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漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形数值模拟计算模型的研究

张春月  
【摘要】:漏斗胸是医学中较为常见的胸廓畸形疾病,且临床中发现,漏斗胸患者常会伴随脊柱侧弯症状。相关研究证实,胸骨内凹方向与脊柱侧弯方向属于同侧畸形时,矫形手术后,脊柱侧弯畸形得到改善;反之,脊柱侧弯畸形加重。目前通过建立有限元计算模型进行数值模拟预测微创矫形效果和指导临床矫形手术方案的设计已经得到了应用,对于提高治疗效果起到了积极作用。用于数值模拟的胸廓计算模型包括:基于三维重建的实体计算模型以及基于梁单元的计算模型。其中通过三维重建得到的实体模型具有建模准确,计算精度高的优点,但建模方法复杂,建模周期长,病人入院后需要等待较长时间,不能适应临床矫形手术方案快速设计的需要;基于梁单元的计算模型具有建模方法简单,建模周期短的优点,研究中已经发现梁单元模型预测的脊柱侧弯矫形结果与临床结果差距较大,有报道称数值模拟预测脊柱侧弯得到改善的患者手术后却加重了脊柱侧弯,因此梁单元模型在预测脊柱侧弯变形结果中存在较大误差。综上所述,发展一种既能快速建模又能准确预漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形手术后结果的计算模型对于提高治疗效果以及促进数值模拟方法在临床手术方案设计中的应用具有重要意义。文中发展了一种基于患者胸廓模型结构和尺寸创建胸廓三维实体简化计算模型的方法,大幅度缩短了胸廓模型的建模时间,保留了三维重建实体模型计算精度高的优点。文中采用一位漏斗胸合并脊柱侧弯患者的CT影像资料分别建立了三维重建实体模型,梁单元模型和三维实体简化模型三种计算模型,采用三种计算模型模拟了漏斗胸微创矫形过程。将数值模拟计算结果与临床微创矫形手术后结果进行对比发现,三种计算模型均能准确地预测胸骨的抬高位移,但是三种计算模型预测的脊柱侧弯矫形结果差别明显,其中采用三维重建实体计算模型与采用三维实体简化模型预测的脊柱侧弯的矫形结果与临床矫形手术后结果十分接近,但是采用梁单元计算模型预测的脊柱侧弯矫形结果与临床结果还存在较大的差距。为解释三种计算模型数值模拟结果产生差异的原因,文中定义了一种由椎体和肋骨组成的组合体模型,以影响胸廓变形较大的第六节胸椎和第六对肋骨的组合体为研究对象,研究了组合体模型的生物力学特性,组合体模型的椎体和肋骨分别通过三维重建,三维实体简化模型和梁单元创建。计算结果显示:梁单元模型的组合体的位移与应力分布与三维重建实体模型和三维实体简化模型的结果有明显差别。目前,国际上对漏斗胸病例的分型相对粗糙,只有同侧和异侧两大类,作者在研究中发现,脊柱侧弯位置的高低也会明显影响微创矫形的结果。文中作者将漏斗胸的分型从同侧和异侧两类扩展为四类,包括同侧上,同侧下,异侧上和异侧下。本文中采用作者提出的三维简化实体模型的建模方法对同侧上、下和异侧上、下四种漏斗胸畸形微创矫形过程进行了系统地参数研究,分析比较了矫形手术对胸骨抬高位移和脊柱侧弯变形的影响。数值模拟结果显示,四类畸形中,胸廓模型经矫形后胸骨明显抬高,且漏斗胸症状得以改善;在脊柱侧弯的结果中,若胸骨凹陷方向与脊柱侧弯方向为异侧时,矫形手术会加重脊柱侧弯变形;如果胸廓凹陷方向与脊柱侧弯方向为同侧时,矫形手术可能缓解也可能加重脊柱侧弯症状,产生这种结果的原因主要与脊柱侧弯发生的位置有关。


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