半椎體脊柱側(cè)彎后路矯形中橫向連接裝置作用的有限元分析.pdf

1、目的:
　　 基于患兒的CT圖像建立個體化的半椎體所致的先天性脊柱側(cè)彎(Congenital scoliosis)三維有限元模型(finite element model，F(xiàn)EM)，并運(yùn)用所建立的模型模擬脊柱側(cè)彎后路半椎體切除椎弓根釘內(nèi)固定手術(shù)，通過加載不同方向的力使手術(shù)后的脊柱模型模擬前屈、后伸、左右側(cè)彎及左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過分析半椎體切除后安裝與不安裝橫向連接裝置(Cross-link Device，CLD)兩種狀態(tài)下脊柱所選

2、節(jié)段的角位移來判斷CLD在半椎體所致先天性脊柱側(cè)彎后路矯形手術(shù)中的作用，為臨床治療方案的選擇提供依據(jù)。
　　 方法:
　　 1、選擇對象:選取幼兒半椎體所致脊柱側(cè)彎患兒1名，男性，2歲9個月，半椎體為第12胸椎，體重14kg，身高90cm。告知家屬實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⑷〉闷渫狻?br>　　 2、獲得原始影像資料:患兒平臥位，從第二頸椎至骶骨進(jìn)行CT掃描，層厚1.25mm，層間距0mm，掃描范圍主要為全部骨性結(jié)構(gòu)及椎間盤。共獲得

3、CT平掃圖像470張（Dicom格式），刻錄為光盤。
　　 3、建立初級模型:將獲得的Dicom格式圖像，導(dǎo)入CAE軟件Mimics14.0中，對原始資料進(jìn)行蒙皮、分割、建模、劃分網(wǎng)格、光滑等步驟生成胸椎、腰椎的初級三維模型。將模型的正側(cè)位視圖與臨床X線片對比，其具體位置，側(cè)彎角度一致。
　　 4、完善模型:將初級模型生成體，導(dǎo)入3-Matic5.1處理軟件中，建立黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶。應(yīng)用軟件Geomagic S

4、tudio 12.0建立前后縱韌帶、髓核;應(yīng)用軟件Creo2.0建立椎弓根釘、鈦棒、橫向連接裝置，分別劃分網(wǎng)格。
　　 5、模擬后路矯形手術(shù):將模型導(dǎo)入3-Matic5.1處理軟件中，進(jìn)行模擬后路半椎體切除椎弓根釘內(nèi)固定手術(shù)。術(shù)中先行打入椎弓根螺釘，再行切除第12胸椎半椎體，安裝矯形棒，逐漸閉合T11和L1椎間隙，達(dá)到側(cè)彎畸形的矯正。建立安裝橫向連接裝置(CLD組)與未安裝橫向連接裝置（NCLD組）兩組模型，與術(shù)后X線相比矯形效

5、果均一致。
　　 6、進(jìn)行有限元分析:將所建立的脊柱側(cè)彎術(shù)后模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS13.0中，生成單元，并賦予各種材料的相關(guān)屬性，如密度、泊松比、彈性模量等，對模型進(jìn)行約束(于兩組模型的底部進(jìn)行約束，設(shè)定X、Y、Z三個軸向方向的位移為0mm)、加載體重（于最上面椎體T9上表面垂直向下的70N力模擬重力）及并于T9上表面施加水平向前、后、左、右的力(40N、80N、120N、160N、200N)，通過合力模擬前屈、后伸、

6、左右側(cè)彎;再于椎體前緣、棘突分別施加一對方向相反、大小相等的力(20N、40N、60N、80N、100N)模擬脊柱左右旋轉(zhuǎn)，求解后得到CLD組與NCLD組兩組脊柱椎體的位移圖。
　　 7、測量角位移:將所得到的位移圖應(yīng)用Photoshop CS4進(jìn)行測量，確定角位移，并應(yīng)用SPSS13.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。
　　 結(jié)果:
　　 1、成功建立了小兒半椎體所致先天性脊柱側(cè)彎術(shù)前術(shù)后的三維有限元模型（包括胸椎、腰椎、椎間

7、盤、髓核、韌帶）及椎弓根釘、鈦棒、橫向連接裝置的有限元模型。共有453748個單元，777942個節(jié)點(diǎn)，所建立模型長49.103 mm，寬60.791 mm，高112.35 mm，體積70382mm3，全重0.45102 kg，術(shù)前Cobb角為40.2°。模型與臨床站立位X線片脊柱前后位曲線吻合。在國內(nèi)外眾多有限元模型中，韌帶常常被建為桿單元，無法完整表現(xiàn)韌帶的作用，本實(shí)驗(yàn)通過軟件成功建立了脊柱前后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶的有限元模型

8、，并通過了有限元分析。
　　 2、所建立的小兒半椎體脊柱側(cè)彎有限元模型生動形象的描繪了小兒脊柱的特點(diǎn):小兒脊柱椎體較扁、略呈卵圓形、中部稍高;椎體滋養(yǎng)孔較成人分布更廣，同時孔徑與成人相比較大;椎骨密度較低，骨密質(zhì)與骨松質(zhì)界限不易區(qū)分且軟骨成分較多。
　　 3、順利完成后路韌帶切除、椎弓根螺釘內(nèi)固定及半椎體切除手術(shù)的模擬。固定節(jié)段為T9-L2椎體，共4個節(jié)段，置入椎弓根釘共8枚，并安裝鈦棒、橫向連接裝置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?/p>

9、，將模型分為兩組，一組不安裝橫向連接裝置，術(shù)后矯形效果均達(dá)到100％。
　　 4、軟件ANSYS13.0分析得出兩種固定方案模型的六個活動度的位移云圖，并經(jīng)photoshop CS4得出角位移。從圖中看出，隨著加載力值的逐漸增加(40N→80N→120N→160N→200N→240N)，模型頂椎的位移逐漸加大，根據(jù)計算所選節(jié)段椎體的角位移同步加大，基本呈線性增長。
　　 5、兩組模型六個活動度的角位移應(yīng)用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)

10、分析，CLD組與NCLD組在前屈后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)的角位移P值均大于0.05，均無統(tǒng)計學(xué)意義。尚不能說明在2歲小兒半椎體所致的脊柱側(cè)彎后路矯形中在固定4個節(jié)段時安裝橫向連接裝置與不安裝橫向連接裝置有明顯區(qū)別。
　　 結(jié)論:
　　 1、本實(shí)驗(yàn)通過計算機(jī)工程軟件，成功將半椎體所致先天性脊柱側(cè)彎患兒CT圖像建立成為三維有限元模型;通過手術(shù)模擬，成功建立了半椎體脊柱側(cè)彎后路半椎體切除椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)前術(shù)后的三維有限元模型。