内蒙古自治区中西部青少年胸椎关节突关节和肋椎关节的数字化三维发育形态研究和生物力学分析

摘要

目的：系统收集13-17岁青少年胸椎CT影像扫描数据，并进行胸椎三维重建，对胸椎各个关节突关节和肋椎关节的形态进行测量，进行统计学分析，从而探索出13-17岁青少年胸椎关节突关节形态学发育趋势以及随年龄增长出现的变化规律、特点，为青少年胸椎关节突相关疾病的诊疗提供发育形态学依据。将收集来的CT影像扫描数据选取一个研究对象，利用Mimicsl6.0软件、Geomagic Studio12. ANSYS14.0逆向工程软件，重建全胸椎的三维立体模型，在胸椎椎体表面上负载500N压力和10N-m的力矩，用以模拟胸椎前屈、后伸、侧屈3种生理状态，从而研究13?17岁青少年胸椎力学分布规律及内固定器械力学变化规律。 材料与方法：在2015年1月-2017年5月期间，于内蒙古中西部地区多家三级医院影像科，收集对青少年行胸椎CT检查的影像学资料共55例，将所获取的原始DICOM格式数据导入图像三维重建Mimics16.0软件中，三维重建椎体模型并进行测量，测量的指标包括以下结构：关节突关节面高，关节突关节面宽，关节突关节面间距，关节突关节面与矢状面夹角，关节突关节面与冠状面夹角，肋椎关节、椎弓根的最小横径A(与B)，钉道长度即肋椎关节、椎弓根后缘骨皮质到椎体前缘骨皮质的距离C(与D)，肋椎关节、椎弓根与棘突间的夹角(e角);按年龄和胸椎节段分组后行统计学分析，找寻其形态学发育规律。 结果：胸椎关节突关节面髙、关节面宽、关节面间距、关节面与矢状面夹角、关节面与冠状面夹角测量均随年龄增大而显著增长。关节面髙随着椎序增加总体呈上升趋势，T12达最大值；关节面宽随着椎序增加总体呈先下降后上升趋势，T6达最小值；左右关节面间距随着椎序增加总体呈先下降后上升趋势，T5达最小值；关节面与矢状面夹角随着椎体序增加呈先上升后下降趋势，在不同年龄组间无统计学差异，T3达最大值；关节面与冠状面夹角随着椎体序增加呈先上升后下降趋势，T7、T8达最大值，近呈“尖峰状”分布，符合胸椎关节突关节面“近冠状位”。由此变化趋势可见：关节面方向不断接近椎体冠状面方向，逐渐与腰椎关节突关节角“近矢状位”相适应，其中T7为其过度的中间节段。胸椎肋椎关节、椎弓根的最小横径A(与B)，钉道长度即肋椎关节、椎弓根后缘骨皮质到椎体前缘骨皮质的距离的C(与D)，肋椎关节、椎弓根与棘突间的夹角(e角)的测量数据均随年龄增大而显著增长。肋椎关节的最小横径A随着椎序增加总体呈先下降后上升趋势，近呈“V”型，T4达最小值；椎弓根的最小横径B随着椎序增加总体呈先下降后上升趋势，近呈“十型，T4达最小值；肋椎关节骨皮质到椎体前缘骨皮质的距离的C随着椎序增加总体呈上升趋势；椎弓根后缘骨皮质到椎体前缘骨皮质的距离D随着椎体序增加呈上升趋势；肋椎关节与棘突间的夹角（e角）随着椎体序增加呈下降趋势；椎弓根与棘突间的夹角(e角)随着椎体序增加呈下降趋势，T12达负值；肋椎关节f角总体呈平稳趋势，近似“波浪型”，最大值与最小值差值在0.01°-2°以内。模拟胸椎经肋椎关节单元矫形内固定术后，处于前屈、后伸位状态时，应力最大的位置是螺钉尾部，且螺钉应力大小为：上位大于中、下位；连接棒中部应力为零，且连接棒下端应力大于中部；处于侧弯运动状态时，上位螺钉尾部应力与中位螺钉尾部应力相仿，并且单侧连接棒的上端、中部、下端应力基本相同；在前屈、后伸、侧弯运动状态下，比较同一部位的应力变化，则可发现：侧弯运动状态下，连接棒中部应力增大，但进行3种运动状态时，下位螺钉尾部应力基本相同。 结论：1、利用图像三维重建Mimics16.0软件创建胸椎模型，使胸椎结构的三维空间测量直观化、立体化、便捷化，相对于人工干骨测量、超声测量以及X线测量等二维平面测量方法更准确。2、关节面方向不断接近椎体冠状面方向，逐渐与腰椎关节突关节角“近矢状位”相适应，其中T7为其过度的中间节段。本研究中胸椎关节突关节面高、关节面宽、关节面间距、关节面与矢状面夹角、关节面与冠状面夹角测量均随年龄增大而显著增长，均出现高龄组对低年龄组显著差异。3、胸椎胸椎肋椎关节、椎弓根的最小横径A(与B)，钉道长度即肋椎关节、椎弓根后缘骨皮质到椎体前缘骨皮质的距离的C(与D)，肋椎关节、椎弓根与棘突间的夹角(e角)的测量数据与成年人数据接近，均随年龄增大而显著增长，均出现高龄组对低年龄组显著差异。4、将三维重建后的胸椎模型，通过Geomagic Studio12、ANSYS14.0逆向工程软件进行有限元分析，可以更加直观的分析矫形内固定系统的应力变化规律，并且通过已获得有限元分析结果，可发现在行胸椎后入路椎间植骨、经肋椎关节单元的矫形内固定术后，进行3种运动（前屈、后伸、侧弯运动）时，因上位螺钉尾部应力大于中下部，故上位螺钉尾部更容易发生疲劳性断裂；同理，连接棒下端在前屈、后伸运动中与连接棒中段在侧弯运动中更易发生疲劳性断裂。

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