幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸后路矯形三維有限元分析.pdf

1、目的：先天性脊柱側(cè)凸是一種發(fā)病率高、嚴(yán)重影響患兒身心健康的疾病。尤其小年齡組脊柱側(cè)凸畸形患兒胸廓發(fā)育差、心肺功能不全，具有畸形復(fù)雜嚴(yán)重、手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率高、手術(shù)麻醉風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)，一直是脊柱側(cè)凸治療領(lǐng)域的難題。這種畸形需要早期手術(shù)矯治，但又需最大程度地減少對(duì)脊柱生長(zhǎng)發(fā)育的影響。所以矯形方式和椎體融合節(jié)段的選擇是影響療效和預(yù)后的關(guān)鍵因素。目前后路半椎體切除椎弓根螺釘內(nèi)固定是主要的治療方式。但是，因患兒畸形復(fù)雜、個(gè)體之間畸形變化差異很大，在矯

2、形過程中，固定節(jié)段的選擇主要根據(jù)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，其生物力學(xué)研究證據(jù)不足。所以易導(dǎo)致矯形欠佳、不滿意或術(shù)后出現(xiàn)脊柱失代償?shù)炔l(fā)癥?；诖?，本研究利用建立的幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸(Congenital scoliosis)三維有限元模型(finite element model，F(xiàn)EM)模擬后路半椎體切除、椎弓根螺釘固定矯形手術(shù)，并比較選擇不同固定節(jié)段的生物力學(xué)特點(diǎn)，從而為臨床提供理論依據(jù)。
　　方法：
　　1、獲取圖像：選取1

3、名幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸患兒，男性，2歲9個(gè)月，胸12為半椎體，體重14kg，身高90cm。取平臥位，行西門子64排螺旋CT從第二頸椎上緣至骶骨掃描，層厚1.25mm，層間距0mm，掃描范圍包括全部骨性結(jié)構(gòu)及椎間盤。獲得Dicom格式CT平掃圖像470張，實(shí)際建模采用中間有效部位148張。
　　2、建立三維幾何模型：將獲得的Dicom格式圖像，倒入逆向工程軟件Mimics14.0中，對(duì)原始圖像進(jìn)行蒙版、分割、光滑等步驟生成胸椎、腰

4、椎、椎間盤的初級(jí)三維模型。將模型的正側(cè)位視圖與臨床正側(cè)位X線片對(duì)比，并在模型上測(cè)量半椎體大小、體積、Cobb角等。
　　3、模擬后路矯形手術(shù)：對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)易處理后導(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螺釘內(nèi)固定手術(shù)。術(shù)中先行打入椎弓根螺釘，再行切除十二胸椎半椎體，安裝矯形棒，逐漸閉合T11和L1椎間隙，達(dá)到側(cè)凸畸形的矯正。與術(shù)后X線相比矯形效果滿意。
　　4、建立三維有限元模型：在3-Matic5.

5、1中，將椎弓根螺釘和矯形棒以及椎骨、椎間盤裝配，裝配后整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好后再次將先天性脊柱側(cè)凸模型導(dǎo)入Mimics14.0中，設(shè)置模型各個(gè)組件的彈性模量、柏松比等相關(guān)參數(shù)，得到先天性脊柱側(cè)凸三維有限元模型。
　　5、進(jìn)行有限元分析：將已賦好材料屬性、劃分好網(wǎng)格的幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS13.0中，對(duì)模型進(jìn)行約束(于四組模型的底部進(jìn)行約束，限定各個(gè)方向位移)、加載(最上面椎體上表面凹側(cè)施加垂直向下

6、的壓力100N、200N、300N、400N、500、600N，凸側(cè)施加垂直向上的壓力100N、200N、300N、400N、500、600N)、求解，得到不同固定節(jié)段的等效應(yīng)力云圖和位移云圖，并比較不同固定節(jié)段的應(yīng)力和位移變化。
　　結(jié)果：
　　1建立了幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸三維有限元模型，包括胸椎、腰椎、椎間盤。共有105252個(gè)單元，185849個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中胸椎模型2塊，單元31576個(gè)、節(jié)點(diǎn)56105個(gè)；腰椎模型2塊

