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基于腰椎多层螺旋CT扫描三维形态学分析的腰椎材料、形态及结构属性变化与骨折相关性的FEA研究

李丹  
【摘要】:目前有限元分析的发展已经从研究对象的生理阶段进入到病理化阶段。有限元研究的病理化阶段的研究由于病例数据来源匮乏,存在以下三个缺陷,即以局部代替整体(单一椎体代替整个腰椎),以个体代替群体(研究只用1例),以生理代替病理(正常脊柱代入异常数值)。 本研究引入全新的研究对象选取方法,克服有限元分析病理化阶段的上述三个缺陷,选取整个腰椎而非单一椎体,选取多组病例而非单一病例,选取典型病例而非正常脊柱,探讨以真实病理状态的腰椎作为研究对象揭示病理状态的真实应力分布,从力学角度深入认识脊柱疾病的病理状态产生的诱因及后果。 材料和方法: (1)如何科学的选择典型病例进行病理生物力学有限元分析,就成为我们面临的主要问题。本研究采用了PACS系统和电子病历系统(Electronic Medical Record, EMR),对9670例腰椎CT检查病例的选取及筛查。筛查的入组标准为骨质疏松脆性骨折(从站立高度摔倒发生的骨折)即老年骨折组、年轻对照组及老年非骨折对照组。排除标准如下:其中排除暴力骨折1301例,排除骨代谢相关疾病(如:甲状旁腺机能亢进、肾性骨病等),排除患者有转移性恶性肿瘤病史、原发骨肿瘤病史,排除患者有肝硬化,糖尿病I型,及糖尿病II型的病人。根据入组及排除标准,共751例患者进入本研究第一步筛查有统计学意义的骨折相关指标。利用MPR, MIP, VR技术,每个椎体观察指标为10项,其中变量20个,整个腰椎的形态学变量为104个。获得了老年骨折组、老年非骨折组及正常腰椎的形态学数据。对上述数据进行Logistic回归分析筛选脆性骨折相关变量指标。 (2)通过SYNGO软件对原始腰椎DICOM数据进行,组织标记、三维切割、三维定位归位、平面重建之后,和MIMICS进行DICOM数据交接,整个腰椎的模型建立完成。对椎体、椎间盘模型赋予材料属性,用ABAQUS进行FEA分析。 (3)不同研究组腰椎的有限元分析:以统计学数据为依据,选取各项指标位于中位数的典型病例。年龄差异组,这一组包括四个模型分别为wj, wj-f, zj, dhy。以观察椎间盘退变(材料属性改变),椎间盘间隙改变(形态属性改变)在不同年龄组对腰椎生物力学的影响。 (4)老年女性腰椎椎间盘退变和腰椎骨折风险的FEA分析,以统计学数据为依据,选取各项指标位于中位数的典型病例。为观察椎间隙差异对生物力学的影响,这一组包括五个模型分别为wj, wj-f, dhy, nfx, ylq。选择的目的是尽量的保证CT值相同,赋予间盘相同的退变材料属性,没有其它因素的干扰,模型之间只有椎间隙高度(形态属性)的不同,讨论间盘间隙狭窄对腰椎节段生物力学的影响。此外还要观察胸12骨折是否加大骨折风险,导致骨折的级联效应。 结果: 在形态学分析中我们得知:在腰1-骶1椎间隙测量中与椎间隙间隙0级相比,狭窄程度1级到3级,腰1到腰5腰椎骨折风险率OR值分别从1.18上升到38.11,1.56上升到12.8,2.67上升到9.9,1.94上升到12.68,1.39上升到7.95。尤其是L1-2间盘间隙的减小使骨折风险上升迅猛。L1-2椎间隙后缘高度小于0.32cm时,是后缘高度大于0.48cm骨折风险的18.54倍。 不同年龄组腰椎的有限元分析中:年龄差异组的直立,前屈,后伸工况下椎体,椎间盘,上下终板的FEA分析结果显示:不但椎间盘退变的材料属性影响腰椎的应力分布,不同年龄组腰椎、椎体与间盘退变的形态学改变也影响应力分布。 