T9經(jīng)肋椎單元后路固定），依據(jù)(2)測(cè)量數(shù)據(jù)總結(jié)參數(shù)在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行配準(zhǔn)，將其配準(zhǔn)安裝好的系統(tǒng)進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分，并以Stl格式的文件導(dǎo)出并保存。將文件導(dǎo)入Ansysproducts11.0軟件中，建立有限元模型，模擬正常人體站立位、前屈、后

12、伸、側(cè)彎固定系統(tǒng)應(yīng)力及應(yīng)變分布情況，并比較三類固定模式及三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下相同部位的應(yīng)力。
　　 4.回顧性分析臨床32例T4-T10節(jié)段胸椎結(jié)核經(jīng)后路固定的手術(shù)方式、治療效果及遠(yuǎn)期療效并與有限元分析結(jié)果對(duì)照。
　　 [結(jié)果]:
　　 1.15例三維重建脊柱T4-T10節(jié)段三維立體模型，兩組中橫徑與釘?shù)离S椎序的增加而逐漸增加，其釘?shù)纼?nèi)傾角;最大內(nèi)傾角、最小內(nèi)傾角均隨著椎序的增加逐漸的減小;經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)比較，經(jīng)肋椎單元固定

13、組所有測(cè)量參數(shù)均大于經(jīng)椎弓根固定組(p＜0.05)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　 2.利用三維重建軟件Mimics13.0和有限元分析軟件Ansys11.0成功建立T6-8運(yùn)動(dòng)節(jié)段椎間植骨經(jīng)肋椎單元后路固定有限元模型。共有26321個(gè)單元，27634個(gè)節(jié)點(diǎn)，建成后的三維有限元模型與實(shí)體病例有較好的幾何相似性。在前屈和后伸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，螺釘尾部是應(yīng)力最為集中的部位，上位螺釘大于下位螺釘，對(duì)于連接棒，上端總是小于下端，且上端應(yīng)力為零;側(cè)彎

14、位，螺釘尾部應(yīng)力均較前屈和后伸位減小;連接棒上下端應(yīng)力相當(dāng)。同一部位三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下比較，螺釘尾部總是后伸位大于前屈位，側(cè)彎位最小;連接棒E，F(xiàn)點(diǎn)，總是前屈大于后伸，側(cè)彎最小;側(cè)彎位連接棒末端最小。從應(yīng)變?cè)茍D上可知，在前屈位時(shí)，其連接棒應(yīng)變較其他運(yùn)動(dòng)方式大，后伸位時(shí)，上位螺釘?shù)募舛藨?yīng)變較大，側(cè)彎時(shí)為下位螺釘尖端應(yīng)變最大。
　　 3.成功建立T6-T7-T8運(yùn)動(dòng)節(jié)段椎間植骨經(jīng)肋椎單元后路固定有限元模型。共有26321個(gè)單元，2763

15、4個(gè)節(jié)點(diǎn)，建成后的三維有限元模型與實(shí)體病例有較好的幾何相似性。在相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，前屈和后伸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)于螺釘，其尾部是應(yīng)力最為集中的部位，上位螺釘大于中下位螺釘，對(duì)于連接棒，中部總是小于下端，且中部應(yīng)力為零;側(cè)彎位，中、下位螺釘尾部應(yīng)力相當(dāng);連接棒中位總是大于下位;在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，連接棒中段在側(cè)彎運(yùn)動(dòng)下應(yīng)力增大，下位螺釘前屈后伸大于側(cè)彎。從應(yīng)變?cè)茍D上可知，T6-T7-T8固定三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，連接棒應(yīng)變均較螺釘小。
　　 4.成

