Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸有限元模型及胸椎釘道導靶3D模型的建立及相關有限元分析.pdf

1、目的：本研究利用螺旋CT連續(xù)掃描獲得的CT影像學資料，將CT資料導入計算機輔助工程（computer aided engineering,CAE）軟件進行圖像處理分析，建立了Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸及胸椎釘道導靶3D模型；依據有限元模型的要求添加材料屬性，同時對材料屬性的參數進行修正以及有效性進行驗證，胸椎釘道導靶通過3D打印模型模擬置釘驗證其置釘的有效性及科學性；在修正好的模型上分別模擬不同的手術方式，了解不同手術方式椎弓根螺

2、釘的應力大小及其矯形效果，為Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸患者不同手術方式螺釘的應力研究及不同的手術方案的矯形效果評價和優(yōu)化提供了一定的理論支持，為其遠期療效提供科學依據。
　　方法：選擇l例28歲男性的Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸志愿者為研究對象，仰臥位從C7上緣至尾骨的螺旋CT連續(xù)掃描，層厚0.625mm,將獲得的CT圖像以Dicom格式導入Mimics16.0逆向工程軟件中，對該模型進行幾何清理、優(yōu)化，建立完整的包括胸

3、廓結構在內的脊柱側凸幾何模型，于胸椎椎體上利用設計模塊建立Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸胸椎釘道導靶；將完整的幾何模型導入Ansys14.0有限元分析軟件中進行網格劃分，劃分體網格及面網格，參照文獻對實體單元賦予材料屬性，建立包括椎間盤及韌帶等的完整Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸有限元模型。依據左右側屈實驗將上胸段、胸椎側凸、腰椎側凸等3個區(qū)域的椎間盤材料屬性分為柔軟型、僵硬型和中間型三個水平。按照正交實驗設計，通過直觀分析法篩選出

4、有限元模型的材料參數，從而獲得有限元模型的個體化生物力學屬性。將優(yōu)化后的模型進一步模擬臥位左右側屈試驗并與臨床的X線片對比，篩選出最佳的組合，并在有限元模型中提取T1-T4、T5-T8和L6-S1三個節(jié)段，對各節(jié)段模型進行約束加載，將結果與體外實驗進行對比研究，最終多角度對模型的有效性進行驗證。在優(yōu)化后的Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸有限元模型上，分別進行有限元手術模擬，Case1：上下端椎雙側置釘結合后路關節(jié)突關節(jié)松解；Case2：

5、模擬后路關鍵椎置釘結合后路關節(jié)囊松解；Case3后路關鍵椎置釘結合后路關節(jié)囊松解及前路側凸處胸椎松解；Case4：關鍵椎置釘結合后路關節(jié)囊松解結合前路腰椎側凸處松解；Case5：關鍵椎置釘結合后路關節(jié)囊松解結合前路胸腰椎側凸處松解。探討Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸不同手術方案的三維矯形效果及生物力學特征。
　　結果：利用有限元軟件建立了完整的Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸，包括全部胸椎、腰椎、骶尾骨、胸廓、肋骨、肋軟骨、椎間

6、盤和關節(jié)囊、韌帶等結構。建立的的模型包括四面體單元440975個和桿單元580個，共計441555單元，1077318個節(jié)點。成功建立了12個胸椎的釘道導靶模型，導靶模型包括四面體單元4682個，7390個節(jié)點。通過正交實驗后獲得的有限元模型和患者真實情況差異最小的組合為：A1B2C3，直觀分析表的結果顯示各因素對模擬實驗結果差異的影響大小順序為：B>C>A，即因素B影響最大，而因素A影響最小。經參數修正后的有限元模型在左右側屈位的模擬

7、結果與患者真實情況無明顯的統(tǒng)計學差異。同時，T1-T4和T5-8及L6/S1三個節(jié)段有限元模型加載結果基本符合各自參照的其它作者實驗結果。在優(yōu)化后的模型上，順利完成了設計的Case1-Case5共5種手術方案。Case1結果顯示：矯形應力最大處位于L4左側，螺釘的最大應力值為205.64Mpa；Case2結果顯示：矯形應力最大處位于L4左側，螺釘的最大應力值為313.83Mpa，Case3結果顯示：矯形應力最大處位于L4左側，螺釘的最大

8、應力值為337.08Mpa；Case4結果顯示：矯形應力最大處位于L4左側螺釘的最大應力值為331.3Mpa；Case5結果顯示：矯形應力最大處位于L4左側，螺釘的最大應力值為280.48Mpa，各組最大值均低于螺釘本身的折彎臨界值；各組應力最小值，Case1應力最?。?2.12Mpa，位于胸12左側；case2最小值：83.76Mpa，位于胸7右側，case3應力最小值：67.20Mpa，位于胸7右側；case4應力最小值：63.17

9、Mpa，位于胸7右側；case5應力最小值：48.82Mpa，位于胸7右側；Case1-5手術方案脊柱胸椎側凸的矯形率分別為63.9%，59.9%，67.6%，61.5%，66.4%，腰椎側凸的矯形率分別為39.1%，32.2%，36.8%，42.9%，49.3%。case3、5倆種胸椎松解術的實驗在胸椎矯形過程中其矯正效果未明顯提高，但其相應結構的椎弓根螺釘應力確明顯減低，case5結果顯示在腰椎去旋轉及降低胸腰椎螺釘的應力上明顯優(yōu)于

10、其它組。
　　結論：通過有限元分析軟件建立了完整Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸的有限元模型，建立的模型與患者的X線片相比，其形態(tài)形象、逼真，幾何形態(tài)相似度高。同時對該模型進行了參數優(yōu)化、修正、有效性驗證，在修正后的模型上有效模擬了五種手術方案，并對每一種手術方案進行矯形測量，分析不同置釘及矯形方案的螺釘應力，結果顯示其手術矯形效果較好。關鍵椎置釘可獲得與雙側置釘一樣的矯形效果，后路關鍵椎置釘結合胸椎松解術，相應的胸椎椎弓根螺釘應

11、力明顯降低，關鍵椎置釘結合胸腰椎前路松解術去旋轉效果佳，單存腰椎松解，腰椎去旋轉度不優(yōu)于單存后路松解，對于Lenke3型成人特發(fā)性脊柱側凸患者中為了提高患者腰椎去旋轉及減輕椎弓根螺釘的應力及載荷，可以選擇胸腰椎聯(lián)合前路松解術。各組椎弓根釘應力高值主要集中在下端椎L4位置，并且應力主要集中在釘尾與釘身交界處以及釘尾與矯形棒聯(lián)接處的兩個部位，該倆處可能是發(fā)生螺釘斷裂的高發(fā)部位。實驗結果為成人特發(fā)性脊柱側凸的有限元生物力學實驗提供量化指標，為