半椎体脊柱侧弯后路矫形中横向连接装置作用的有限元分析

摘要

目的:
　　 基于患儿的CT图像建立个体化的半椎体所致的先天性脊柱侧弯(Congenital scoliosis)三维有限元模型(finite element model，FEM)，并运用所建立的模型模拟脊柱侧弯后路半椎体切除椎弓根钉内固定手术，通过加载不同方向的力使手术后的脊柱模型模拟前屈、后伸、左右侧弯及左右旋转运动，通过分析半椎体切除后安装与不安装横向连接装置(Cross-link Device，CLD)两种状态下脊柱所选节段的角位移来判断CLD在半椎体所致先天性脊柱侧弯后路矫形手术中的作用，为临床治疗方案的选择提供依据。
　　 方法:
　　 1、选择对象:选取幼儿半椎体所致脊柱侧弯患儿1名，男性，2岁9个月，半椎体为第12胸椎，体重14kg，身高90cm。告知家属实验目的并取得其同意。
　　 2、获得原始影像资料:患儿平卧位，从第二颈椎至骶骨进行CT扫描，层厚1.25mm，层间距0mm，扫描范围主要为全部骨性结构及椎间盘。共获得CT平扫图像470张（Dicom格式），刻录为光盘。
　　 3、建立初级模型:将获得的Dicom格式图像，导入CAE软件Mimics14.0中，对原始资料进行蒙皮、分割、建模、划分网格、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X线片对比，其具体位置，侧弯角度一致。
　　 4、完善模型:将初级模型生成体，导入3-Matic5.1处理软件中，建立黄韧带、棘上韧带、棘间韧带。应用软件Geomagic Studio 12.0建立前后纵韧带、髓核;应用软件Creo2.0建立椎弓根钉、钛棒、横向连接装置，分别划分网格。
　　 5、模拟后路矫形手术:将模型导入3-Matic5.1处理软件中，进行模拟后路半椎体切除椎弓根钉内固定手术。术中先行打入椎弓根螺钉，再行切除第12胸椎半椎体，安装矫形棒，逐渐闭合T11和L1椎间隙，达到侧弯畸形的矫正。建立安装横向连接装置(CLD组)与未安装横向连接装置（NCLD组）两组模型，与术后X线相比矫形效果均一致。
　　 6、进行有限元分析:将所建立的脊柱侧弯术后模型导入有限元分析软件ANSYS13.0中，生成单元，并赋予各种材料的相关属性，如密度、泊松比、弹性模量等，对模型进行约束(于两组模型的底部进行约束，设定X、Y、Z三个轴向方向的位移为0mm)、加载体重（于最上面椎体T9上表面垂直向下的70N力模拟重力）及并于T9上表面施加水平向前、后、左、右的力(40N、80N、120N、160N、200N)，通过合力模拟前屈、后伸、左右侧弯;再于椎体前缘、棘突分别施加一对方向相反、大小相等的力(20N、40N、60N、80N、100N)模拟脊柱左右旋转，求解后得到CLD组与NCLD组两组脊柱椎体的位移图。
　　 7、测量角位移:将所得到的位移图应用Photoshop CS4进行测量，确定角位移，并应用SPSS13.0进行统计学分析。
　　 结果:
　　 1、成功建立了小儿半椎体所致先天性脊柱侧弯术前术后的三维有限元模型（包括胸椎、腰椎、椎间盘、髓核、韧带）及椎弓根钉、钛棒、横向连接装置的有限元模型。共有453748个单元，777942个节点，所建立模型长49.103 mm，宽60.791 mm，高112.35 mm，体积70382mm3，全重0.45102 kg，术前Cobb角为40.2°。模型与临床站立位X线片脊柱前后位曲线吻合。在国内外众多有限元模型中，韧带常常被建为杆单元，无法完整表现韧带的作用，本实验通过软件成功建立了脊柱前后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带的有限元模型，并通过了有限元分析。
　　 2、所建立的小儿半椎体脊柱侧弯有限元模型生动形象的描绘了小儿脊柱的特点:小儿脊柱椎体较扁、略呈卵圆形、中部稍高;椎体滋养孔较成人分布更广，同时孔径与成人相比较大;椎骨密度较低，骨密质与骨松质界限不易区分且软骨成分较多。
　　 3、顺利完成后路韧带切除、椎弓根螺钉内固定及半椎体切除手术的模拟。固定节段为T9-L2椎体，共4个节段，置入椎弓根钉共8枚，并安装钛棒、横向连接装置。根据实验目的的不同，将模型分为两组，一组不安装横向连接装置，术后矫形效果均达到100％。
　　 4、软件ANSYS13.0分析得出两种固定方案模型的六个活动度的位移云图，并经photoshop CS4得出角位移。从图中看出，随着加载力值的逐渐增加(40N→80N→120N→160N→200N→240N)，模型顶椎的位移逐渐加大，根据计算所选节段椎体的角位移同步加大，基本呈线性增长。
　　 5、两组模型六个活动度的角位移应用t检验进行统计学分析，CLD组与NCLD组在前屈后伸、左右侧弯、左右旋转的角位移P值均大于0.05，均无统计学意义。尚不能说明在2岁小儿半椎体所致的脊柱侧弯后路矫形中在固定4个节段时安装横向连接装置与不安装横向连接装置有明显区别。
　　 结论:
　　 1、本实验通过计算机工程软件，成功将半椎体所致先天性脊柱侧弯患儿CT图像建立成为三维有限元模型;通过手术模拟，成功建立了半椎体脊柱侧弯后路半椎体切除椎弓根钉内固定术前术后的三维有限元模型。
　　 2、所建立的小儿半椎体所致脊柱侧弯的三维有限元模型可以在任意附加所设定的各种应力，并进行应力、位移变化分析，可以为小儿半椎体所致脊柱侧弯提供良好的相关生物力学理论和临床研究。
　　 3、对所建立的术后脊柱侧弯模型进行统计学分析后得出，在两岁胸12半椎体脊柱侧弯患儿的治疗方案中，安装与不安装横向连接装置尚无明显区别，为临床治疗提供了一定的借鉴。

目录

声明

摘要

前言

材料与方法

1 资料

2 实验步骤及方法

结果

附图

附表

讨论

1 横向连接装置的作用分析

2 本模型中CLD作用的分析

结论

参考文献

综述 横向连接装置在脊柱后路内固定系统中的生物力学分析

致谢

个人简历