胸段脊柱非線性三維有限元建模及近端交界性后凸問題研究.pdf

1、[背景]
　　隨著脊柱手術技術以及內固定技術的不斷進步，脊柱外科手術在全世界廣泛開展，越來越多的脊柱疾病患者得到治療，在減輕患者痛苦的同時，逐漸增加的并發(fā)癥也越來越引起醫(yī)生的關注。術后近端交界性后凸作為其中一種，常可導致術后上背部疼痛，自我評價及生活質量減低等問題，引起廣大臨床醫(yī)生的重視，成為目前脊柱外科領域研究的熱點之一。相關臨床病例分析顯示一些臨床特征可能是術后近端交界性后凸發(fā)生的致病因素，但大部分尚未得到相關基礎實驗的驗證。

2、對于術后近端交界性后凸發(fā)病的具體原因，以及采取何種措施預防近端交界性后凸尚未完全清楚。
　　[目的]
　　本研究擬通過收集胸段脊柱高精度薄層CT掃描圖像，通過計算機輔助逆向工程軟件輔助重建包含仿真韌帶的胸段脊柱三維有限元模型并驗證。通過模型研究后路韌帶復合體組成結構對脊柱節(jié)段穩(wěn)定性;交界區(qū)棘上韌帶，棘間韌帶以及不同節(jié)段Smith-Peterson截骨對椎弓根螺釘固定后近端交界區(qū)力學特性的影響。并對比分析全椎弓根螺釘，椎弓根螺

3、釘+橫突鉤，椎弓根螺釘+非融合螺釘三種不同手術方式以及延長橫突鉤/非融合螺釘固定方式術后近端交界區(qū)域的生物力學情況，以探討最佳手術方法，預防術后近端交界性后凸的發(fā)生。
　　[方法]
　　1、建立包含仿真韌帶的胸段脊柱非線性三維有限元模型并驗證
　　征集一名女性健康志愿者，排除影響脊柱，肌肉，韌帶疾病及其他可能影響實驗結果的疾病。對志愿者行TI-T8 CT薄層平掃，層厚0.5mm。將CT影像學資料導入逆向工程學軟件Mim

4、ics15.0.定義骨窗閾值后獲得初步的骨掃描平面圖。對掃面平面中缺失的平面進行填充，對異位鈣化等異常結構去除后重建，得到T1-T8椎體的三維立體影像。根據解剖結構與材料屬性重建包括椎間盤，肋軟骨，韌帶等解剖結構，得到重建的胸椎非線性三維有限元模型。將建立的模型與志愿者影像資料及文獻既往報道胸段脊柱模型對比進行驗證。
　　2.后部韌帶復合體結構對脊柱活動單元及脊柱內固定術后近端交界性區(qū)域影響的有限元研究
　　將建立的三維有限

5、元模型進一步分為7個脊柱運動單元，模擬以下操作切除棘上韌帶，切除棘間韌帶，切除黃韌帶，切除后縱韌帶后對模型進行2Nm前屈加載，記錄其上端椎體位移以及椎間隙壓力的變化。對模型A:T6-T8，B:T5-T8，C:T4-T8，D:T3-T8行Smith-Peterson截骨后予前屈及側屈6Nm彎矩加載，對比近端交界區(qū)生物力學變化。在T3-T8固定后T6-T8進行Smith-Peterson截骨，模擬切除T4-T5棘上韌帶(E)，T4-T5棘間

6、韌帶(F)，T3-T4棘上韌帶(G)，T3-T4棘間韌帶(H)后予6Nm前屈（側屈）彎矩加載，對比近段交界區(qū)域生物力學變化。
　　3.不同固定器械組合對脊柱內固定術后近端交界區(qū)域影響的有限元研究
　　根據椎弓根鉤設計圖建立適用于模型的椎弓根鉤，根據非融合系統(tǒng)的設計圖設計非融合系統(tǒng)內部張力索與外部橡膠套管，并根據材料屬性賦值。在建立的三維有限元模型上對T6-T8予以Smith-Peterson截骨。模擬1.全椎弓根螺釘固定模型

