半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸有限元建模及三維矯形生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：探討基于患者CT圖像建立個體化的半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的方法，運(yùn)用建立的模型仿真模擬半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸三維矯形手術(shù)，分析研究半脊椎切除后，選擇不同手術(shù)方式的矯形效果和生物力學(xué)特點(diǎn)，為優(yōu)化臨床治療方案提供理論依據(jù)。
　　 方法：選擇1名13歲女性半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸志愿者作為研究對象。取仰臥位，使用螺旋CT從T1上緣至骶骨以1mm間距進(jìn)行連續(xù)掃描，獲得Dicom格式CT圖像507張。導(dǎo)入逆向工程軟件

2、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，并對模型進(jìn)行幾何清理，初步劃分殼單元網(wǎng)格。然后導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh8.0做網(wǎng)格質(zhì)量控制和實(shí)體單元劃分，參照文獻(xiàn)賦予模型材料屬性，生成完整的脊柱側(cè)凸三維有限元模型。將模型的正側(cè)位視圖與臨床仰臥位正側(cè)位X線片對比，并在建立的模型中提取T1-T4、T5-T8、L1-L4和L1-S1四個脊柱節(jié)段，分別參照文獻(xiàn)報道的體外實(shí)驗(yàn)對有限元節(jié)段模型進(jìn)行約

3、束加載，將加載結(jié)果與各自參照的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的有效性。運(yùn)用模型進(jìn)一步模擬臨床左右側(cè)屈位實(shí)驗(yàn)，與臨床實(shí)際進(jìn)行對比研究，按正交試驗(yàn)設(shè)計，通過直觀分析法，優(yōu)化模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的個體化生物力學(xué)屬性。利用建立的個體化半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，仿真模擬半脊椎切除術(shù)、前路或后路螺釘固定三維矯形技術(shù)，初步探討選擇前路或后路固定矯形，以及不同節(jié)段固定的矯形效果和生物力學(xué)特征。
　　 結(jié)果：建立了完整的半脊椎所致先天

4、性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，包括胸-腰-骶椎、椎間盤、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，14種材料性質(zhì)，共劃分節(jié)點(diǎn)109936個，四面體單元411988個，殼單元87847個，線纜單元690個和桿單元138個。模型逼真地描繪了患者脊柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其正位、側(cè)位曲線與臨床X線片脊柱曲線完全吻合；T1-T4、T5-T8、L1-L4和L1-S1各節(jié)段有限元模型加載結(jié)果與各自參照的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，誤差均小于10％。通過參數(shù)

5、優(yōu)化，選出了模型與臨床實(shí)驗(yàn)差異性最小的參數(shù)組合：A2B1C1，即該脊柱側(cè)凸有限元模型胸段、胸腰段和腰段椎間盤材料屬性的系數(shù)為別為1，0.2，0.2，此時模型在左、右側(cè)屈位和站立位的模擬效果與臨床實(shí)際無明顯統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)。順利完成手術(shù)模擬操作，結(jié)果顯示，半脊椎切除后，后路固定矯形效果好于前路固定矯形，特別是對后凸角的矯正，矯正率均大于50％；后路短節(jié)段固定矯形與長節(jié)段固定矯形在對脊柱側(cè)后凸矯形效果上相差不大，差異值小于5°。<

6、br>　　 結(jié)論：本研究應(yīng)用計算機(jī)輔助工程軟件，首次建立了基于志愿者CT圖像的完整半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，并對模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，成功仿真模擬了半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸的三維矯形手術(shù)，基于該患者個體化手術(shù)模擬結(jié)果表明，后路短節(jié)段固定矯形為最佳治療方案。這種有限元分析方法能夠?yàn)榧怪鶄?cè)凸的生物力學(xué)研究提供量化指標(biāo)，幫助醫(yī)生預(yù)測患者的矯形過程和效果，并能針對具體患者進(jìn)行個體化的仿真模擬操作和生物力學(xué)分析，為臨床實(shí)