Lenke1BN型特发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图像的完整LenkelBN型特发性脊柱侧凸三维非线性有限元模型，并对模型进行了有效性验证；在此基础上，仿真模拟LenkelBN型特发性脊柱侧凸后路三维矫形手术，探讨选择不同下固定椎(lowest instrumented vertebra，LIV)的矫形效果。 第一章 LenkelBN型特发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LenkelBN型特发性脊柱侧凸三维非线性有限元模型。 方法:选择1例18岁女性LenkelBN型特发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539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HyperMesh7.0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，生成完整的特发性脊柱侧凸三维有限元模型。参照文献赋予模型材料参数和实常数，固定约束骶骨，在T1上表面各节点沿Y轴施加100N拉力进行初步加载，检验模型的单元、节点质量能否达到计算要求。 结果:建立了完整的LenkelBN型特发性脊柱侧凸三维非线性有限元模型，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341228个，四面体单元1409929个，壳单元163132个，线缆单元715个和杆单元149个。对模型施加100N的拉力载荷，顺利通过计算。 结论:成功构建了基于志愿者个体化CT图像的LenkelBN型特发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；初步运算结果显示，有限元模型网格划分质量良好。 第二章 LenkelBN特发性脊柱侧凸三维有限元模型有效性验证 目的:通过与志愿者临床实验以及历史体外(尸体)实验对比，验证所建立的LenkelBN特发性脊柱侧凸三维有限元模型的有效性。 方法:(1)仰卧位左右Bending实验验证：在志愿者仰卧位左右Bending全脊柱X线上，测量Ti椎体中心偏移骶骨中垂线(center sacral vertical line，CSVL)的距离，分别设为A和B。对有限元模型进行如下约束、加载，模拟仰卧位左、右Bending实验：保持骶骨水平固定，约束和骶骨在X轴上平行的两边共4根肋骨最后方节点在Y轴方向的自由度，以此来模拟患者背部和摄片床的接触；在T1中心节点，于X或-X方向施加载荷，使T1中心相对CSVL分别向左、向右移动A和B大小的距离。比较X线片和有限元模拟凸侧Bending位下，各个弯Cobb角大小：并对比T1-L5各个椎体中心相对CSVL的偏移距离。(2)站立-仰卧实验验证：志愿者分别取站立和仰卧位拍全脊柱X片，并分别测量各个弯的Cobb角。根据志愿者体重，参照文献在有限元模型上分别模拟仰卧和站立，测量2种体位下各个弯的Cobb角，并和X片测量结果进行对照。(3)分段加载实验验证：在建立的模型中提取T10-11、T11-L1以及L1-S1三个节段，分别参照历史同类体外(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)仰卧位左右Bending全脊柱X片上测量和有限元模拟测量，上胸弯、主胸弯与腰弯凸侧Bending位Cobb角分别为14°，26°，8°和15°，24°，7°;相比X线片测量，有限元模拟误差为8.3％。左侧Bending位X片测量，T1-L5各椎体中心至CSVL的平均距离为9.83±7.08cm，有限元模拟的平均距离为9.55±7.04cm，经配对t检验t=1.77，p=0.095，按照检验水准α=0.05，判定二者没有统计学差异(P>0.05)；右侧Bending位X片测量，T1-L5各椎体中心至CSVL的平均距离为10.15±7.34cm，有限元模拟的平均距离为10.02±7.35cm，经配对t检验：t=1.9002，p=0.0756，按照检验水准α=0.05，判定二者没有统计学差异(P>0.05)。(2)站立位下，X片测量和有限元模拟测量上胸弯、主胸弯和腰弯的Cobb角分别为37°、50°、24°和33°、51°、24°;仰卧位下，X线测量和有限元模拟各个弯的Cobb角分别为29°、43°、22°和27°、42°、22°;相比X线片，有限元模拟平均误差为3.9％。(3) T10-11、T11-L1和L1-S1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、仰卧位左右Bending实验、站立-仰卧实验及分段加载实验，验证了所建立的LenkelBN型特发型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 LenkelBN型特发性脊柱侧凸后路三维矫形有限元模拟研究 目的:利用建立的LenkelBN型IS有限元模型，模拟后路三维矫形手术，并探讨选择不同下固定椎对矫形效果的影响。 方法:应用建立的LenkelBN型IS有限元模型，模拟后路全椎弓根螺钉固定三维矫形手术。具体约束加载如下：约束骶骨整体水平固定，参照文献在T1-L5各椎节分别施加模拟自身重力和肌肉因素的向下载荷，在固定节段凹侧模拟植入“椎弓根螺钉”，并放入“预弯”矫形钛棒，在棒末端施加向凹侧的旋转力矩，使棒向凹侧旋转90°，模拟旋棒矫形；同时在项椎区( T7-T10)固定螺钉施加10Nm的扭矩，模拟椎体直接去旋转矫形。上固定椎选择T4(上端椎+2)，下固定椎分别选择T12(中立椎)、L1(稳定椎)和L2(稳定椎+1)，比较三种固定方案的矫形效果。 结果:顺利完成加载模拟矫形，选择T12(中立椎)、L1(稳定椎)和L2(稳定椎+1)作为下固定椎模拟矫形后，上胸弯、主胸弯和腰分别矫正为：7.1°、7.4°、9.2°，6.4°、6.8°、8.3°和6.5°、7.2°、8.6°；矢状面胸椎后凸(T5-12)分别为21.3°、20.7°和20.5°；三种矫形方案，矫形效果无显著差异。 结论:首次通过有限元模拟研究表明：对于中度LenkelBN型特发性脊柱侧凸，选择性融合主胸弯可获得满意的腰弯自发矫正；应用全椎弓根螺钉固定结合项椎区椎体去旋转技术，可将下固定椎从稳定椎上移至中立椎，减少远端融合节段。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词

