Lenke1A-型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元模型建立及其生物力學(xué)研究.pdf

1、青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸( adolescent idiopathic scoliosis，AIS)在青少年中的發(fā)病率約為2％～3％，嚴(yán)重威脅著青少年的身心健康。其治療方法較前大有改進(jìn)，療效也明顯提升。但是，很多問題仍有待進(jìn)一步研究，其中脊柱側(cè)凸的生物力學(xué)研究是最為重要的一方面。脊柱生物力學(xué)研究方法有多種，包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)、尸體實(shí)驗(yàn)等。脊柱側(cè)凸在自然界的動(dòng)物中尚未發(fā)現(xiàn)，模型選材困難，而脊柱側(cè)凸的人體標(biāo)本獲取更是困難。隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)

2、展，有限元法已經(jīng)迅速發(fā)展成為一種現(xiàn)代計(jì)算方法。其可在研究中重復(fù)，并可改變?nèi)魏钨|(zhì)量與定量變化，同時(shí)提供了局部以及內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)制。 Hueter-Volkmann定律認(rèn)為：骨骼所受到的應(yīng)力增加，骨的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制；骨骼所受到的應(yīng)力減小，骨的生長(zhǎng)就會(huì)加速。上述定律可解釋AIS在生長(zhǎng)高峰時(shí)側(cè)凸的進(jìn)展。而支具就是通過施加矯形力將凸側(cè)和凹側(cè)的椎間盤應(yīng)力平衡，從而達(dá)到治療效果的。在本次研究中我們選取一名青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者，Lenke

3、分型1A-型(PUMC分型IIa型)，Risser征3級(jí)，通過建立特發(fā)性脊柱側(cè)凸的有限元模型，研究不同矯形力的生物力學(xué)特性，并模擬支具治療后椎間盤凸側(cè)、凹側(cè)應(yīng)力的分布變化，預(yù)測(cè)支具治療的效果，為AIS的生物力學(xué)研究提供一個(gè)量化指標(biāo)。 第一章 目的： 建立青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸的三維有限元模型，并驗(yàn)證模型的有效性，為下一步研究提供平臺(tái)。 方法： 選取一名青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者，螺旋CT對(duì)其脊柱進(jìn)行層

4、厚1mm的連續(xù)掃描，以Dicom格式文件儲(chǔ)存所得的掃描圖像。用Mimics軟件生成脊柱側(cè)凸的三維幾何模型，導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格賦予特定的材料屬性。將患者建立的模型與仰臥位、站立位、仰臥左右側(cè)屈位X線片進(jìn)行比較，并選取T12-L2、L3-Sl節(jié)段與相關(guān)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究相比較。 結(jié)果： 1、仰臥位、站立位、仰臥左、右側(cè)屈位X線片的Cobb角分別為31°、40°、44°、19°，而有限元模型中相應(yīng)

5、的角度分別為30°、41°、40°、20°。 2、椎體質(zhì)心偏離骶骨中線的距離：仰臥位、站立位、仰臥左右側(cè)屈位X線片與有限元模型相比較，P>0.10，可以認(rèn)為兩者沒有差別。 3、T12-L2、L3-S1節(jié)段與相關(guān)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究相比較，平均剛度均在相關(guān)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi)。 結(jié)論： 1、基于CT掃描的Dicom格式文件，采用Mimics及Hypermesh軟件，構(gòu)建了T1至骶骨的青少年脊柱側(cè)凸有限元模

6、型，該模型包括了T1至骶骨的所有椎體、椎間盤、韌帶，同時(shí)還包括了胸廓的肋骨、肋軟骨及胸骨。 2、將該模型與臨床仰臥位、站立位、仰臥左、右側(cè)屈位X線片及體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果顯示X線片與模型符合程度高，充分說明了該模型的可靠性和有效性，為脊柱側(cè)凸生物力學(xué)的進(jìn)一步研究提供了數(shù)值化平臺(tái)。 第二章 目的： 利用上一章節(jié)所建立的脊柱側(cè)凸有限元模型，研究不同矯形力的生物力學(xué)特性。 方法：

7、 1、胸1椎體約束X、Y方向的移動(dòng)，固定骨盆，限制其X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)。于頂椎凸側(cè)所對(duì)應(yīng)的三根肋骨側(cè)面均勻施加20N，40N，60N大小的力，觀察矯形效果。 2、限制胸1椎體約束X、Y方向的移動(dòng)，固定骨盆，限制其X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)。在胸1椎體上加載100N，200N，400N的撐開力，觀察矯形效果。 3、限制胸1椎體約束X、Y方向的移動(dòng)，固定骨盆，限制其X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)。在胸8、胸9椎體上加載總共大小

