半脊椎所致先天性脊柱側凸有限元建模及三維矯形生物力學研究.pdf

1、目的：探討基于患者CT圖像建立個體化的半脊椎所致先天性脊柱側凸三維有限元模型的方法，運用建立的模型仿真模擬半脊椎所致先天性脊柱側凸三維矯形手術，分析研究半脊椎切除后，選擇不同手術方式的矯形效果和生物力學特點，為優(yōu)化臨床治療方案提供理論依據(jù)。
　　 方法：選擇1名13歲女性半脊椎所致先天性脊柱側凸志愿者作為研究對象。取仰臥位，使用螺旋CT從T1上緣至骶骨以1mm間距進行連續(xù)掃描，獲得Dicom格式CT圖像507張。導入逆向工程軟件

2、Mimics10.01，建立包括胸-腰-骶椎和胸廓等結構的完整脊柱側凸三維幾何模型，并對模型進行幾何清理，初步劃分殼單元網(wǎng)格。然后導入有限元前處理軟件HyperMesh8.0做網(wǎng)格質量控制和實體單元劃分，參照文獻賦予模型材料屬性，生成完整的脊柱側凸三維有限元模型。將模型的正側位視圖與臨床仰臥位正側位X線片對比，并在建立的模型中提取T1-T4、T5-T8、L1-L4和L1-S1四個脊柱節(jié)段，分別參照文獻報道的體外實驗對有限元節(jié)段模型進行約

3、束加載，將加載結果與各自參照的體外實驗結果進行比較，驗證模型的有效性。運用模型進一步模擬臨床左右側屈位實驗，與臨床實際進行對比研究，按正交試驗設計，通過直觀分析法，優(yōu)化模型參數(shù)，實現(xiàn)模型的個體化生物力學屬性。利用建立的個體化半脊椎所致先天性脊柱側凸三維有限元模型，仿真模擬半脊椎切除術、前路或后路螺釘固定三維矯形技術，初步探討選擇前路或后路固定矯形，以及不同節(jié)段固定的矯形效果和生物力學特征。
　　 結果：建立了完整的半脊椎所致先天

4、性脊柱側凸三維有限元模型，包括胸-腰-骶椎、椎間盤、胸廓及脊柱所有韌帶、關節(jié)結構。模型共采用4種單元類型，14種材料性質，共劃分節(jié)點109936個，四面體單元411988個，殼單元87847個，線纜單元690個和桿單元138個。模型逼真地描繪了患者脊柱的結構特點，其正位、側位曲線與臨床X線片脊柱曲線完全吻合；T1-T4、T5-T8、L1-L4和L1-S1各節(jié)段有限元模型加載結果與各自參照的體外實驗結果非常接近，誤差均小于10％。通過參數(shù)

5、優(yōu)化，選出了模型與臨床實驗差異性最小的參數(shù)組合：A2B1C1，即該脊柱側凸有限元模型胸段、胸腰段和腰段椎間盤材料屬性的系數(shù)為別為1，0.2，0.2，此時模型在左、右側屈位和站立位的模擬效果與臨床實際無明顯統(tǒng)計學差異(P＞0.05)。順利完成手術模擬操作，結果顯示，半脊椎切除后，后路固定矯形效果好于前路固定矯形，特別是對后凸角的矯正，矯正率均大于50％；后路短節(jié)段固定矯形與長節(jié)段固定矯形在對脊柱側后凸矯形效果上相差不大，差異值小于5°。<

6、br>　　 結論：本研究應用計算機輔助工程軟件，首次建立了基于志愿者CT圖像的完整半脊椎所致先天性脊柱側凸三維有限元模型，并對模型進行了有效性驗證和參數(shù)優(yōu)化，成功仿真模擬了半脊椎所致先天性脊柱側凸的三維矯形手術，基于該患者個體化手術模擬結果表明，后路短節(jié)段固定矯形為最佳治療方案。這種有限元分析方法能夠為脊柱側凸的生物力學研究提供量化指標，幫助醫(yī)生預測患者的矯形過程和效果，并能針對具體患者進行個體化的仿真模擬操作和生物力學分析，為臨床實