收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

Lenke 2型特发性脊柱侧凸有限元建模及三维矫形手术的有限元模拟研究

刘祥胜  
【摘要】:【背景】 对于Lenke2型AIS患者,其结构性上胸弯的存在是影响双肩平衡的主要因素。术前可表现为左肩高、右肩高或双肩等高。是同时固定融合主胸弯和上胸弯,还是选择性融合主胸弯,上胸弯能够代偿主胸弯的矫正而产生自发性矫正,这是术前矫形策略决定的重要组成部分。其上胸弯融合策略的正确选择对恢复患者双肩平衡和提高患者手术满意度有着非常重要的意义。King等将该型归为King V型,认为矫形时应同时融合上胸弯和主胸弯。Puno等也持相同观点,认为对于于Lenke2型患者而言,融合双弯可以在矫正T1倾斜的同时获得更好的术后双肩平衡。而Winter等则认为矫形术前双肩等高或右肩高时可行选择性主胸弯融合,但术中应防止主胸弯过度矫正引起术后失代偿;若术前左肩高则应同时融合上胸弯。Suk等报告上胸弯Cobb角>25°,但当右肩高于左肩时可选择性融合主胸弯,术后并未出现上胸弯畸形加重。Kuklo等认为前路选择性主胸弯融合术可获得比后路矫形手术更好的上胸弯自发性矫正。随着内固定器械的革新及三维矫形理论的发展,全椎弓根钉技术被广泛运用于脊柱侧凸矫形,对双胸弯的诊断标准和上胸弯融合范围的选择也不断发生变化。目前对于Lenke 2型AIS是否能采用选择性胸主弯融合术,不同后路上端融合椎策略的选择以及手术入路等问题,临床上仍存在较大争议。 有限元法是一种利用人体二维断层解剖图像如CT图像、MRI图像进行三维立体几何建模的数字模拟技术,是对传统体外实验生物力学研究的突破和有益补充。利用有限元法建立的脊柱侧凸三维模型可提供有关解剖学测量、力学计算和手术方案的仿真模拟,为实现个体化的矫形手术方案提供了模型平台。目前关于脊柱侧凸手术矫形的有限元模拟多集中在后路90°去旋转手术,前路手术或前、后路不同手术方案对比的有限元模拟研究报道甚少。 【目的】 本研究利用高精度螺旋CT扫描成像,应用计算机辅助工程软件处理分析,建立包括胸廓在内的完整Lenke2型特发性脊柱侧凸(AIS)个体化的三维有限元模型,进一步对模型的材料性质进行参数优化并验证模型的有效性。运用建立的模型分别仿真模拟Lenke2型AIS的前路、后路手术矫形操作,分析五种不同手术方案的矫形效果和生物力学特点,为Lenke2型AIS的临床手术矫形方案优化提供理论依据。 【方法】 1.三维有限元模型的建立 对l例16岁男性Lenke2型青少年特发性脊柱侧弯志愿者,行仰卧位C7至骶尾骨的连续螺旋CT扫描,将获得的CT图像导入医学建模软件Mimics10.0,通过一系列模块的处理后获得医学三维仿真模型,对模型进行几何清理。再将清理后的医学仿真模型导入有限元分析软件Ansys11.0,利用软件的前处理工具进行网格划分,定义接触与连接,参照文献定义材质属性,添加椎间盘、各种韧带、肋软骨等,建立Lenke2型AIS患者的三维有限元模型。 2.有限元模型的参数优化和有效性验证 将上胸弯、主胸弯、腰段等3个区域的椎间盘材料属性分为柔软型、中间型和僵硬型三个水平,系数分别为0.2、1、8。按照正交试验设计进行三因素三水平分析,找出使模拟结果和实际差异最小的系数搭配,进而生成优化的个体化模型。将仰卧位的优化模型进行加载,模拟出左右侧屈位,并分别与实际对应的X线片比较几何外形、冠状面Cobb角度和各椎体质心与CSVL的偏移距离。在优化的模型中提取T10-T11、T12-L2、L4-L5三个节段,分别参照同类体外实验对有限元节段模型进行约束加载,并将加载结果与各自参照的体外实验结果进行对比,验证模型的有效性。 3.