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Lenke1BN型特发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

郭超峰  
【摘要】: 本研究应用计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)软件,建立了基于志愿者个体化CT图像的完整Lenke1BN型特发性脊柱侧凸三维非线性有限元模型,并对模型进行了有效性验证;在此基础上,仿真模拟Lenke1BN型特发性脊柱侧凸后路三维矫形手术,探讨选择不同下固定椎(lowest instrumented vertebra,LIV)的矫形效果。 第一章Lenke1BN型特发性脊柱侧凸三维有限元模型的建立 目的应用CAE软件,建立基于志愿者个体化CT图像的Lenke1BN型特发性脊柱侧凸三维非线性有限元模型。 方法选择1例18岁女性Lenke1BN型特发性脊柱侧凸志愿者作为研究对象。取仰卧位,应用螺旋CT从T_1上缘至尾骨以1mm间距进行连续扫描,获得Dicom格式CT图像539张。导入逆向工程软件Mimics 10.01,建立包括胸-腰-骶尾椎和胸廓等结构的完整脊柱侧凸三维几何模型。对模型进行几何清理,然后导入有限元前处理软件HyperMesh 7.0划分有限元实体网格,并参照文献添加椎间盘及韧带结构单元,生成完整的特发性脊柱侧凸三维有限元模型。参照文献赋予模型材料参数和实常数,固定约束骶骨,在T_1上表面各节点沿Y轴施加100N拉力进行初步加载,检验模型的单元、节点质量能否达到计算要求。 结果建立了完整的Lenke1BN型特发性脊柱侧凸三维非线性有限元模型,包括胸-腰-骶尾椎、椎间盘、胸廓及脊柱所有韧带、关节结构。模型共采用4种单元类型,14种材料性质;划分节点341228个,四面体单元1409929个,壳单元163132个,线缆单元715个和杆单元149个。对模型施加100N的拉力载倚,顺利通过计算。 结论成功构建了基于志愿者个体化CT图像的Lenke1BN型特发性脊柱侧凸三维有限元模型,模型完整、逼真地还原了被模拟对象的脊柱特点;初步运算结果显示,有限元模型网格划分质量良好。 第二章Lenke1BN特发性脊柱侧凸三维有限元模型有效性验证 目的通过与志愿者临床实验以及历史体外(尸体)实验对比,验证所建立的Lenke1BN特发性脊柱侧凸三维有限元模型的有效性。 方法(1)仰卧位左右Bending实验验证:在志愿者仰卧位左右Bending全脊柱X线上,测量T_1椎体中心偏移骶骨中垂线(centersacral vertical line,CSVL)的距离,分别设为A和B。对有限元模型进行如下约束、加载,模拟仰卧位左、右Bending实验:保持骶骨水平固定,约束和骶骨在X轴上平行的两边共4根肋骨最后方节点在Y轴方向的自由度,以此来模拟患者背部和摄片床的接触;在T_1中心节点,于X或-X方向施加载荷,使T_1中心相对CSVL分别向左、向右移动A和B大小的距离。比较X线片和有限元模拟凸侧Bending位下,各个弯Cobb角大小;并对比T_1-L_5各个椎体中心相对CSVL的偏移距离。(2)站立-仰卧实验验证:志愿者分别取站立和仰卧位拍全脊柱X片,并分别测量各个弯的Cobb角。根据志愿者体重,参照文献在有限元模型上分别模拟仰卧和站立,测量2种体位下各个弯的Cobb角,并和X片测量结果进行对照。(3)分段加载实验验证:在建立的模型中提取T_(10-11)、T_(11)-L_1以及L_1-S_1三个节段,分别参照历史同类体外(尸体)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比较,验证模型的有效性。 结果(1)仰卧位左右Bending全脊柱X片上测量和有限元模拟测量,上胸弯、主胸弯与腰弯凸侧Bending位Cobb角分别为14°,26°,8°和15°,24°,7°;相比X线片测量,有限元模拟误差为8.3%。左侧Bending位X片测量,T_1-L_5各椎体中心至CSVL的平均距离为9.83±7.08cm,有限元模拟的平均距离为9.55±7.04cm,经配对t检验:t=1.77,p=0.095,按照检验水准α=0.05,判定二者没有统计学差异(P>0.05);右侧Bending位X片测量,T_1-L_5各椎体中心至CSVL的平均距离为10.15±7.34cm,有限元模拟的平均距离为10.02±7.35cm,经配对t检验:t=1.9002,p=0.0756,按照检验水准α=0.05,判定二者没有统计学差异(P>0.05)。(2)站立位下,X片测量和有限元模拟测量上胸弯、主胸弯和腰弯的Cobb角分别为37°、50°、24°和33°、51°、24°;仰卧位下,X线测量和有限元模拟各个弯的Cobb角分别为29°、43°、22°和27°、42°、22°;相比X线片,有限元模拟平均误差为3.9%。(3)T_(10-11)、T_(11)-L_1和L_1-S_1各段有限元模型加载结果与各自参照的历史体外(尸体)实验结果基本吻合。 结论从几何外形、仰卧位左右Bending实验、站立-仰卧实验及分段加载实验,验证了所建立的Lenke1BN型特发型脊柱侧凸模型的可靠性和有效性,为下一步生物力学模拟研究奠定了基础。 第三章Lenke1BN型特发性脊柱侧凸后路三维矫形有限元模拟研究 目的利用建立的Lenke1BN型IS有限元模型,模拟后路三维矫形手术,并探讨选择不同下固定椎对矫形效果的影响。 方法应用建立的Lenke1BN型IS有限元模型,模拟后路全椎弓根螺钉固定三维矫形手术。具体约束加载如下:约束骶骨整体水平固定,参照文献在T_1-L_5各椎节分别施加模拟自身重力和肌肉因素的向下载荷,在固定节段凹侧模拟植入“椎弓根螺钉”,并放入“预弯”矫形钛棒,在棒末端施加向凹侧的旋转力矩,使棒向凹侧旋转90°,模拟旋棒矫形;同时在顶椎区(T_7-T_(10))固定螺钉施加10Nm的扭矩,模拟椎体直接去旋转矫形。上固定椎选择T_4(上端椎+2),下固定椎分别选择T_(12)(中立椎)、L_1(稳定椎)和L_2(稳定椎+1),比较三种固定方案的矫形效果。 结果顺利完成加载模拟矫形,选择T_(12)(中立椎)、L_1(稳定椎)和L_2(稳定椎+1)作为下固定椎模拟矫形后,上胸弯、主胸弯和腰分别矫正为:7.1°、7.4°、9.2°,6.4°、6.8°、8.3°和6.5°、7.2°、8.6°;矢状面胸椎后凸(T_(5-12))分别为21.3°、20.7°和20.5°;三种矫形方案,矫形效果无显著差异。 结论首次通过有限元模拟研究表明:对于中度Lenke1BN型特发性脊柱侧凸,选择性融合主胸弯可获得满意的腰弯自发矫正;应用全椎弓根螺钉固定结合顶椎区椎体去旋转技术,可将下固定椎从稳定椎上移至中立椎,减少远端融合节段。


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