7、;2.T4-T8椎弓根螺釘固定，T3椎弓根鉤固定(I);3.T4-T8椎弓根螺釘固定，T3非融合螺釘固定(J)。4.T5-T8椎弓根螺釘固定，T3-T4橫突鉤固定(K);5.T5-T8椎弓根螺釘固定，T3-T4非融合固定(L)。分別予6Nm前屈（側屈）加載，對比不同固定方式下近端交界區(qū)生物力學變化。
　　[結果]
　　1.成功建立了包含仿真韌帶的正常女性胸段脊柱三維有限元的模型，包括椎體8節(jié)，7個髓核，7個椎間盤，關節(jié)突關節(jié)

8、，前縱韌帶，后縱韌帶，黃韌帶，橫突間韌帶，棘間韌帶，棘上韌帶等。整個模型共包括346197個節(jié)點，1661988個單元。在對相關解剖結構根據其材料力學特性進行賦值并驗證，建立的三維有限元模型能夠精確模擬正常女性胸段脊柱的解剖機構和力學特性。
　　2.胸段脊柱運動單元，在2Nm的前屈彎矩加載下，其在完整狀態(tài)下，模擬切斷棘上韌帶，模擬切斷棘間韌帶，模擬切除黃韌帶，模擬切除后縱韌帶時，其前上端椎體位移分別為:0.349±0.013mm(

9、0.33-0.37mm)，0.443±0.020mm(0.42-0.47P=0.001),0.429±0.020mm(0.39-0.45mm,P＜0.001),0.363±0.018mm(0.34-0.39,P=0.025)，0.351±0.017mm(0.34-0.38，P=0.457);椎間隙應力為0.393±0.022Mpa(0.36-0.42Mpa,0.431±0.029Mpa(0.38-0.47Mpa,P=0.001),0.4

10、34±0.016Mpa(0.41-0.46MPa, P＜0.001),0.397±0.015Mpa(0.38-0.42MPa, P=0.407),0.383±0.019Mpa(0.36-0.41MPa，P=0.062)。A，B，C，D情況下，前屈彎矩下，T2椎體位移分別為1.04mm，1.02mm，1.33mm，1.42mm; T2椎體上壓縮應力為2.61Mpa，2.65Mpa，2.95Mpa，3.18Mpa; T2-3椎間盤的應力為1

11、.95Mpa，1.97Mpa，2.08Mpa，2.27Mpa;側屈扭矩下T2椎體的位移為2.11mm，2.10mm，2.33mm，2.97mm。在E、F、G、H前屈扭矩下T2椎體位移為1.04mm，1.06mm，1.20mm，1.26mm;T2壓強為2.63Mpa，2.68Mpa，2.81Mpa，2.86Mpa; T2-3椎間隙壓強為1.96MPa，1.98Mpa，2.05Mpa，2.11Mpa;在側方彎矩下T2椎體位移為2.10mm，

12、2.14mm，2.23mm,2.26mm。
　　3.在模擬頂端固定椎橫突鉤(I)與非融合式固定(J)，在與6Nm前屈彎矩加載時，其T2椎體位移，T2椎體壓強，T2-3椎間隙壓強分別為1.52mm，2.13mm;2.23MPa，1.92MPa;1.78MPa，1.93MPa;在側屈彎矩加載下其T2椎體側方位移分別為2.73mm，3.15mm。在模擬近端雙節(jié)段橫突鉤(K)與雙節(jié)段非融合式固定(L)，在6Nm前屈彎矩的加載下，其T2椎體

13、位移，T2縱向壓縮應力，椎間隙應力分別為1.63mm，2.37mm;2.18MPa，1.88MPa;1.69MPa，1.90MPa;在側屈彎矩加載下其T2椎體側方位移分別為2.80mm，3.54mm。
　　[結論]
　　1.本研究建立的含仿真韌帶的非線性的胸段脊柱三維有限元模型外觀逼真，與實體幾何相似性好。根據CT影像灰度值重建的基于骨密度的模型以及采用的超彈性材料椎間盤與韌帶可精確模擬其在生理條件下特性。生物力學特性與體外

14、生物力學實驗應用標本相近，為胸段脊柱生物力學研究提供了有效的操作平臺。
　　2.后方韌帶復合體的組成結構對維持脊柱運動單元的穩(wěn)定性具有重要意義。在脊柱后路融合內固定手術中，應對上端融合椎下第一節(jié)段的棘上韌帶以及棘間韌帶予以保留。而其下一節(jié)段棘上、棘間韌帶的保留意義相對較小。
　　3.本研究證實在后路全椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)固定的條件下，不應在近端交界區(qū)頭側兩個固定椎體進行Smith-Peterson截骨。
　　4.本研究