毕业论文-特发性脊柱侧凸椎体楔形变有限元模型分析

毕业论文-特发性脊柱侧凸椎体楔形变有限元模型分析 特发性脊柱侧凸椎体楔形变有限元模型分析 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 ［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。［方法］ 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。 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。 1.1 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。 通过逆向工程软件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 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 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。 Hueter-Volkmann原理［7］认为侧凸两侧应力不对称是引起椎体楔形改 变，并持续加重的根本原因，从而导致脊柱侧凸的不断进展，即生长板压力增 加抑制椎体生长发育（Hueter），而压力减小则促进其生长（Volkmann）。对于侧凸进展的病理机制，学者们围绕生物力学进行了大量的试验。Stokes等［1］在鼠尾椎体两侧分别给予撑开和加压，发现椎体生长的减慢或加速与应力 大小呈线性关系，验证了Hueter-Volkmann原理。Peter等［2］在随后的试验中也有类似发现，同样利用小鼠模型，分别在尾端第8和第10椎体经皮穿钢针，应用弹簧和固定环给予不对称加压，观察期间第9椎体变化情况，也得到了类 似的结果。二十多年前就有学者发现，侧凸患者两侧背部肌肉有不对称的肌电 图表现，成为脊柱两侧承载力不对称的重要组分，结合Hueter-Volkmann原理，使已经存在的椎体楔变加重，两者相互影响形成侧凸加重的恶性循环［8］。种种迹象表明椎体的不对称发育可能为侧凸进展最直接的原因，但一直没有相关 量化资料。对于青少年特发性脊柱侧凸患者，随着生长发育的进行，在不对称 应力的作用影响下，势必出现原有椎体楔变的加剧。理论上，凹侧应力应该较 凸侧要高，并且应力在顶椎区域应较为集中，向两端呈现逐渐减小的趋势，椎 体的楔变程度也应呈现相似改变。研究显示，在顶椎区域（T8、9）出现了明显的应力集中现象，无论在凸侧还是凹侧均呈现应力值向端椎逐渐减小的趋势。 但在两侧端椎区域，椎体楔变程度并不相等，T6～8比T10～12变形程度要大，在应力测试中发现，上3个胸椎应力要高于下3个胸椎，推测应力的大小可能 与椎体楔变程度成正相关。研究中考虑到下端椎固定后应力可能集中影响整体 力学分析，所以将其舍弃未纳入分析，但还是发现，在研究的上下端椎（T6、T12）处应力较邻接节段高。作者认为，上下端椎为负载作用点，应力可能会产 生集中，导致该处载荷增大。在结果中还发现，椎体B点的应力明显集中，作者考虑椎体形态不规则可能为主要原因。椎体在横断面上表现为周径向中心逐 渐减小，呈上下缘向中心的凹面结构，从而导致上下缘应力向中心凹面集中， 但其应力分布的总体趋势与其余两点相似。 本研究所用之有限元模型较以前模型有如下几方面的不同之处。在建模软件上， 该脊柱侧凸实体模型的建立综合了Simpleware、Geomagic两大软件各自实体建模功能的优点，使模型更加精确。在有限元网络划分上，有限元模型中韧带和 小关节囊用杆单元模拟，不仅最大程度上节约了计算资源；也避免了大量畸形 结构的产生，使计算精度得以提高。在材料属性方面，未进行皮质骨和松质骨 的区分，而把椎体当作一个整体赋予材料参数，避免了应力集中和应力遮挡 ［9］。整个模型单元，共划分了173 837个单元，274 704个节点，远远超过以前所建立的脊柱模型的单元和节点数。建成后的三维有限元模型较精确模拟 了脊柱侧凸的结构和材料特性，结构完整，单元划分精细，外观逼真，几何相 似性好。 Hueter-Volkmann原理中有关脊柱侧凸椎体两侧应力不对称和楔形变形，均在 有限元模型得到了验证。三维有限元分析法为脊柱侧凸的相关生物力学研究提 供了相当的便利，不仅可以进行具体数值水平的研究，还可以对复杂情况进行 适当的简化模拟研究，相信对于今后侧凸本身、支具及内固定的应用等方面有 限元模型会发挥更重要的作用。 ［1］ Stokes IAF, Spence H, Aronsson DD,et al. Mechanical modulation of vertebral body growth. Implications for scoliosis progression［J］. Spine，1996，21:1162-1167.［2］ Peter LM, Lan AF, Stokes, et al. Progression of vertebral wedging in an asymmetrically loaded rat tail model［J］. Spine，1997，22:1292-1298.［3］ Xiong B, Sevastik JA, Hedlund, et al. Radiographic changes at the coronal plane in early scoliosis［J］. Spine，1994，19:159-164.［4］ Ronchetti PJ, Stokes IAF, Aronsson DD. Vertebral body and disc wedging in scoliosis［J］. Res Spinal Deform，1997，1:81-84.［5］ Wever DJ, Veldhuizen AG,Klein JP, et al. A biomechanical analysis of the vertebral and rib deformities in structural scoliosis［J］. Eur Spine J，1999，8:252-260.［6］ Stefan P, Hubert L, Wafa S,et al. Vertebral wedging characteristic changes in scoliotic spines［J］. Spine，2004，29:455-462.［7］ Frank P，Castro Jr. Adolescent idiopathic scoliosis, bracing, and the Hueter-Volkmann principle ［J］.Spine J，2003:180-185.［8］ Stokes IA.Analysis of symmetry of vertebral body loading consequent to lateral spinal curvature ［J］.Spine，1997，22:2495-2503.［9］ 程立明，等.胸腰段后凸畸形对相邻椎间盘力学影响的三维有限元分析［J］.中国临床解剖学杂志，2003,21:273-276.