成人退变性脊柱侧凸有限元模型的建立及后路三维矫形生物力学研究

摘要

本研究应用计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)软件，建立了基于志愿者个体化CT图像的成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型，并对模型进行了有效性验证和材料参数的优化；在此基础上，仿真模拟成人退变性脊柱侧凸后路三维矫形手术，探讨目前临床上争论比较多的退变性脊柱侧凸近端融合椎以及远端融合椎如何选择的问题。
　　 第一章、成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型的建立
　　 目的：应用CAE软件，建立基于志愿者个体化CT图像的成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型。
　　 方法：选择1例61岁女性成人退变性脊柱侧凸志愿者作为研究对象。取仰卧位，应用螺旋CT从T1上缘至尾骨以1mm间距进行连续扫描，获得Dicom格式CT图像522张。导入逆向工程软件Mimics10.01，建立包括胸-腰-骶尾椎和胸廓等结构的完整脊柱侧凸三维几何模型。对模型进行几何清理，然后导入有限元前处理软件HyperMesh8.0划分有限元实体网格，并参照文献添加椎间盘及韧带结构单元，生成完整的成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型。
　　 结果：建立了完整的成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型，包括胸-腰-骶尾椎、椎间盘、胸廓及脊柱所有韧带、关节结构。模型共采用4种单元类型，14种材料性质；划分节点136398个，四面体单元509819个，壳单元95835个，线缆单元680个和杆单元132个。
　　 结论：成功构建了基于志愿者个体化CT图像的成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型，模型完整、逼真地还原了被模拟对象的脊柱特点。
　　 第二章、成人退变性脊柱侧凸有限元模型有效性验证
　　 目的：通过与X线片以及以往体外（尸体）实验对比，验证所建立的成人退变性脊柱侧凸三维有限元模型的有效性。
　　 方法：(1)有限元模型与研究对象的几何相似性验证：将建立的模型与仰卧位X线片对比，了解模型与实际相符合的程度。(2)分段加载实验验证：在建立的模型中分别提取T1-T4、T5-T8、T9-T12以及T1-L1节段，参照同类体外（尸体）实验对有限元节段模型进行约束加载，并将加载结果与各自参照的体外实验结果进行比较，验证模型的有效性。
　　 结果：(1)各椎体中心位置，以及矢状面、冠状面上各弯的角度，有限元模型与仰卧位X线片之间均有很好的一致性；(2)T1-T4、T5-T8、T9-T12以及T1-L1各段有限元模型加载结果与各自参照的历史体外（尸体）实验结果基本吻合。
　　 结论：从几何外形以及分段加载实验，验证了所建立的成人退变性脊柱侧凸模型的可靠性和有效性，为下一步生物力学模拟研究奠定了基础。
　　 第三章、三维有限元模型生物力学属性的个体化
　　 目的通过参数优化，让有限元模型的形态和材料属性均实现个体化，使之具有个体特异的生物力学属性。
　　 方法(1)模拟仰卧位左右侧屈试验：通过约束和加载力量，将有限元模型中的上下端椎位置与临床侧屈试验所得位置相吻合，然后再对模型中椎体序列形成的Cobb角弧度进行评判，并将计算的结果与临床试验对照；(2)按照正交试验设计进行三因素三水平分析，对不同节段的椎间盘材料属性进行参数优化；(3)利用优化后模型模拟左右侧屈和站立试验，将计算结果和临床实验进行对照。
　　 结果：对于该脊柱侧凸患者而言，腰段椎间盘的材料属性对于脊柱柔韧性的影响最大；当胸弯、腰弯和下腰弯的椎间盘材料属性的系数分别为8、0.2和1时，计算机模拟的结果与真实情况最为接近。材料参数优化后的模型，其生物力学行为和实际临床结果有更好的一致性。
　　 结论：通过参数优化，明显改善了模型的仿真特性，提高了对脊柱侧凸手术治疗效果的预测率。为进一步对脊柱侧凸的手术策略研究提供理论支持。
　　 第四章、成人退变性脊柱侧凸后路三维矫形有限元模拟研究
　　 目的：利用已建立并优化的成人退变性脊柱侧凸有限元模型，模拟后路三维矫形手术，并比较不同置钉方案的矫形效果。探讨退变性脊柱侧凸近端融合椎以及远端融合椎该如何选择。
　　 方法：分别建立螺钉及矫形棒等椎弓根螺钉固定系统的三维有限元模型，然后用有限元的方式实现去旋转矫形过程，着重分析手术矫形过程中螺钉应力值变化情况以及各椎体位移改变情况，以获得成人退变性腰椎侧凸从凸侧进行三维矫形的生物力学变化规律。根据临床报道的退变性脊柱侧凸近端融合椎和远端融合椎的选择策略，分别设置不同的置钉方案，在生物力学属性完全吻合的有限元模型上对比不同矫形操作中椎体成角及位移，螺钉应力变化及分散程度，比较术后冠状面，矢状面及横截面的矫形效果，综合考虑不同矫形策略的手术效果，提出优化手术的治疗方案。
　　 结果：(1)探索出一套成人退变性腰椎侧凸从凸侧矫形的有限元仿真建模方法，实现了后凸型侧凸患者，90°去旋转操作的模拟；(2)四种矫形方案的冠状面Cobb角以及矢状面腰椎前凸角无明显差别。上端融合至T10的矫形方案与融合至L1的矫形方案相比，融合节段与非融合节段之间有更好的过渡，顶椎区去旋转作用以及向中线纠正的能力更强。下端融合至S1的矫形方案与融合至L5的矫形方案相比，下端椎螺钉应力较高，而L5/S1椎间盘的应力则较低。
　　 结论：(1)在成人退变性脊柱侧凸有限元模型上，进行了去旋转矫形手术的模拟。搭建了一个新的具有个体化生物力学特性的脊柱侧凸有限元分析平台。(2)对于Cobb角较小、脊柱平衡性以及柔韧性相对较好的成人退变性脊柱侧凸患者，短节段融合也能取得满意的效果。