应力下金属棒形变的弹塑性有限元法预测及其在青少年特发性脊柱侧凸矢状面重建中的应用

摘要

青少年特发性脊柱侧凸是一种复杂的脊柱结构的三维畸形，包括脊柱在冠状面上的侧凸、矢状面的序列异常和轴状面的旋转。在以往的报道中对于脊柱畸形的矫正，研究的重点主要集中在对冠状面畸形的矫正上，近年来的研究发现对于矢状面畸形的矫正有着重要的意义，对术后患者的矢状面平衡的重建和患者的健康生活质量关系更为密切，因此近年来对于脊柱矢状面畸形的研究越来越多。人体矢状面的平衡是总体的平衡，包括脊柱-骨盆平衡，当有一部分平衡出现影响时需要其他的的部位进行相应的代偿，机体的代偿会增加人体的承受负荷，如果超出了人体的代偿限度，出现失代偿会对人体产生不利影响，包括疼痛、活动受限、甚至是内固定的断裂等不良结果。因此对于脊柱侧凸的手术矫形重建患者矢状面的参数，恢复术后正常的生理序列至关重要。对于脊柱矢状面的参数研究目前主要集中在临床病例的随访中，对于基础的生物力学相关的研究，目前报道甚少。 目的： 本研究通过建立三维有限元的方法，收集完整的CT扫描数据，利用计算机软件提取和处理，构建模拟真实脊柱结构的三维有限元模型并进行验证。通过模拟进行后路手术，探索不同材料的矫形棒矢状面效果，不同预弯弧度的参数设定对矢状面矫形的变化。改变手术方式，进行Ponte截骨松解后路脊柱结构后，研究矢状面参数，以及进行间隔置钉探索矢状面的变化。 方法： 1.脊柱侧凸非线性三维有限元模型的建立 收集一名14岁女性青少年特发性脊柱侧凸患者，常规检查排除其他疾病，对患者行CT薄层扫描，扫描范围为T1至骶尾骨，层厚设定为0.8mm，将数据导入到建模软件Mimics中，通过不同阈值的设定，获得提取的骨骼有限元模型图，然后对模型进行修饰，进行几何清理。并根据解剖和组织学参数，设定相应的属性，模拟重建椎间盘、韧带等组织结构，建立整体的脊柱结构模型，并与患者的术前相关参数进行比较，加载后与以往报道比较来验证有效性。 2.模拟不同材料弹塑性棒和预弯弧度矫正脊柱侧凸矢状面序列的有限元研究 在第一部分脊柱有限元模型建立的基础上，进行手术的模拟，并通过ABAQUS软件进行分析计算。分别设定不同的矫形棒参数，模拟钛合金棒和钴铬棒（Cocr）在设定预弯28°的生理弧度时，测量脊柱矢状面参数变化及螺钉应力。设定不同的钛合金棒的预弯弧度，当预弯弧度为40°时模拟脊柱矢状面的参数变化及螺钉应力变化。 3.间隔置钉和Ponte截骨矫正脊柱侧凸矢状面序列的有限元研究 本组研究中同样设定钛合金棒的预弯弧度为28°，设定同样的边界条件，模拟脊柱的手术矫形效果，模拟临床操作中对椎体两侧进行间隔置钉，比较矢状面参数的变化及螺钉应力变化。 对脊柱的顶椎区进行ponte截骨，松解的骨性连接和临近的韧带结构，并进行双侧全椎弓根螺钉置钉，进行加载运算与非截骨组进行比较脊柱矢状面的参数区别及螺钉应力变化。 结果： 1.完整的构建了AIS患者有限元模型，包括完整的胸腰椎椎体结构、骶骨、尾骨、椎间盘及韧带模型。其中韧带模型包括棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、前纵韧带、后纵韧带及横突间韧带。实体单元模拟骨组织，终板建模使用壳单元。韧带采用仿真实体韧带进行模拟。本模型共有3种单元类型，共计691271个单元，包括667459个实体单元，62838个壳单元，675个仿真实体单元。模型参数与患者X线进行比较，两者之间没有差别。进行加载实验，与报道的实验结果类似。 2.本研究对钴铬棒和钛合金棒两种材料属性进行手术模拟比较，设定预弯弧度为28°，两组手术模拟的边界条件设定为相同，钴铬棒矢状面胸椎后凸重建恢复到25°，钛合金矫形棒组为12°，两组之间椎体的矢状面位移比较，P＜0.05，有统计学意义，钴铬棒组应力增加。第一组中进行的预弯弧度为28°为对照组，设定的预弯弧度为40°，当预弯弧度增加时，可以获得更好的矫形力，获得更好的脊柱矢状面畸形的重建，同时增大了矫形螺钉拔出力，矢状面胸椎后凸角度恢复到27°，两组之间的椎体矢状面位移比较，P＜0.05，有统计学意义。 3.模拟间隔置钉治疗脊柱侧凸，脊柱侧凸患者矢状面矫形胸椎后凸弧度恢复到11°，增大了矫形螺钉拔出力，椎体矢状面位移变化与对照组进行比较，P＞0.05,没有统计学差异。Ponte截骨治疗组，患者胸椎后凸矫正为18°，螺钉拔出力降低，比较椎体矢状面位移变化，P＜0.05,两组间差异有统计学意义。 结论： 1.本研究依据收集的CT数据，导入到软件后，利用Mimics软件提取相关数据，包括完整脊柱侧凸模型，模拟了患者的椎间盘，并进行了仿真实体韧带模型的模拟。建立了具有完整的结构，几何参数相一致，单元网格划分详细精密，并选取了脊柱的部分节段进行了加载验证，与报道的实验数据结果近似，说明所建立的模型是有效的。 2.设定钴铬棒与钛合金棒的参数进行手术矫形模拟，发现钴铬棒具有更好的矢状面矫形效果，同时增大了矫形螺钉拔出力。当钛合金矫形棒的预弯弧度增大时，可以获得更佳的矢状面曲度的恢复，矫形螺钉拔出力增大。 3.使用钛合金棒间隔置钉治疗脊柱侧凸，发现间隔组和全钉组矢状面的效果无明显差异，矫形螺钉拔出力增大。模拟Ponte截骨联合全钉和钛合金棒治疗脊柱侧凸，与对照组比较脊柱矢状面参数变化，增大了胸椎后凸的恢复，同时降低螺钉拔出力。

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