先天性脊柱侧凸冠状面腰骶段柔韧性三维有限元分析和相关临床研究

摘要

目的：建立正常人脊柱冠状面腰骶段和先天性脊柱侧凸患者冠状面腰骶段不同柔韧性的三维有限元模型，比较分析三种模型在不同载荷下的形变、位移、应力和刚度等力学数值变化，并对先天性脊柱侧凸后路矫形固定术前冠状面腰骶段椎间角的变化与术后躯干偏移(Trunk Shift，TS)进行回顾性临床相关性研究，通过临床研究结果验证有限元模型的有效性，从生物力学和临床实践双方面评估先天性脊柱侧凸患者术前冠状面腰骶段椎间角变化对制定手术方案的应用价值和可行性。
　　方法：首先分别以一名正常人和术前冠状面腰骶段柔韧性不同（随访中是否发生不可代偿的躯干偏移）的两名先天性脊柱侧凸患者为建模样本，通过螺旋CT扫描获得腰骶段DICOM格式的图像数据，将其导入到三维重建软件MIMICS中，根据选取CT图像中各组织的灰度值不同，通过阈值来提取相应的组织，生成3D模型，并将通过GEOMAGIC进行简化处理后的腰骶段三维模型导入到有限元软件ABAQUS中进行不同载荷状态下的力学指标分析;而后回顾性分析我院2010年1月至2014年6月以来行后路矫形内固定手术治疗的921例先天性脊柱侧凸患者，选择未行截骨和半椎体切除手术而术后冠状面躯干偏移（骶骨中点至经C7铅垂线的垂直距离）大于等于20mm的患者，通过对术前站立位全脊柱正位X线片、仰卧位左右Bending相X线片、术后及随访时站立位全脊柱正位X线片进行测量，记录冠状面躯干偏移，腰骶段（L4-5和L5-S1）术前左右Bending相椎间角变化，术后及随访时腰骶段椎间角变化，以及脊柱侧凸Cobb角变化等数值，将所有完成随访的患者按照术前腰骶段椎间角变化不同分为A-1组和A-2组，再按照末次随访时躯干偏移情况分成B-1组和B-2组。对两种不同分组患者的各项观察指标分别进行统计学分析;最后从有限元模型不同力学特点和回顾性临床研究结果评估先天性脊柱侧凸患者术前冠状面腰骶段椎间角变化对制定手术方案的应用价值和可行性。
　　结果：不可代偿性模型（随访中发生不可代偿的躯干偏移）和可代偿性模型（随访中发生可代偿的躯干偏移）在受不同侧向力的情况下，两种模型的应力分布几乎没有变化，但是两种模型的位移变化情况相差较大，可代偿性模型在同样载荷作用下会产生更大的位移变化。可代偿性模型的刚度明显小于不可代偿性模型的刚度，也就是说可代偿模型在受到同等力的作用下更容易变形。在回顾性临床研究中，对所有患者末次随访躯干偏移和术前L4-L5及L5-S1仰卧位Bending相椎间角变化的绝对值和进行回归分析，发现两者之间存在明显负相关（P=0.001，r=0.-0.51）。再进一步计算所有患者L4-L5及L5-S1仰卧位Bending相椎间角变化绝对值之和的均值为10.3±6.1°，以L4-S1Bending相椎间角变化绝对值之和按照10°为界将患者分为A-1组(≥10°)和A-2组(＜10°)，两组患者的末次随访躯干偏移行T检验存在明显统计学差异(P=0.001)。再将所有患者按照末次随访躯干偏移分为B-1组(TS＜20mm)和B-2组(TS≥20mm)，所有患者在术前和术后躯干偏移比较时无统计学差异，而经过平均12个月随访后，两组患者的躯干偏移出现了显著统计学差异，而且两组椎间角在L4-L5和L5-S1节段Bending相变化的比较中均存在明显统计学差异（P值均＜0.01）。在先天性脊柱侧凸胸弯和腰弯Cobb角度的变化中，A、B两组所有患者术后胸弯和腰弯Cobb度数均较术前了发生统计学意义的变化。其中A-2和B-1组患者的胸弯角度在随访中还发生了具有显著统计学意义的变化，而A-1和B-2组患者在随访时胸弯的变化不具有统计学意义。两组患者腰弯的变化与胸弯类似，A-2和B-1组患者在术后和随访中腰弯存在明显变化，A-1和B-2组患者术后腰弯度数变化明显，而在随访中腰弯度数变化不大。
　　结论：在对先天性脊柱侧凸冠状面腰骶段有限元模型和相应的回顾性临床研究所得出的结果进行分析研究后发现，通过术前冠状面腰骶段椎间角的变化可以预测先天性脊柱侧凸患者术后是否会发生不能自我矫正的躯干偏移，并指导手术方案的选择。

目录

摘要

前言

第一部分：正常人脊柱冠状面腰骶段的三维有限元分析

材料与方法

结果

讨论

参考文献

第二部分：先天性脊柱侧凸冠状面腰骶段柔韧性三维有限元分析

材料与方法

结果

讨论

参考文献

第三部分：先天性脊柱侧凸后路矫形固定术前冠状面腰骶段椎间角的变化与术后躯干偏移临床相关性研究

资料与方法

结果

讨论

参考文献

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