成人退變性脊柱側(cè)凸有限元模型的建立及后路三維矯形生物力學(xué)研究.pdf

1、本研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)軟件，建立了基于志愿者個(gè)體化CT圖像的成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證和材料參數(shù)的優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，仿真模擬成人退變性脊柱側(cè)凸后路三維矯形手術(shù)，探討目前臨床上爭(zhēng)論比較多的退變性脊柱側(cè)凸近端融合椎以及遠(yuǎn)端融合椎如何選擇的問題。
　　 第一章、成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的建立
　　 目的：應(yīng)用CAE軟件，建

2、立基于志愿者個(gè)體化CT圖像的成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型。
　　 方法：選擇1例61歲女性成人退變性脊柱側(cè)凸志愿者作為研究對(duì)象。取仰臥位，應(yīng)用螺旋CT從T1上緣至尾骨以1mm間距進(jìn)行連續(xù)掃描，獲得Dicom格式CT圖像522張。導(dǎo)入逆向工程軟件Mimics10.01，建立包括胸-腰-骶尾椎和胸廓等結(jié)構(gòu)的完整脊柱側(cè)凸三維幾何模型。對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，然后導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh8.0劃分有限元實(shí)體網(wǎng)格，并參照文獻(xiàn)

3、添加椎間盤及韌帶結(jié)構(gòu)單元，生成完整的成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型。
　　 結(jié)果：建立了完整的成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，包括胸-腰-骶尾椎、椎間盤、胸廓及脊柱所有韌帶、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。模型共采用4種單元類型，14種材料性質(zhì)；劃分節(jié)點(diǎn)136398個(gè)，四面體單元509819個(gè)，殼單元95835個(gè)，線纜單元680個(gè)和桿單元132個(gè)。
　　 結(jié)論：成功構(gòu)建了基于志愿者個(gè)體化CT圖像的成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，模型完整

4、、逼真地還原了被模擬對(duì)象的脊柱特點(diǎn)。
　　 第二章、成人退變性脊柱側(cè)凸有限元模型有效性驗(yàn)證
　　 目的：通過與X線片以及以往體外（尸體）實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證所建立的成人退變性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的有效性。
　　 方法：(1)有限元模型與研究對(duì)象的幾何相似性驗(yàn)證：將建立的模型與仰臥位X線片對(duì)比，了解模型與實(shí)際相符合的程度。(2)分段加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在建立的模型中分別提取T1-T4、T5-T8、T9-T12以及T1-L1節(jié)

5、段，參照同類體外（尸體）實(shí)驗(yàn)對(duì)有限元節(jié)段模型進(jìn)行約束加載，并將加載結(jié)果與各自參照的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的有效性。
　　 結(jié)果：(1)各椎體中心位置，以及矢狀面、冠狀面上各彎的角度，有限元模型與仰臥位X線片之間均有很好的一致性；(2)T1-T4、T5-T8、T9-T12以及T1-L1各段有限元模型加載結(jié)果與各自參照的歷史體外（尸體）實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
　　 結(jié)論：從幾何外形以及分段加載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所建立的成人退變

6、性脊柱側(cè)凸模型的可靠性和有效性，為下一步生物力學(xué)模擬研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 第三章、三維有限元模型生物力學(xué)屬性的個(gè)體化
　　 目的通過參數(shù)優(yōu)化，讓有限元模型的形態(tài)和材料屬性均實(shí)現(xiàn)個(gè)體化，使之具有個(gè)體特異的生物力學(xué)屬性。
　　 方法(1)模擬仰臥位左右側(cè)屈試驗(yàn)：通過約束和加載力量，將有限元模型中的上下端椎位置與臨床側(cè)屈試驗(yàn)所得位置相吻合，然后再對(duì)模型中椎體序列形成的Cobb角弧度進(jìn)行評(píng)判，并將計(jì)算的結(jié)果與臨床試驗(yàn)對(duì)

7、照；(2)按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三因素三水平分析，對(duì)不同節(jié)段的椎間盤材料屬性進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；(3)利用優(yōu)化后模型模擬左右側(cè)屈和站立試驗(yàn)，將計(jì)算結(jié)果和臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。
　　 結(jié)果：對(duì)于該脊柱側(cè)凸患者而言，腰段椎間盤的材料屬性對(duì)于脊柱柔韌性的影響最大；當(dāng)胸彎、腰彎和下腰彎的椎間盤材料屬性的系數(shù)分別為8、0.2和1時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果與真實(shí)情況最為接近。材料參數(shù)優(yōu)化后的模型，其生物力學(xué)行為和實(shí)際臨床結(jié)果有更好的一致性。
　　 結(jié)

8、論：通過參數(shù)優(yōu)化，明顯改善了模型的仿真特性，提高了對(duì)脊柱側(cè)凸手術(shù)治療效果的預(yù)測(cè)率。為進(jìn)一步對(duì)脊柱側(cè)凸的手術(shù)策略研究提供理論支持。
　　 第四章、成人退變性脊柱側(cè)凸后路三維矯形有限元模擬研究
　　 目的：利用已建立并優(yōu)化的成人退變性脊柱側(cè)凸有限元模型，模擬后路三維矯形手術(shù)，并比較不同置釘方案的矯形效果。探討退變性脊柱側(cè)凸近端融合椎以及遠(yuǎn)端融合椎該如何選擇。
　　 方法：分別建立螺釘及矯形棒等椎弓根螺釘固定系統(tǒng)的三維

9、有限元模型，然后用有限元的方式實(shí)現(xiàn)去旋轉(zhuǎn)矯形過程，著重分析手術(shù)矯形過程中螺釘應(yīng)力值變化情況以及各椎體位移改變情況，以獲得成人退變性腰椎側(cè)凸從凸側(cè)進(jìn)行三維矯形的生物力學(xué)變化規(guī)律。根據(jù)臨床報(bào)道的退變性脊柱側(cè)凸近端融合椎和遠(yuǎn)端融合椎的選擇策略，分別設(shè)置不同的置釘方案，在生物力學(xué)屬性完全吻合的有限元模型上對(duì)比不同矯形操作中椎體成角及位移，螺釘應(yīng)力變化及分散程度，比較術(shù)后冠狀面，矢狀面及橫截面的矯形效果，綜合考慮不同矯形策略的手術(shù)效果，提出優(yōu)化手

10、術(shù)的治療方案。
　　 結(jié)果：(1)探索出一套成人退變性腰椎側(cè)凸從凸側(cè)矯形的有限元仿真建模方法，實(shí)現(xiàn)了后凸型側(cè)凸患者，90°去旋轉(zhuǎn)操作的模擬；(2)四種矯形方案的冠狀面Cobb角以及矢狀面腰椎前凸角無(wú)明顯差別。上端融合至T10的矯形方案與融合至L1的矯形方案相比，融合節(jié)段與非融合節(jié)段之間有更好的過渡，頂椎區(qū)去旋轉(zhuǎn)作用以及向中線糾正的能力更強(qiáng)。下端融合至S1的矯形方案與融合至L5的矯形方案相比，下端椎螺釘應(yīng)力較高，而L5/S1椎間盤