特发性脊柱侧凸椎体楔形变有限元模型分析5

特发性脊柱侧凸椎体楔形变有限元模型分析5 作者:杨晓明，顾苏熙，李明，余慧琴，丁祖泉，傅强，方 秀统 王静杰，倪建强 【摘要】 ,目的, 建立青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型， 并在模型上进行初步应力统计分析，量化比较部分应力值。,, 对1例特发性脊柱侧凸患者行薄层CT扫描,获得的原始数据通过有限元 软件建立特发性脊柱侧凸三维有限元模型，在该模型上直接进行相关测 量，并选取若干应力点分析正常载荷下的受力情况。,结果,侧凸段各 椎体楔性变在顶椎区域最大，椎体各点应力分布也呈现顶椎区域集中的 现象，楔变和应力大小均呈现向端椎逐渐减小的趋势。,结论,脊柱侧 凸三维有限元模型可以方便地进行脊柱侧凸各种条件下的应力变化分 析，为脊柱侧凸的相关生物力学理论和临床研究提供了可能。 【关键词】 特发性脊柱侧凸; 有限元; 生物力学; Hueter- Volkmann原理 Abstract: ,Objective,To establish 3D finite element model of adolescent idiopathic scoliosis. Stress analysis on established 3D finite element model was done to compare the specific quantity of stress among every vertebra. ,Method, Under the help of related softwares, 3D finite element model was established from CT scan of a adolescent idiopathic scoliosi. A number of points were chosen on the model. Stress analysis was done in normal loading.,Result,Vertebral wedging and stress distribution showed significant regularity. The result was the largest in the apical region, and showed a gradual decrease to the end vertebral.,Conclusion,Relative biomechanical and clinical analysis can be easily conducted on 3D finite element model of scoliosis. It is possible to analyze diversity of stress on different conditions. Key words:idiopathic scoliosis; finite element; biomechanical; Hueter-Volkmann principle 脊柱侧凸是最常见的脊柱畸形之一，是合并有冠状面侧方弯曲以及 矢状面、横断面异常的三维畸形，其中以青少年特发性脊柱侧凸最多 见。虽然国内外众多学者进行了大量基础及临床研究，但其确切病因及 进展机制仍不明确。众多 文献 报道Hueter-Volkmann原理可能在脊柱 侧凸进展过程中扮演了重要角色,1、2、4、5,。本研究就是利用建立 的特发性脊柱侧凸有限元模型，对该法则进行力学分析探讨。 1 资料与方法 1.1 一般资料 青少年特发性脊柱侧凸患者(Lenke1AN)，女，17岁。应用螺旋CT沿人体横断面进行扫描，扫描范围为T6上缘到L1下缘(侧凸段)，扫描层距为0.8 mm，共277层，数据以DICOM和BMP两种格式存盘。 1.2 研究方法 1.2.1 模型建立:利用获得的薄层断面资料进行二维图像的初步处理，将同一张图片内属于不同椎体的部分分为不同图片保存，提取出单个椎体图像信息。将处理后的每一椎体的图片导入Simpleware2.1软件，建立相应笛卡儿坐标系生成每一椎体的三维实体模型。加入间盘结构后，得到侧凸段三维实体模型。通过逆向软件Geomagic 8.0对所得模型表面打磨光滑，并将其表面拟合成C1连续的非均匀有理B样条(NURBS)曲面。最后，将模型导入ABAQUS 6.6软件，对椎体和椎间盘用三维10节点四面体结构实体单元C3D10M进行网格划分，对关节囊和韧带用三维桁架单元T3D2模拟， 参考 相关文献赋予各部分材料属性，生成三维有限元模型(表1)。 1.2.2 测量分析:在模型各椎体选取6个作用点，A、C点为矢状面椎体上下缘中点，B点为A、C两点连线中点，在每一作用点周围再选取6个点，以其平均值代表该点最终应力值(如图1)。模型L1椎体下表面固定，对T6上端进行垂直加载150 N，其结果应力云图如图2所示。同时，在实体椎体模型上分别测量单个椎体凸侧最大宽度和凹侧最小宽度值 表1 模型各部材料特性及单元类型部位弹性模量泊松比单元类型椎体5 0000.3C3D10M后部结构3 5000.25C3D10M椎间盘520.45C3D10M髓核0.20.5C3D10M韧带100.45T3D2小关节囊100.45T3D2图 1椎体表面各点示意图 2 结果 载荷条件下,有限元模型上各受力点所在处具体应力值如下(表2)。表中数值均为各点的平均值，以四舍五入统一精确至小数点后三位。并分别以凸侧，凹侧和平均值将表中数据转化为图表形式(图3,4)。表2 载荷下椎体各点应力值(MPa兆帕)ABC平均值凸侧凹侧凸侧凹侧凸侧凹侧凸侧凹侧 图4椎体凹侧各点应力值 椎体凸侧各点应力值在分布图上可以清晰发现T9处最大，总体上是向两端呈逐渐减小的变化趋势，但上下端椎处各点应力均较邻近节段为高。在凹侧，应力分布基本也呈现出以T8、9为中心向两端递减，对于A点和C点，侧凸上段椎体应力普遍较下段高。同时还可以发现，B点应力值无论在凸侧还是凹侧都较其余两点要高数倍不等。图3中，凹侧平均应力值较凸侧高1,5倍。 通过实体模型测量获得椎体两侧高度值(表3)，并将凹侧与凸侧高度取比值后，结果绘制成图(图5)。图示中可以发现T8、9，即顶椎区域两侧比值较小，亦呈现向两端比值趋于1。表3 各椎体两侧高度值(mm 毫米)]T6T7T8T9T10T11T12 凹侧 16.87615.25714.91216.69018.44820.18021.789凸侧 19.01717.69318.30720.41120.81921.61223.093凹/凸 0.8870.8620.8150.8170.8860.9340.944图5各椎体两侧高度比 3 讨论 生物力学因素在脊柱侧凸进展过程起主要作用，而椎体楔形改变则是青春期特发性脊柱侧凸进展的重要原因,1、2,，无论在影像学，还是在尸体标本上都观察到椎体的上述改变,3、4,。Wever等,5,分别对特发性脊柱侧凸患者和侧凸尸体进行三维CT重建，清楚显示椎体楔形改变。随后，Stefan等,6,进行了30例侧凸患者共471个椎体实体测量，并设立了同等例数的正常人标本为对照组，发现椎体楔变在顶椎表现最明显，且越靠近中立椎，楔变越小，楔变主要在侧凸的凹侧，凸侧与正常组无明显差异。本研究结果与上述发现得到了很好的吻合。在对重建的实体椎体形态的观察中亦有类似结果，并且对椎体两侧高度进行测量比较后发现椎体楔变在顶椎区域最明显，表现为凹侧与凸侧高度比率最大，两侧高度差值也最大，并向端椎侧逐渐减小，至T12两侧基本等高。