不同矫形方案的手术操作模拟 分别模拟前路选择性胸主弯融合钉棒系统固定矫形(端-端融合),后路选择性胸主弯融合(上端融合椎为T5)、后路部分融合上胸弯(上端融合椎为T3、T4)和完全融合上胸弯(上端融合椎为T2)的全节段椎弓根螺钉固定矫形,在位移差异、成角变化及双肩平衡参数等多个水平比较了五种手术方案的效果差异,对目前临床上争论比较多的后路上端固定椎选择、能否进行主胸弯选择性融合以及手术入路的选择进行了细致的生物力学分析。 【结果】 1.成功建立了完整的Lenke2B-型AIS三维有限元模型,包括C7、12节胸椎、5节腰椎、椎间盘、骶尾骨、胸廓、锁骨、肩胛骨及脊柱所有韧带、关节结构。模型共采用3种单元类型,15种材料性质;共包括638505个实体单元,32152个壳单元,634个Link单元,共计671291个单元,建立的模型与该患者的脊柱全长X线片的脊柱几何形态相似性非常好。 2.正交试验结果显示使模型和实际差异最小化的最佳组合是:椎间盘属性在上胸段为8,主胸段为8,腰段为0.2。验证结果:优化后各体位的有限元模型Cobb角度与脊柱全长X线片相比较,角度最大相差2°;椎体质心偏离骶骨中垂线的距离:仰卧位脊柱全长X线片、仰卧位左右侧屈位X线片与有限元模型相比较,P>0.05,两者之间无明显差别;T10-T11、T12-L2、L4-L5三个节段与相关的体外生物力学实验研究相比较,活动范围均在相关生物力学实验研究的范围内。 3.五种不同矫形方案有限元模拟术后的上胸弯冠状面Cobb角和矫形率分别为:21.5(44.8%)、26.5(32.1%)、28.1(27.9%)、34.1(12.5%)、32(17.9%),各矫形方案的主胸弯矫正率无明显差别。胸椎矢状面生理后凸得以维持。五种矫形方案术后各双肩平衡参数较术前有所升高,除方案A(上端固定椎为T2)外,其余各方案的喙突高度差均>9mm,锁骨角均>2.5°,锁骨倾斜角差均>4.5°。 【结论】 1.基于患者断层CT数字图像,利用有关计算机数字建模软件建立的Lenke2B-型AIS三维有限元模型外观逼真,几何相似性非常好,为脊柱侧凸的矫正手术的有限元分析提供了有效的操作平台。 2.经参数优化的有限元模型顺利地通过有效性验证,真实反映了本例脊柱侧凸患者个体化的生物力学属性。 3.成功实现了Lenke2型AIS的后路90°去旋转和前路单纯凸侧节段性加压矫形的有限元模拟。有限元模拟为Lenke2型AIS各种矫形手术方案的优化和治疗效果的正确评价提供了理论依据。 4.通过有限元模拟研究表明:对于左肩高的含结构性上胸弯Lenke2型AIS,后路完全融合上胸弯和主胸弯(上端固定椎为T2),可取得上胸弯、主胸弯良好的三维矫形和双肩平衡。后路部分融合上胸弯(上端固定椎为T3、T4),上胸弯的矫正率稍差,术后容易出现轻度~中度双肩失平衡。前路或后路选择性胸主弯融合,上胸弯的自发矫正率低,难以恢复上胸弯的正常脊柱序列,术后容易导致轻度~中度双肩失平衡。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 周萍;;特发性脊柱侧凸经椎弓根固定三维矫形病人围术期的护理[J];护理研究;2010年03期
2 李明,陈强,倪春鸿,侯铁胜,朱晓东,王善松,赵新刚,刘洋;King Ⅱ型特发性脊柱侧凸的手术治疗[J];中国脊柱脊髓杂志;2004年07期
3 殷翔;许建中;周强;贾全章;吴兴军;方青;;椎弓根螺钉固定三维矫治特发性脊柱侧凸的疗效[J];第三军医大学学报;2007年14期
4 顾苏熙;杨晓明;方秀统;李明;;有限元法在脊柱侧凸生物力学研究中的应用进展[J];中国脊柱脊髓杂志;2008年06期
5 柴军;王淑清;陈亮;秦冬雪;朱万安;王静;;16-MSCT在特发性脊柱侧凸三维矫形术前的临床应用[J];当代医学;2010年11期
6 庞立;肖增明;黄仲麒;毕剑恒;李世德;曾毅军;;手术治疗脊柱侧凸41例[J];广西医科大学学报;1991年04期