老年女性腰椎椎间盘退变和腰椎骨折风险的FEA分析中:狭窄差异组的直立,前屈,后伸工况椎体,椎间盘,上下终板的FEA分析结果显示:椎间隙狭窄的加重,使应力更加集中。已经有一个椎体骨折的病人,发生级联骨折的机会加大。 结论: 椎间隙间隙的降低与腰椎骨折风险呈显著正相关。FEA生物力学分析证实,除了材料属性外,无论是椎间盘的形态属性还是椎体的形态属性,乃至脊柱整体形态的结构属性对腰椎生物力学应力分布的影响都是至关重要的。提出病理的形态结构与病理的应力分布交互作用的新观点,即病理的结构形态产生病理的应力分布,病理的应力分布反过来加重病理的形态结构改变。提出腰椎-椎体-间盘-椎体-腰椎相互作用影响腰椎生物力学性能增加骨折风险的新观点。 本研究的创新点: (1)有限元生物力学分析的病理化(生物力学分析研究对象选取的创新):目前有限元分析的发展已经从研究对象的生理阶段进入到病理化阶段。有限元研究的病理化阶段存在的主要问题:由于病例数据来源匮乏,存在以下三个缺陷,即以局部代替整体(单(?)体代替整个腰椎),以个体代替群体(研究只用1例),以生理代替病理(正常脊柱代入异常数值)。本研究引入全新的研究对象选取方法,克服上述三个缺陷,选取整个腰椎而非单一椎体,选取多组病例而非单一病例,选取典型病例而非正常脊柱,真正做到以病理状态的腰椎作为研究对象揭示病理状态的真实应力分布,从力学角度深入认识脊柱疾病的病理形态结构产生病理应力及病理应力反过来引起的进一步的结构形态的退变。本研究完成了生物力学分析研究对象选取的创新,这使得我们的有限元分析可以把真正病理状态的整个腰椎作为研究对象,把有限元生物力学分析真正引入病理化阶段。 (2)病例选择的典型化科学化(科学选取典型病例的创新):通过大规模病例的选取及筛查,选取10大类104项指标综合反映腰椎的病例形态特征,以统计学数据为依据,选取各项指标位于中位数的典型病例,大大提升了本研究的数据收集整理的科学性、可靠性和可行性。本研究完成了病例选取科学性的创新,使得有限元分析生物力学分析能够基于典型病例的典型形态学及材料学特征,反映出典型病理性应力分布特征。为腰椎疾病的发生发展和转归提供科学可靠的依据。实现了病例选择的典型化。 (3)模型建立的自动化、标准化、准确化(模型建立方法的创新):由于有限元分析目前广泛使用的MIMICS软件的功能有限,有限元分析建模的速度和准确性成为研究的主要障碍,以至于多节段重建和大样本量分析的可行性受到限制。现阶段有限元分析基于MIMICS软件,建模的过程需要将每个扫描层面手工分辨组织边界切割处理,在目前CT扫描发展到动辄成百上千层的信息,使建模的工作不仅庞杂缓慢,还因为手工切割的主观性误差丢失重要的影像信息。本研究开创性的应用SIEMENS后处理SYNGO3D软件,进行原始数据软件自动识别标记分割预处理,并成功与MIMICS软件进行数据交接。这种自动高分辨率组织识别和三维切割大大的提高了建模工作效率,不但使FEA模型建立过程缩短了10倍的时间,并且能够获得更精准的椎体模型信息。完成了有限元分析模型建立方法的创新。实现了模型建立的自动化、标准化、准确化。使得腰椎多节段、大样本量有限元分析成为可能。 (4)有限元生物力学分析结果的创新:本研究提出了病理状态生物力学有限元研究的新方法和新结论,FEA生物力学分析证实,除了材料属性外,无论是椎间盘的形态属性还是椎体的形态属性,乃至脊柱整体形态的结构属性对腰椎生物力学应力分布的影响都是至关重要的。提出病理的形态结构与病理的应力分布交互作用的新观点,即病理的结构形态产生病理的应力分布,病理的应力分布反过来加重病理的形态结构改变。提出腰椎-椎体-间盘-椎体-腰椎相互作用影响腰椎生物力学性能增加骨折风险的新观点。 上述创新点在国内外同类研究中未见报道。


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