力学性能优化的青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型建立及置钉策略的生物力学和临床回顾研究

【摘要】：【背景】青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis,AIS)是10岁至16岁儿童最常见的脊柱畸形,以冠状位成角畸形,矢状位胸椎后凸减少和轴状位椎体旋转畸形为主要特点。随着内固定技术的不断发展,尤其是椎弓根螺钉内固定系统的应用,AIS的手术矫形效果得到了显著提高。但随着螺钉内固定系统的广泛应用,其置钉风险高和费用昂贵等缺点也逐渐受到学者们的关注。为了改进上述缺点,多数研究者开始采用减少螺钉数量的优化置钉策略,并在初步研究中获得了较为满意的效果。但上诉优化置钉策略的确定主要依赖手术医生的个人经验,缺乏基础生物力学证据的支持,其对术后矫形效果的影响,以及在矫形过程中和矫形后维持阶段,对椎弓根内固定系统各部位应力的影响尚不清楚。【目的】本研究拟根据患者术前薄层三维螺旋CT数据,利用计算机逆向重建软件建立脊柱侧凸三维有限元模型,并根据患者实体脊柱的动态生物力学参数对有限元模型进行个性化调整和验证。然后,利用已验证的模型对临床上常用的多种优化置钉策略进行矫形手术模拟,分析不同置钉策略及置钉密度对矫形过程中以及矫形后椎弓根螺钉内固定系统各部位应力的影响,比较各置钉策略的矫形效果,探究最适的置钉方案。最后通过临床回顾性分析对得到的研究结果进行临床验证。【方法】1、力学性能优化的患者特异性Lenke1型脊柱侧凸三维有限元模型的建立和验证纳入一名较为典型的Lenke1型AIS患者,利用自行研制的体外脊柱侧凸Cobb角测量仪和脊柱侧凸牵引架,对不同垂直牵引力作用下患者的主胸弯冠状面Cobb角的变化进行连续测试分析,得到在连续垂直牵引力作用下,患者脊柱的生物力学反应性特征曲线,即牵引力-Cobb角变化曲线。收集患者术前全脊柱薄层三维螺旋CT数据,利用Mimics、Geomagic以及Hypermesh等相关计算机软件建立脊柱侧凸三维有限元几何模型,并根据解剖结构和组织属性对有限元模型各部位进行初步材料参数赋值。然后,对已建立的有限元模型进行垂直牵引力加载,模拟之前的牵引过程,对比模型与实体脊柱在冠状面的Cobb角变化,通过调节椎间盘或附属韧带等软组织结构的材料参数赋值,使模型在生物力学行为特征上与实体脊柱保持一致,从而使模型得到优化,最后再对模型的真实性进行验证。2、优化置钉策略治疗Lenke1型AIS的三维有限元模拟及生物力学分析利用经过验证的脊柱侧凸三维有限元模型对全节段置钉、凸侧间隔置钉、间隔置钉、交替置钉以及交替间隔置钉,这5种优化置钉策略进行矫形模拟。记录并分析整个矫形过程中,椎体-螺钉接触应力、螺钉-矫形棒接触面应力、矫形棒整体应力以及螺钉拔出力的变化情况,对比各置钉策略的冠状面和矢状面矫形效果,研究置钉策略以及置钉密度对内固定系统各部位应力的影响,探索最佳的置钉策略和置钉密度。3、置钉密度对lenke1型青少年特发性脊柱侧凸手术效果影响的临床研究对在本院行选择性后路椎弓根螺钉矫形融合手术的lenke1型ais患者的一般资料和影像学资料进行回顾分析。根据置钉密度将患者分为高密度组和低密度组,对比两组患者术前、术后以及术后2年随访时的影像学资料,采用pearson相关因素分析对冠状面侧凸矫正率、矫正比率、术后2年随访时冠状面矫正率丢失以及胸椎矢状位角度变化等参数与置钉密度进行相关性分析。探究置钉密度对lenke1型ais患者手术矫形及矫形效果维持的影响。【结果】1、本研究成功建立了lenke1型ais患者脊柱侧凸三维有限元模型,该模型包含12节胸椎,4节腰椎,15个椎间盘,前、后纵韧带等结构。整个模型包含1495341个单元,739851个节点。作者根据患者脊柱的生物力学反应性特征曲线成功地对模型进行了生物力学性能的个性化调整。验证实验显示,本研究建立的脊柱侧凸三维有限元模型能够准确地模拟患者脊柱的解剖结构和生物力学性能。2、全节段置钉、凸侧间隔置钉、间隔置钉、交替置钉以及交替间隔置钉,这5种置钉策略使用的螺钉数量分别为:14、11、9、8和7;整体置钉密度分别为:100%、79%、64%、57%和50%。在凹侧转棒矫形过程中,不同置钉策略下椎体-螺钉接触应力最大值分别为:2673mpa、2673mpa、2660mpa、2918mpa和2918mpa;螺钉-棒接触应力最大值分别为:288.9mpa、288.9mpa、305.2mpa、277.8mpa和277.8mpa;棒应力最大值分别为:1229mpa、1229mpa、1377mpa、1167mpa和1167mpa;螺钉拔出力最大值分别为:113n、113n、289n、172n、172n。双侧上棒固定后内固定各部位应力分布分别为:椎体-螺钉接触应力最大值分别为:凹侧1743mpa、1689mpa、1435mpa、1683mpa、1414mpa,凸侧815.7mpa、851.5mpa、612.8mpa、820.7mpa、593.0mpa;棒应力最大值分别为:凹侧561.8mpa、522.4mpa、994.4mpa、548.8mpa、446.3mpa,凸侧278.3mpa、253.8mpa、192.8mpa、247.6mpa、184.5mpa;各策略下冠状面矫正率分别为:47.9%、47.5%、46.1%、46.5%和46.3%。3、本研究纳入了31例患者,手术时的平均年龄为15.3岁,主胸弯冠状面cobb角平均为48.5±8.5°,主胸弯侧凸柔韧性平均为53%;术后主胸弯冠状面cobb角被矫正至16.0±6.9°,矫正率为68%;高密度组与低密度组的置钉密度分别是0.85和0.61(P0.01);主胸弯冠状面矫正率、矫正比率以及术后2年时矫正率丢失与置入螺钉密度的相关性分别为:-0.19(P=0.315),-0.10(P=0.589),-0.04(P=0.837);矢状面胸椎后凸角度变化与螺钉密度的相关性为0.09(P=6.19)。两组间的其他参数差异均无明显统计学意义。【结论】1、在本项研究中,作者创新性地利用预先得到的患者脊柱生物力学反应性特征曲线,对已建立的三维有限元模型的生物力学性能进行了优化和验证。研究结果显示本研究中所应用的创新性优化方法能够较为准确地调整三维有限元模型的生物力学性能,使之能够在生物力学行为上与真实脊柱保持一致。2、本研究应用已验证的脊柱侧凸三维有限元模型对5种常用的不同置钉密度的置钉策略进行了矫形手术模拟。研究结果显示,置钉策略和置钉密度对本实验中脊柱侧凸模型的矫形效果无明显影响。除螺钉-骨质接触面应力外,间隔交替置钉策略与其他置钉策略相比,在内固定系统生物力学特性方面更优越,螺钉密度低,适合轻中度AIS病人的手术矫形。3、对于轻、中度的Lenke1型AIS患者(主胸弯冠状面Cobb角48°),冠、矢状面手术矫形效果与置钉密度无明显相关性,术后矫形效果的维持与置钉密度也无明显相关性。