16、功建立T5-T6-T8-T9運(yùn)動(dòng)節(jié)段椎間植骨經(jīng)肋椎單元后路固定有限元模型。共43895個(gè)單元，45325個(gè)節(jié)點(diǎn)，建成后的三維有限元模型與實(shí)體病例有較好的幾何相似性。在前屈和后伸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，螺釘尾部是應(yīng)力最為集中的部位，上下位螺釘尾部間應(yīng)力無明顯差異，在連接棒，上、中段(I、K、J、F)總是小于中下段和下端(M、N、O、P)，且上、中段應(yīng)力為零;側(cè)彎位，下兩對(duì)(E、F、G、H)螺釘尾部應(yīng)力大于上兩對(duì)，連接棒中下段(M、N、O、P)總是大于

17、上中段(I、K、J、F);在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下相同部位間比較，側(cè)彎位，上位兩對(duì)螺釘尾部(A、B、C、D)應(yīng)力均較前屈和后伸位減小(均數(shù)減小幅度在41.94MPa～107.50MPa)，下位兩對(duì)螺釘尾部(E、F、G、H)應(yīng)力均較前屈和后伸位增大;連接棒N、O位應(yīng)力增加幅度較大。應(yīng)變?cè)茍D上顯示，在前屈位及前屈側(cè)彎位時(shí)，固定系統(tǒng)下端應(yīng)變較大，后伸位上端應(yīng)變較大。
　　 5.后路多節(jié)段釘棒內(nèi)固定在治療中下胸椎結(jié)核中效果滿意。
　　

18、[結(jié)論]:
　　 1.在脊柱T4～10段，經(jīng)肋椎單元固定可為臨床手術(shù)提供更大的安全置釘角度和螺釘直徑，對(duì)于降低手術(shù)操作的復(fù)雜性及提高螺釘把持力具有重要的意義。
　　 2.T6～8運(yùn)動(dòng)節(jié)段后路椎間植骨經(jīng)肋椎單元內(nèi)固定的病人在做前屈和后伸運(yùn)動(dòng)時(shí)上位螺釘尾部及連接棒的上端最容易發(fā)生疲勞性斷裂。為了降低螺釘尾部與連接棒上端段應(yīng)力集中且絕對(duì)值較大、容易斷裂的問題，我們可以將肋椎單元釘和連接棒設(shè)計(jì)成尾端（上段）較前端（下段）粗的錐體

19、形，以提高這兩個(gè)部位的機(jī)械承載能力;同時(shí)也要加高上位椎體釘壓緊螺母的高度與螺紋的深度，以提高上位椎體釘與連接棒的固定強(qiáng)度，降低高應(yīng)力區(qū)兩個(gè)部件間松動(dòng)與滑脫的可能性。
　　 3.T6-T7-T8后路椎間植骨經(jīng)肋椎單元內(nèi)固定的病人在做前屈和后伸運(yùn)動(dòng)時(shí)連接棒的下端、側(cè)彎時(shí)連接棒中段最容易發(fā)生疲勞性斷裂。我們建議中下胸段后路椎間植骨后方T6-T7-T8經(jīng)肋椎單元內(nèi)固定術(shù)后也要嚴(yán)格采用可靠支具。為了降低螺釘尾部與連接棒中、下端段應(yīng)力集中且

20、絕對(duì)值較大、容易斷裂的問題，我們可以將肋椎單元釘（連接棒）設(shè)計(jì)成尾段（中、下段）較前端（上段）粗的錐體形，以提高這兩個(gè)部位的機(jī)械承載能力。
　　 4.在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下相同部位間比較，側(cè)彎位、上位兩對(duì)螺釘尾部應(yīng)力減小，而下位兩對(duì)螺釘尾部增大;連接棒N、O位應(yīng)力增加幅度較大，所以側(cè)彎位對(duì)下位螺釘尾部及連接棒應(yīng)力變化影響最大。患者過多作側(cè)彎運(yùn)動(dòng)，則最易導(dǎo)致連接棒發(fā)生疲勞骨折;雖然多節(jié)段固定組連接棒容易疲勞斷裂，但其韌性相對(duì)更好，故三組