幼儿脊柱侧弯半椎体切除后路不同节段内固定三维矫形的有限元分析

摘要

目的:先天性脊柱侧弯(Congenital scoliosis)是一类发生于儿童的严重的脊柱畸形，发病率仅次于特发性脊柱侧弯，根据国外流行病学统计，婴儿出生时患病率约为0.5-1‰，其病因至今也不是非常清楚。由于先天性脊柱侧弯对幼儿身心健康影响较大，比如可导致胸廓发育畸形、心肺功能障碍等，因此这种疾病常需要早期干预治疗。常见治疗方法包括保守治疗及手术治疗。本研究基于患儿CT图像构建个体化胸腰段半脊椎所致的先天性脊柱侧弯三维有限元模型(Finite element model，FEM)，并运用模型仿真模拟后路半脊椎切除椎弓根螺钉、钛棒系统内固定矫形手术，通过比较选择不同固定节段的矫形效果和生物力学特点，为临床治疗方案的选择提供理论依据，进一步优化手术方案。
　　方法:
　　1选择研究对象及获取CT图像:选择半椎体所致脊柱侧弯患儿1名，男性，2岁9个月，胸12为半椎体，体重14kg，身高90cm。取仰卧位，从第二颈椎至骶骨行64排CT扫描，层厚1.25mm，层间距0mm，扫描内容主要为全部骨性结构及椎间盘。获得Dicom格式CT平扫图像470张，实际建模采用中间有效部位240张。
　　2建立初级三维模型:将获得的Dicom格式图像，倒入逆向工程软件Mimics14.0中，对原始图像进行蒙罩、填充、删减、光滑等步骤生成胸椎、腰椎的初级三维模型。将模型的正侧位视图与临床正侧位X线片对比，半椎体位置及侧弯角度基本一致。在软件Geomagic Studio12.0中构建前后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、椎间盘及生长板。应用软件Creo2.0建立椎弓根螺钉及钛棒内固定系统。
　　3建立三维有限元模型:在软件Mimics14.0中将初级模型生成体，并将椎骨、椎间盘、生长板、韧带及内固定系统装配，导入软件3-Matic5.1中，分别进行网格划分，得到先天性脊柱侧弯三维有限元模型。
　　4模拟后路矫形手术:应用软件3-Matic5.1进行模拟后路半椎体切除椎弓根螺钉内固定手术。术中首先切除周围相关韧带，再打入椎弓根螺钉，然后行第12胸椎半椎体及部分畸形椎间盘切除，安装矫形钛棒，逐渐闭合T11和L1椎间隙，达到侧弯畸形的矫正。
　　5进行有限元分析:将所建好的脊柱侧弯术后三维模型导入有限元分析软件ANSYS13.0中，对模型进行约束、加载、求解，得到不同固定节段的等效应力云图，并比较不同固定节段的应力变化。
　　结果:
　　1基于CT扫描图像通过相关计算机辅助工程软件成功建立了个体化半椎体所致先天性脊柱侧弯节段三维有限元模型，模型较好描绘了幼儿脊柱的基本特点，包括胸椎、腰椎、椎间盘、生长板、韧带、椎弓根螺钉、钛棒。共有187634个单元，266453个节点。
　　2顺利完成后路半椎体切除、椎弓根钉内固定三维矫形手术模拟。根据固定节段的不同，分为四组，每组在矫形的凹凸两侧分别置入一枚椎弓根螺钉，即A组（T11～L1，共4枚螺钉），B组（T11～L2,共6枚螺钉）、C组（T10～L1，共6枚螺钉）、D组（T10～L2，共8枚螺钉）。
　　3应用软件ANSYS13.0分析得出四组固定方案下模型的等效应力云图并测量术后侧凸角。等效应力云图显示，最大等效应力主要集中在椎弓根螺钉钉帽与螺钉体、钉帽与矫形杆、椎弓根螺钉与椎弓根交界处。术后侧凸角显示，A组中角度最大，向两侧延长固定节段，侧凸角减小，进一步延长节段时，角度无显著变化。
　　4分析结果发现在各组矫形方案中凸侧螺钉应力在T11、L1最大，两端相对较小，凹侧T11、L1受力较凸侧小。在四组矫形方案中，A组椎弓根螺钉所受应力最大，当向两端延长一个固定节段时，其受力降低，如B组、C组。但再延长一个固定节段，对螺钉的受力无明显影响，如D组。
　　结论:
　　1应用计算机辅助工程软件，基于志愿者CT扫描图像，成功建立个体化幼儿半椎体所致先天性脊柱侧弯三维有限元模型。
　　2应用该模型成功模拟先天性脊柱侧弯半椎体切除后路不同固定节段三维矫形手术，基于该患者个体化手术模拟结果表明，后路短节段固定矫形为较好治疗方案。
　　3该模型可以任意附加所设定的各种应力，并进行相关分析和模拟手术研究，为临床制定个性化手术方案提供了一定的生物力学理论依据，生长板的引入有助于医生分析畸形的进展及预测患者的矫形过程和效果。

目录

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摘要

英文缩写

前言

材料与方法

结果

附图

附表

讨论

结论

参考文献

综述 三维有限元分析在脊柱侧凸中的应用进展

致谢

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