8、為10N.m，20N.m，40N.m的旋轉(zhuǎn)力矩，觀察矯形效果。 結(jié)果： 1、施加20N、40N、60N的橫向矯正力時(shí)，胸彎的Cobb角度由最初仰臥位的31度分別減少至26°、20°、15°，頂椎旋轉(zhuǎn)角度減小了1.234°、2.501°、3.674°。 2、加載100N、200N、400N撐開力后，側(cè)彎的Cobb角度分別減少至25°、18°、13°，頂椎旋轉(zhuǎn)角度減小了0.09°、0.21°、0.33°。 3

9、、在T8至T9這兩個(gè)椎體加載總共大小為10N.m、20N.m、40N.m的旋轉(zhuǎn)力矩后，脊柱的Cobb角度分別減少至26°、24°、25°，頂椎旋轉(zhuǎn)角度減小了10.781°、18.423°、30.795°。 結(jié)論： (1)利用有限元方法分析不同矯形力的生物力學(xué)特點(diǎn)，為臨床器械矯形及支具治療提供生物力學(xué)依據(jù)。 (2)利用有限元方法研究脊柱側(cè)凸的矯形力，為脊柱側(cè)凸三維矯形提供了全域性和區(qū)域性的量化指標(biāo)。 (3)

10、側(cè)凸畸形的Cobb角度較小時(shí)，橫向矯形力對(duì)側(cè)凸畸形矯正效率高于撐開力。 (4)三種不同矯形力對(duì)三維矯形的效率不相同：施加撐開力、橫向矯形力主要起脊柱去旋轉(zhuǎn)的作用，而旋轉(zhuǎn)力主要起椎體去旋轉(zhuǎn)的作用。 第三章 目的： 利用已建立的脊柱側(cè)凸模型，分析支具治療后椎間盤凸側(cè)、凹側(cè)椎間盤應(yīng)力分布的變化，預(yù)測(cè)支具治療效果。 方法： 1、站立位下脊柱生物力學(xué)特點(diǎn) 約束條件：固定骨盆，限制其在各個(gè)方向

11、的活動(dòng)，在椎體各個(gè)節(jié)段施加相應(yīng)的重力載荷。 觀察并測(cè)量椎間盤應(yīng)力、韌帶應(yīng)力分布情況，預(yù)測(cè)1年后椎體增加的高度及椎體契形病變角度。 2、支具矯形效果 約束條件：為達(dá)到較好的模擬佩戴支具條件下的工況，需固定骨盆，約束其X、Y、Z軸三個(gè)方向的活動(dòng)，限制T3、T4的肋骨在X、Y方向的活動(dòng)。 施加載荷：在椎體各個(gè)節(jié)段施加相應(yīng)的重力載荷，再在T8、T9、T10椎體凸側(cè)的肋骨上施加橫向力，力的大小分別為ON、10N、2

12、0N、30N、40N、60N、80N、100N。 觀察并計(jì)算凸側(cè)和凹側(cè)椎間盤平均應(yīng)力變化、凸/凹應(yīng)力比值，預(yù)測(cè)1年后椎體增加的高度及椎體契形病變角度。 結(jié)果： 1、站立位下，患者T6-T11之間的椎間盤凹側(cè)應(yīng)力值高于凸側(cè)，凸/凹側(cè)應(yīng)力比值均小于1，T8/9椎間盤凸/凹側(cè)應(yīng)力比值最小，為0.230 2、隨著施加橫向矯形力的增加，T6-T11之間的椎間盤凸/凹側(cè)應(yīng)力比值也相應(yīng)的增加，當(dāng)施加的力達(dá)到30N時(shí)，T

13、6/7椎間盤凸/凹側(cè)應(yīng)力比值達(dá)到了1.00，而T8/9、T9/10椎間盤凸/凹側(cè)應(yīng)力比值在施加100N力時(shí)，仍小于1。 3、隨著橫向矯形力的增加，T6-T11之間椎體的契形病變逐漸減小，預(yù)計(jì)1年后總的椎體契形病變也呈減小趨勢(shì)。其中在加載100N矯形力后，主胸彎椎體契形病變角度總和被逆轉(zhuǎn)為負(fù)數(shù)。 結(jié)論： (1)首次利用有限元方法研究脊柱側(cè)凸椎間盤凸、凹側(cè)應(yīng)力值，并應(yīng)用凸、凹側(cè)應(yīng)力值預(yù)測(cè)支具治療的效果，為預(yù)測(cè)支具治療