7 王嵘;邱勇;;姿势反射失衡在脊柱侧凸发病中的作用[J];中国脊柱脊髓杂志;2006年03期
8 邱贵兴;赵宇;;婴幼儿特发性脊柱侧凸[J];继续医学教育;2006年12期
9 孙长英;贺达仁;张宏其;;青少年特发性脊柱侧凸后路矫正的思考[J];医学与哲学(临床决策论坛版);2006年11期
10 陈维钧;;哈灵顿(Harrington)手术矫正脊柱侧凸的护理[J];中国实用护理杂志;1985年12期
11 孙旭;朱泽章;王斌;邱勇;;Chiari畸形和(或)脊髓空洞合并脊柱侧凸的临床特征[J];中华外科杂志;2007年08期
12 金萍;张晓琳;;严重脊柱侧凸5例围术期护理体会[J];齐鲁护理杂志;2007年12期
13 韦兴;朱方正;史亚民;;特发性脊柱侧凸的生物力学研究进展[J];中国骨肿瘤骨病;2008年04期
14 陶有平;吴继功;马华松;邹德威;;支具治疗青少年特发性脊柱侧凸的研究进展[J];中国矫形外科杂志;2011年01期
15 周良安;脊柱特发性侧凸的临床评价[J];中国矫形外科杂志;2005年13期
16 芦淼;陈庆贺;;椎弓根钉系统治疗特发性脊柱侧凸的临床应用[J];中国组织工程研究与临床康复;2008年09期
17 上官磊;贺石生;李明;;特发性脊柱侧凸病因学中基因研究的进展[J];中国脊柱脊髓杂志;2008年04期
18 曹兴兵;邱勇;;马凡综合征所伴脊柱侧凸的自然史及干预措施[J];中国脊柱脊髓杂志;2009年06期
19 吕国华;;儿童Ⅰ型神经纤维瘤病性脊柱侧凸的自然史及其治疗选择[J];中国脊柱脊髓杂志;2010年05期
20 包聚良;屠开元;;特发性脊柱侧凸的保守治疗[J];神经损伤与功能重建;1986年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张宏其;郭超峰;陈凌强;刘少华;陈静;;单纯后路手术与前后路联合手术治疗100°以上重度特发性脊柱侧凸的疗效比较[A];第八届全国脊柱脊髓损伤学术会议论文汇编[C];2007年
2 张锦涛;何大为;高娟;于秀淳;王传峰;陈子强;李明;;特发性脊柱侧凸患者手术干预或非手术干预的生活满意度(英文)[A];第十九届中国康协肢残康复学术年会论文选集[C];2010年
3 白晓明;项顶;付方贞;周雅媛;;康复治疗特发性脊柱侧凸10例[A];中国康复医学会第十一次全国颈椎病学术会议论文集[C];2009年
4 谈晓芳;;脊柱前路矫形术治疗特发性脊柱侧凸的护理[A];全国第四届骨科护理学术交流暨专题讲座会议论文汇编[C];2002年
5 郝定均;贺宝荣;吴起宁;王晓东;刘团江;宋宗让;;前路和后路手术治疗胸腰段特发性脊柱侧凸的临床研究[A];第一届全国脊髓损伤治疗与康复研讨会暨中国康复医学会脊柱脊髓损伤专业委员会脊髓损伤与康复学组成立会论文汇编[C];2009年
6 邱贵兴;;特发性脊柱侧凸的PUMC(协和)分型[A];第八届全国骨科新进展、新技术学习班讲义汇编[C];2005年
7 秦柳花;谭荣;海涌;周建伟;;特发性脊柱侧凸患者社会生活质量自我评价调查研究[A];泛长江流域骨科新进展暨第九届全国骨科护理研讨会论文汇编[C];2007年
8 王斌;夏才伟;邱勇;俞杨;朱泽章;钱邦平;朱锋;马薇薇;;青少年特发性胸椎侧凸后路矫形胸廓成形术后肋骨自然再生动态研究[A];第二届华东地区骨科学术大会暨山东省第九次骨科学术会议论文汇编[C];2007年
9 朱锋;邱勇;杨晓恩;李广文;秦岭;郑振耀;;特发性脊柱侧凸患者骨组织唾液酸蛋白表达[A];第八届全国脊柱脊髓损伤学术会议论文汇编[C];2007年