7、，單元37890個(gè)、節(jié)點(diǎn)67281個(gè)，椎間盤模型(髓核+纖維環(huán))5塊，單元11577個(gè)、節(jié)點(diǎn)21163個(gè)。
　　2幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸有限元模型逼真的描繪了患兒脊柱的特點(diǎn)：幼兒脊柱椎體寬、略呈卵圓形；椎體高度明顯高于椎間盤厚度；椎體滋養(yǎng)孔多，孔徑較大；松質(zhì)骨與密質(zhì)骨相互包容，難以界定。模型于臨床大體像、X線片脊柱曲線吻合。胸12半椎體體積為3793mm3，最大長(zhǎng)徑31.27mm，最大高度為15.13mm，術(shù)前Cobb角為40.2

8、°。
　　3順利完成后路半椎體切除、椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)模擬。根據(jù)固定節(jié)段的不同，進(jìn)行個(gè)體化分組，有T10～L1組(凹凸側(cè)各3枚螺釘)，T11～L1組(凹凸側(cè)各2枚螺釘)、T11～L2組(凹凸側(cè)各3枚螺釘)、T10～L2組(凹凸側(cè)各4枚螺釘)，術(shù)后矯形效果均達(dá)到100％。
　　4軟件ANSYS13.0分析得出四種固定方案下模型的等效應(yīng)力(Equivalent Stress)分布圖、位移云圖和安全系數(shù)云圖。從圖中看出，隨著加載

9、力值的逐漸增加(＜104N)，模型的位移云圖圖形、應(yīng)力云圖圖形基本無(wú)變化，而各云圖區(qū)域所代表的值，呈線性增長(zhǎng)。四組固定方案的等效應(yīng)力云圖顯示，最大等效應(yīng)力主要集中在椎弓根螺釘釘頭與螺釘體、椎弓根螺釘與矯形桿、椎弓根螺釘與椎弓根交界處。四組固定方案的位移云圖顯示，其最大位移均在每一組的最上面椎體，并向下呈依次減小趨勢(shì)。
　　5在四組模型頂部凹側(cè)施加垂直向下的壓力300N，凸側(cè)施加垂直向上的壓力300N時(shí)，四組矯形方案T10～L1組、

10、T11～L1組、T10～L2組、T11～L2組的最大等效應(yīng)力值分別為：52.552Mpa、59.422Mpa、55.215Mpa、59.624Mpa；四組脊柱模型凸側(cè)所受的等效應(yīng)力明顯大于凹側(cè)，約3-6倍；模型凸側(cè)的最上面和最下面椎體所受作用力較大，中間作用力相對(duì)較小。在四組矯形方案中，T11～L1組椎弓根螺釘所受作用力最大，向頭端或尾端各延長(zhǎng)一個(gè)固定節(jié)段，椎弓根螺釘?shù)氖芰档?，如T10～L1組、T11～L2組。但向頭端或尾端再延長(zhǎng)一個(gè)

11、固定節(jié)段，如T10～L2組，對(duì)椎弓根螺釘?shù)氖芰o(wú)明顯影響。在四組矯形方案的安全系數(shù)云圖中，T11～L1組凸側(cè)矯形桿最小安全系數(shù)的圖像范圍是其他三組的4-8倍，而最小安全系數(shù)的區(qū)域越大越易造成疲勞破壞?？傊?，T10～L1、T11～L2兩組可作為較好的手術(shù)方案選擇。
　　結(jié)論：
　　1應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件Mimics14.0及ANSYS13.0，根據(jù)患兒CT圖像，可成功建立幼兒半椎體所致脊柱側(cè)凸三維有限元模型。應(yīng)用該模型