漏斗胸合并脊柱侧弯人工胸廓模型的电测实验研究

摘要

漏斗胸在青少年中的发病率呈逐年上升趋势，而微创矫形手术已经成为重要的治疗方法，因为缺少对漏斗胸合并脊柱侧弯病例矫形机理的研究，微创矫形手术面临加重脊柱侧弯变形的风险，此外也缺少在实验验证方面的研究工作。本文综合采用数值模拟和人工胸廓模型电测实验两种方法对一例漏斗胸合并脊柱侧弯症状的矫形过程进行了研究，获得了胸廓变形的规律。
　　受伦理限制，目前无法通过在体的电测试验获得患者的胸廓骨骼在矫形过程中的应变分布规律，同时因为无法获得具有漏斗胸合并脊柱侧弯患者的尸体标本，也无法对漏斗胸合并脊柱侧弯患者的尸体胸廓进行电测试验。但是，随着数字化医疗技术的发展，可以通过扫描患者的胸廓CT，采用Mimics、Geomagic studio、Pro/E、SolidWorks软件重建和制备漏斗胸合并脊柱侧弯患者的有限元模型并人工胸廓模型，对漏斗胸合并脊柱侧弯患者的有限元模型进行矫形过程的数值模拟，并根据数值模拟结果指导和设计漏斗胸合并脊柱侧弯人工胸廓模型的电测实验。
　　数值模拟仿真的有限元模型包括了胸骨、肋骨及胸椎，采用ANSYS软件模拟了漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形的过程，模拟中考虑了几何非线性的影响。数值模拟结果显示患者经矫形后胸骨被抬高，漏斗胸症状得到明显恢复，同时脊柱弯曲程度有所减轻，证实胸腔凹陷畸形与脊柱侧弯的弓形畸形在同一侧时，对漏斗胸矫形有助于改善脊柱侧弯症状。
　　作者设计制造了漏斗胸微创矫形手术器械，包括矫形板及其支架、穿通器、弯板器和翻转器。用基于快速成型技术的3D打印机制备挑选病例的肋骨，胸骨，椎体，制备成用于电测实验的漏斗胸合并脊柱侧弯人工胸廓模型。
　　在电测实验中，根据数值模拟结果设计了电测实验方案，布置了测点，在相应的漏斗胸合并脊柱侧弯人工胸廓模型对应位置粘贴应变片，进行了电测实验。实验设备包括WDW-10型微机控制电子万能试验机和DH3818-10静动态多通道电阻应变测试仪。通过电测实验，获得了胸廓模型在矫形过程中的应变分布规律，作者也将数值计算结果与实验结果进行了比较。
　　数值模拟与电测实验结果显示，漏斗胸合并脊柱侧弯人工胸廓模型经矫形后，漏斗胸症状得到明显改善，同时矫形过程会对脊柱侧弯产生一定影响。对于文中病例，胸腔凹陷畸形与脊柱侧弯的弓形畸形位于同一侧，脊柱侧弯症状得到改善，此结果与患者的临床手术结果一致。
　　文中采用的研究方法，包括用数值模拟结果指导电测实验方案设计和测点布置以及用电测实验结果验证数值模拟结果的方法，对于提高漏斗胸合并脊柱侧弯矫形手术的研究水平有积极意义。