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PUMC ⅡD_Ⅱ型青少年特发性脊柱侧凸仿真模型和有限元模型的建立和相关生物力学分析

汪学松  
【摘要】: 研究目的: 1、利用相关的医学建模软件mimics建立PUMCⅡd_Ⅱ型AIS医学仿真模型,并利用其测量学工具,评价其临床使用意义。 2、利用有限元分析软件abaqus建立PUMCⅡd_Ⅱ型AIS三维有限元模型,并进行相关的AIS力学分析。 3、利用获得AIS有限元模型,选取其中的短节段胸弯(T6-11),评价单纯凹侧撑开、单纯凸侧加压、同时凹侧撑开凸侧加压、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开5种方法的AIS矫形效果。 4、利用获得PUMCⅡd_Ⅱ型AIS有限元模型(T5-S),验证PUMCⅡd_Ⅱ型AIS手术治疗最佳融合节段,用于指导临床。 研究方法: 1、获得PUMCⅡd_Ⅱ型AIS病人的CT资料,导入医学建模软件mimics11.11,进行分割、填充、表面网格化、光顺处理后,获得医学仿真模型,并在模型上利用mimics的测量工具演示测量的方法。 2、利用获得PUMCⅡd_Ⅱ型AIS病人医学仿真模型,导入有限元分析软件abaqus6.7,通过表面网格体网格化、定义材质属性、定义接触、定义连接、模拟韧带等建立PUMCⅡd_Ⅱ型AIS病人有限元分析模型(T1-S)。 3、利用获得的短节段胸弯(T6-11)有限元模型,分别以单纯凹侧撑开、单纯凸侧加压、同时凹侧撑开凸侧加压、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开5种方法在abaqus内模拟椎弓根螺钉矫形,于端椎椎弓根内分别赋予50N、100N、150N载荷,比较T6椎体的Y、Z轴位移变化,分别代表后凸和侧凸的矫正效果。 4、利用获得PUMCⅡd_Ⅱ型AIS有限元模型(T5-S),分别模拟上胸弯融合、下腰弯融合和双弯融合方式,在侧弯凹侧端椎椎弓根内分别赋予5N、10N、20N、50N、100N、200N载荷,分别比较端椎T5和T11在Z轴的位移以及二者之间的差值,以T5位移代表双弯矫形效果,以T11位移代表下腰弯矫形效果,二者差值(T5-T11)代表上胸弯矫形效果。 研究结果: 1、成功的建立了PUMCⅡd_Ⅱ型AIS医学仿真模型和有限元分析模型。 2、对于短节段胸弯,比较T6在Z轴位移:单纯凹侧撑开优于单纯凸侧加压、同时凸侧加压+凹侧撑开、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开。同时凸侧加压+凹侧撑开、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开T6在Z轴位移相同,同时三者的T6在Z轴位移大于单纯凸侧加压。也即,对侧弯冠状面的矫正,即单纯凹侧撑开>同时凸侧加压+凹侧撑开=先凹侧撑开后凸侧加压=先凸侧加压后凹侧撑开>单纯凸侧加压。 3、对于短节段胸弯,比较T6在Y轴位移:单纯凸侧加压优于单纯凹侧撑开、同时凸侧加压+凹侧撑开、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开。同时凸侧加压+凹侧撑开、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开优于单纯凹侧撑开。也即,单纯凸侧加压。>同时凸侧加压+凹侧撑开=先凹侧撑开后凸侧加压=先凸侧加压后凹侧撑开>单纯凹侧撑开。同时凸侧加压+凹侧撑开、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开T6在Y轴无明显位移。 4、对于短节段胸弯,单纯凹侧撑开T6在Y轴无明显位移,相反一定程度上可以导致T6在Y轴负向产生位移。 5、对于PUMCⅡd_Ⅱ型侧弯。T5在Z轴位移:双弯矫型较单纯上弯或者下弯矫形融合大。 6、单纯在下腰弯撑开矫形纠正PUMCⅡd_Ⅱ型侧弯时,T5-T11为较小的正值;单纯在上胸弯撑开矫形纠正PUMCⅡd_Ⅱ型侧弯时,T11在Z轴位移为正值,同样载荷条件下,单纯在上胸弯撑开的T5在Z轴位移大于单纯在下腰弯撑开。 7、三种载荷对于T5-T11:双弯撑开矫形>单纯上胸弯撑开矫形>单纯下腰弯撑开矫形。 8、三种载荷对于T11在Z轴位移:双弯撑开矫形>单纯下腰弯撑开矫形>单纯上胸弯撑开矫形。 研究结论: 1、利用计算机软件mimics成功地建立特发性脊柱侧弯的仿真模型,并可以利用其强大的测量功能得到以下临床需要的测量数据,指导临床医生手术。 2、利用计算机软件abaqus成功地建立特发性脊柱侧弯的有限元模型,为下一步进行生物力学分析提供很好的模型。 3、利用得到的特发性脊柱侧弯短节段胸弯有限元模型(T6-T11)得到如下结论: (1)侧弯冠状面的矫正效果:单纯凹侧撑开>同时凸侧加压+凹侧撑开=先凹侧撑开后凸侧加压=先凸侧加压后凹侧撑开>单纯凸侧加压。 (2)对矢状面后凸的矫正,单纯凸侧加压>同时凸侧加压+凹侧撑开=先凹侧撑开后凸侧加压=先凸侧加压后凹侧撑开>单纯凹侧撑开。 (3)同时凸侧加压+凹侧撑开、先凹侧撑开后凸侧加压、先凸侧加压后凹侧撑开对后凸基本上没有矫正作用。 (4)单纯凹侧撑开无明显的后凸矫正作用,相反一定程度上可以导致后凸减小,甚至产生前凸。单纯凸侧加压无明显的前凸矫正作用,相反一定程度上可以导致前凸减小,甚至产生后凸 4、利用特发性脊柱侧弯PUMCd_ⅡT5-S节段双弯有限元模型我们得到: (1)对于PUMCⅡd_Ⅱ型侧弯,双弯矫型内固定较单纯上弯或者下弯矫形融合内固定效果好。 (2)单纯在下腰弯撑开矫形纠正PUMCⅡd_Ⅱ型侧弯时,对上弯也有轻度的矫正作用;单纯在上胸弯撑开矫形纠正PUMCⅡd_Ⅱ型侧弯时,对下腰弯也有轻度的矫正作用,同样载荷条件下,单纯在下腰弯撑开的整个侧弯的矫正效果强于单纯在上胸弯撑开矫形效果。 (3)三种载荷对于上胸弯的矫正效果:双弯撑开矫形>单纯上胸弯撑开矫形>单纯下腰弯撑开矫形。 (4)三种载荷对于下腰弯的矫正效果:双弯撑开矫形>单纯下腰弯撑开矫形>单纯上胸弯撑开矫形。 5、三维有限元分析法可以作为一种很有效的方法应用于脊柱侧弯畸形矫正生物力学分析,为临床开创了一种虚拟的、无创的验证方式,可以优化手术方案。


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