声明

前 言

第一章Lenke1BN型特发性脊柱侧凸三维有限元模型的建立

1.1引言

1.2实验材料

1.2.1实验对象

1.2.2设备及相关软件

1.3实验步骤

1.3.1选取实验对象

1.3.2获取CT二维断层图像

1.3.3建立脊柱侧凸三维几何模型

1.3.4模型的几何清理

1.3.5三维有限元模型的建立

1.4结果

1.5讨论

1.5.1脊柱侧凸有限元建模三维图像的采集

1.5.2脊柱侧凸有限元研究建模进展

1.5.3本模型的特点和局限性

1.6结论

参考文献

第二章Lenke1BN型特发性脊柱侧凸有限元模型有效性验证

2.1引言

2.2验证方法

2.2.1AIS有限元模型各部分材料参数及实常数设定

2.2.2有限元模型与研究对象的几何相似性验证

2.2.3仰卧位左右Bending试验验证

2.2.4站立-仰卧试验验证

2.2.5胸段脊柱T10-T11节段验证

2.2.6胸腰段脊柱T11-L1节段验证

2.2.7腰段脊柱L1-S1验证节段验证

2.3结果

2.3.1左右侧屈实验验证结果

2.3.2站立-仰卧试验验证结果

2.3.3胸段脊柱T10-T11节段验证结果

2.3.4胸腰段脊柱T11-L1节段验证结果

2.3.5腰段脊柱L1-S1验证节段验证结果

2.4讨论

2.4.1有限元生物力学研究的特点

2.4.2脊柱侧凸有限元模型的验证

2.4.3脊柱侧凸有限元模型验证方法的局限性

2.4结论

参考文献

第三章Lenke1BN型特发性脊柱侧凸后路三维矫形有限元模拟研究

3.1引言

3.2实验材料

3.2.1研究对象

3.2.2设备及相关软件

3.3研究方法

3.3.1 AIS有限元模型各部分材料参数及实常数设定

3.3.2重力和肌肉因素的模拟

3.3.3后路不同融合方案模拟

3.3.4有限元研究加载约束

3.4结果

3.5讨论

3.5.1特发性脊柱侧凸外科矫形技术进展

3.5.2Lenke1A/B型特发性脊柱侧凸下固定椎的选择

3.5.3矫形技术及手术入路对下固定椎选择的影响

3.5.4本研究的特点及不足

3.6结论

参考文献

全文总结及展望

综述 有限元法在脊柱生物力学研究中的应用进展

致谢

攻读博士学位期间科研成果