半脊椎所致先天性脊柱侧凸有限元建模及三维矫形生物力学研究

目的探讨基于患者CT图像建立个体化的半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型的方法,运用建立的模型仿真模拟半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形手术,分析研究半脊椎切除后,选择不同手术方式的矫形效果和生物力学特点,为优化临床治疗方案提供理论依据。 方法选择1名13岁女性半脊椎所致先天性脊柱侧凸志愿者作为研究对象。取仰卧位,使用螺旋CT从T1上缘至骶骨以1mm间距进行连续扫描,获得Dicom格式CT图像507张。导入逆向工程软件Mimics10.01,建立包括胸-腰-骶椎和胸廓等结构的完整脊柱侧凸三维几何模型,并对模型进行几何清理,初步划分壳单元网格。然后导入有限元前处理软件HyperMesh 8.0做网格质量控制和实体单元划分,参照文献赋予模型材料属性,生成完整的脊柱侧凸三维有限元模型。将模型的正侧位视图与临床仰卧位正侧位X线片对比,并在建立的模型中提取T1-T4、T5-T8、L1-L4和L1-S1四个脊柱节段,分别参照文献报道的体外实验对有限元节段模型进行约束加载,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。运用模型进一步模拟临床左右侧屈位实验,与临床实际进行对比研究,按正交试验设计,通过直观分析法,优化模型参数,实现模型的个体化生物力学属性。利用建立的个体化半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型,仿真模拟半脊椎切除术、前路或后路螺钉固定三维矫形技术,初步探讨选择前路或后路固定矫形,以及不同节段固定的矫形效果和生物力学特征。 结果建立了完整的半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型,包括胸-腰-骶椎、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,共划分节点109936个,四面体单元411988个,壳单元87847个,线缆单元690个和杆单元138个。模型逼真地描绘了患者脊柱的结构特点,其正位、侧位曲线与临床X线片脊柱曲线完全吻合；T1-T4、T5-T8、L1-L4和L1-S1各节段有限元模型加载结果与各自参照的体外实验结果非常接近,误差均小于10%。通过参数优化,选出了模型与临床实验差异性最小的参数组合：A2B1C1,即该脊柱侧凸有限元模型胸段、胸腰段和腰段椎间盘材料属性的系数为别为1,0.2,0.2,此时模型在左、右侧屈位和站立位的模拟效果与临床实际无明显统计学差异(P>0.05)。顺利完成手术模拟操作,结果显示,半脊椎切除后,后路固定矫形效果好于前路固定矫形,特别是对后凸角的矫正,矫正率均大于50%；后路短节段固定矫形与长节段固定矫形在对脊柱侧后凸矫形效果上相差不大,差异值小于5°。 结论本研究应用计算机辅助工程软件,首次建立了基于志愿者CT图像的完整半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型,并对模型进行了有效性验证和参数优化,成功仿真模拟了半脊椎所致先天性脊柱侧凸的三维矫形手术,基于该患者个体化手术模拟结果表明,后路短节段固定矫形为最佳治疗方案。这种有限元分析方法能够为脊柱侧凸的生物力学研究提供量化指标,帮助医生预测患者的矫形过程和效果,并能针对具体患者进行个体化的仿真模拟操作和生物力学分析,为临床实践提供一定的理论依据,并为今后医生制定和优化脊柱侧凸的临床治疗方案开辟了新的途径。