10 李波;周焯家;田晓滨;罗春山;;KingⅢ型特发性脊柱侧凸经胸侧前方椎体三维矫形术[A];2009第一届贵州骨科论坛论文汇编[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈凌强;Lenke 6型特发性脊柱侧凸有限元建模及后路三维矫形的生物力学研究[D];中南大学;2010年
2 刘祥胜;Lenke 2型特发性脊柱侧凸有限元建模及三维矫形手术的有限元模拟研究[D];第二军医大学;2012年
3 陈自强;特发性脊柱侧凸柔韧性影响因素研究和评估方法的生物力学有限元分析[D];第二军医大学;2012年
4 段兴威;特发性脊柱侧凸生长板相关蛋白质组学研究[D];吉林大学;2010年
5 赵栋;CALM1基因、ER1基因SNP多态性与青少年特发性脊柱侧凸的关联性研究[D];中国协和医科大学;2007年
6 汪学松;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[D];中国协和医科大学;2008年
7 赵迪;成人退变性脊柱侧凸有限元模型的建立及后路三维矫形生物力学研究[D];中南大学;2010年
8 杨滔;特发性脊柱侧凸遗传流行病学调查及染色体19P13.3区域内候选易感基因SH3GL1、GADD45B、FGF22外显子测序分析[D];第三军医大学;2012年
9 刘正;CALM1基因SNP多态性与青少年特发性脊柱侧凸遗传易感性的关联研究[D];中国协和医科大学;2008年
10 刘少华;半脊椎所致先天性脊柱侧凸有限元建模及三维矫形生物力学研究[D];中南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 成功;借助三维重建建立特发性脊柱侧凸新分型[D];广州医学院;2010年
2 王昊明;后路椎弓根螺钉系统治疗特发性脊柱侧凸的临床疗效研究[D];延边大学;2010年
3 盛文辉;手工测量特发性脊柱侧凸Cobb角的一致性评价[D];新疆医科大学;2010年
4 王瑶;经后路单纯矫形融合治疗有神经症状伴退变成人特发性脊柱侧凸的临床研究[D];中南大学;2010年
5 宫宇宝;三维矫形治疗伴有脊髓空洞症的脊柱侧凸[D];吉林大学;2005年
6 闫明;一期后路半椎体切除三维矫形治疗先天性脊柱侧凸[D];吉林大学;2006年
7 陈小明;青少年特发性脊柱侧凸经不同手术方法矫形融合治疗术后肺功能的变化及意义[D];中南大学;2008年
8 柴军;多平面重组技术研究特发性脊柱侧凸椎弓根形态的可行性及其临床价值[D];吉林大学;2005年
9 陈旭琼;特发性脊柱侧凸椎旁肌的细胞骨架和胶原蛋白的表达[D];第一军医大学;2007年
10 陈仲夷;青少年特发性脊柱侧凸Lenke5型前路矫形术19例临床分析[D];浙江大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 通讯员 邱志涛;三维矫形 腰杆挺直[N];解放日报;2010年
2 本报记者 于冰 邱贵兴;至诚克难攀高峰[N];经济日报;2010年
3 ;青少年轻度特发性脊柱侧凸的自然转归[N];中国医药报;2003年
4 谢汉杰;东山国寿积极做好理赔[N];中国保险报;2004年
5 冯春梅 黄余红 王继荣;为人间守护坚强[N];人民日报;2006年
6 李霁;挺起腰杆做人一天“长高”十公分[N];科技日报;2000年
7 杨力勇 路书斋;三维矫形治疗脊柱侧弯[N];健康报;2006年
8 陈亮 杨杰;市二院举办骨科创新国家级继续教育项目[N];常州日报;2009年
9 记者 蒋炜宁 通讯员 庞赟;美脊柱研究基地落户宁波[N];宁波日报;2010年
10 胥金章;我脊柱畸形治疗取得新进展[N];人民日报;2005年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978