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人体动态生物力学优化的Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸仿真三维有限元模型的建立

白锦毅  
【摘要】:背景青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis,AIS)是脊柱侧凸中常见的类型,常发生于青春期的女性,部分病人的脊柱侧凸会因未能及时诊治而发展加重,引起躯体严重畸形,后期往往会影响呼吸循环系统和相应部位的神经功能,这给患者身心健康都造成严重危害。随着对AIS诊治的观念不断革新和内固定矫形器械不断发展,研究脊柱侧凸病因、病理、发病机制、治疗及后期转归过程中内在生物力学的变化,对脊柱侧凸的诊治水平和疗效的提高都具有重要的意义。为了研究脊柱侧凸的内在生物力学的变化,学者们开始采用新的生物力学测试方法-有限元法进行实体脊柱的模拟,从而解决临床脊柱侧凸的问题。但建立好的模型都与真实个体的生物力学行为表现相差甚远,其对实体脊柱模拟的过程及结果准确性较低,不能满足临床的需要。目的本研究利用基于姿态传感器的脊柱形态测量仪结合纵向牵引连续评估Lenke 1型主胸弯AIS患者冠状面Cobb角-纵向牵引力关系,从而获得AIS患者动态生物力学在体反应特征曲线;通过术前获取柔韧性不同的两名患者术前薄层三维螺旋CT数据,通过有限元法逆向建立Lenke 1型AIS患者脊柱侧凸的三维有限元模型,并根据患者自身的生物力学在体反应特征曲线对建立好的有限元模型进行优化和验证,从而建立符合临床需要的AIS患者脊柱侧凸的三维有限元模型。方法1.Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸生物力学在体反应特征曲线利用基于姿态传感器的脊柱形态测量仪结合纵向牵引连续评估Lenke 1型主胸弯AIS患者冠状面Cobb角-纵向牵引力关系,从而获取Lenke 1型AIS患者动态生物力学在体反应特征曲线。2.人体动态生物力学优化的Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸仿真三维有限元模型的建立和验证选择两名柔韧性不同的Lenke 1型AIS患者,术前通过本院三维螺旋CT影像设备对AIS患者进行术前常规脊柱低剂量薄层(1mm)扫描,获取DICOM格式的影像学数据。在此基础上,通过利用Mimics17、GeomagicStudio2014以及Hypermesh等相关建模软件完成分离、重建、网格划分、赋值及力学分析等操作,从而建立脊柱侧凸三维有限元几何模型,并对有限元模型各解剖结构和组织属性参照既往文献报道进行初步材料参数赋值。然后通过对比第一部分获取的动态生物力学在体反应特征曲线,建立好的三维有限元模型模拟垂直牵引实体脊柱试验。在动态牵引过程中不断对影响脊柱生物力学的椎间盘等附属组织结构的材料参数比较和调节,使得建立好的三维有限元模型不仅几何外观表现与实体脊柱一致,并且模型在生物力学行为的功能特性上符合患者实际情况,最后通过几何外观和功能特性两个方面对模型的仿真性进行有效性验证。结果1.基于研究基础,我们选择课题组前期研发的基于姿态传感器的脊柱形态测量仪和脊柱侧凸牵引架结合,对Lenke 1型的患者在纵向牵引力动态变化的情况下进行冠状位Cobb角的评估。研究结果表明:每名Lenke 1型AIS患者均有特异的生物力学在体反应特征曲线;Lenke 1型AIS患者主胸弯冠状面Cobb角随着纵向的牵引力的增大而减小。通过比较不同患者的生物力学在体反应曲线可以动态、全面掌握Lenke 1型AIS患者间生物力学的差异。2.本研究成功建立柔韧性高和低各一例的Lenke1型AIS患者脊柱侧凸三维有限元模型,并根据患者自身特异脊柱的动态生物力学反应性特征曲线成功地对模型进行功能特性的个性化调整。三种包含几何外观和功能特性方面验证实验显示本研究建立的Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型能够仿真模拟脊柱侧凸患者实际情况,并可满足后期进行脊柱侧凸相关模拟试验的要求。结论1.在本研究中,作者通过基于姿态传感器的脊柱形态测量仪和脊柱侧凸牵引架创新获取Lenke 1型AIS患者的生物力学在体反应曲线,这是评估脊柱柔韧性的一种新的方法,其可减少患者X线暴露及其相关经济费用,动态地评估脊柱侧凸的柔韧性,并为后期脊柱侧凸三维有限元的优化提供了一个很好的思路。2.本研究成功建立柔韧性高和低各一例的Lenke1型AIS患者脊柱侧凸三维有限元模型,并根据患者自身特异脊柱的生物力学反应性特征曲线成功地对模型进行了功能特性的个性化调整。三种包含几何外观和功能特性方面验证实验显示本研究建立的Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型能够仿真模拟脊柱侧凸患者实际情况,并可满足后期进行脊柱侧凸相关模拟试验的要求。


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