Lenke 1型特發(fā)性脊柱側凸有限元建模及手術矯形的生物力學評價與比較研究.pdf

1、[背景] 目前具有三維平面節(jié)段性矯形能力的椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)不僅具有良好的力學穩(wěn)定性和固定強度，更能對脊柱施以強大的去旋轉矯正力，極大的促進了脊柱側凸的三維矯形效果。然而據(jù)文獻報道，一方面如椎管破損、神經系統(tǒng)損傷、大動脈侵犯等潛在危險性卻阻礙了椎弓根螺釘系統(tǒng)的推廣；另一方面全椎弓根螺釘矯治時，相應置釘節(jié)段的選擇尚未統(tǒng)一標準，仍受醫(yī)師經驗性判斷的制約。如何最大范圍的減少椎弓根螺釘數(shù)目，在降低置釘風險、節(jié)約醫(yī)療費用的同時；獲得滿意

2、的脊柱側凸三維矯形效果，成為當前學術界的研究熱點。 脊柱側凸椎弓根螺釘矯形過程中所牽涉到的復雜生物力學動態(tài)變化情況，則可能成為解決問題的關鍵。探討具體節(jié)段螺釘所受應力情況，矯形操作過程中張力變化數(shù)值，為比較不同置釘方案中矯形效果，明確關鍵椎體位置，指導手術提供了理論基礎。 [目的] 目前尚無研究探討選擇性置釘較常規(guī)連續(xù)置釘如何影響脊柱側凸的椎體序列發(fā)生矯正的生物力學機制。本課題通過構建椎弓根螺釘系統(tǒng)手術矯正脊柱側

3、凸的有限元模型進行計算機模擬分析，結合臨床研究報告，按照有限元建模及有效性驗證，個體化生物力學賦值，模擬手術矯形操作，比較不同置釘方案等四個步驟進行。即為多種不同置釘方式的矯形效果做一個初步的評價，亦為脊柱側凸生物力學的比較，評價，預測研究甚至優(yōu)化手術方案，提供參考依據(jù)和理論支持。 [方法] 1．有限元研究及有效性驗證 基于逆向工程原理，以CT掃描圖片為原始資料，獲取LenkelAN型青少年特發(fā)性脊柱側凸患者的從

4、第六胸椎(T6)上緣到第一腰椎(L1)下緣(側凸Cobb角段)的薄層螺旋CT值，掃描范圍為掃描層距為0.8mm。將屬于不同椎體的部分分為不同圖片保存，提取出單個椎體圖像信息。導入Simpleware2.1軟件，建立相應笛卡兒坐標系生成每一椎體的三維實體模型。加入椎間盤結構后，得到側凸段三維實體模型。通過逆向工程軟件Geomagic8.0對所得模型表面打磨光滑，并將其表面擬合成C1連續(xù)的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。最后，將模型導入

5、ABAQUS6.6軟件，參考相關文獻賦予各部分結構的材料屬性，劃分單元網(wǎng)格生成三維有限元模型。將這些模型分別導入大型有限元軟件Abasqus6.7.2中進行前處理并執(zhí)行有限元相關計算，就不同工況的計算結果進行位移及應力分析。選用國外先前類似研究結果進行計算對比，驗證其有效性。 2．個體化生物力學賦值 結合臨床側屈位和牽引位攝片的數(shù)據(jù)，然后按照正交實驗設計進行三因素三水平分析，對椎間盤材料屬性和皮質骨厚度進行參數(shù)優(yōu)化，最終

6、實現(xiàn)生物力學屬性的個體化。 3．模擬手術矯形操作 采用CAD技術分別建立螺釘及矯形棒等椎弓根螺釘固定系統(tǒng)的計算機模型，然后用有限元的方式實現(xiàn)去旋轉矯形的動態(tài)變化過程，著重分析了手術矯形過程中螺釘應力值變化情況以及各椎體位移改變情況，以獲得三維矯形過程中復雜的力學變化規(guī)律。 4．比較不同置釘方案 根據(jù)臨床報道關鍵椎體螺釘選擇技術，分別設置不同的置釘策略，通過可視化界面將螺釘逐個置入目標椎弓根中；基于已建立的

7、脊柱側凸有限元模型實現(xiàn)對多種矯形手術方案的仿真模擬。比較不同方案的位移、旋轉及成角變化值，綜合考慮不同置釘策略的手術效果，提出優(yōu)化手術的治療方案。 [結果] 基于CT掃描數(shù)據(jù)建立了幾何形態(tài)和生物力學特征均符合個體化特點的脊柱側凸的三維幾何和有限元模型。通過Geomagic，Simpleware，ABAQUS軟件構建的脊柱側凸有限元模型包括8個椎體(T6～L1)，7個椎間盤(髓核、纖維環(huán))，以及附屬結構(小關節(jié)、前縱韌帶、

8、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和黃韌帶)。整個模型單元劃分采用了2種單元類型，6種材料性質，共劃分了232315個單元，356830個節(jié)點，遠遠超過以前文獻報道的脊柱模型的單元和節(jié)點數(shù)。通過與臨床側屈位片及牽引位片進行比較，采用統(tǒng)計學中正交設計的方法對模型進行力學賦值后，具備有單元劃分精細，外觀逼真，幾何相似性好的特征，實現(xiàn)了形態(tài)學和生物力學特性的個體化要求。 通過有限元法將90°去旋轉矯形分為上矯形棒，轉棒，上穩(wěn)定棒三個步驟，每

9、一步均產生一定的矯形效果，其中第二棒的植入對頂椎的矯正較為明顯。再根據(jù)脊柱側凸序列的應力分布特性，與傳統(tǒng)的雙排全節(jié)段椎弓根螺釘矯形相比，不同的置釘矯形方式仍存在不同程度的差異。其中關鍵椎體螺釘方案與連續(xù)性置釘方案的矯形效果類似。為手術治療方案的優(yōu)化提供了理論和實驗依據(jù)。 [結論] 本研究提出了一套具有通用性的脊柱側凸復雜結構的建模方式，并且探索出將手術矯形操作過程分步化，動態(tài)化及精確化的具體操作流程，實現(xiàn)了脊柱外科矯形內