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漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟路光普1，叶金铎1，冯晶晶1，耿立阳1，刘吉福2，钟伟弘1，董黎敏1 (1天津理工大学机械工程学院，天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津市 300384；2解放军北京军区总医院胸外科，北京市 100700) 引用本文：路光普，叶金铎，冯晶晶，耿立阳，刘吉福，钟伟弘，董黎敏. 漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟[J].中国组织工程研究，2017，21(19):3017-3022. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017....

漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟路光普1，叶金铎1，冯晶晶1，耿立阳1，刘吉福2，钟伟弘1，董黎敏1 (1天津理工大学机械工程学院，天津市先进机电系统

设计

领导形象设计圆作业设计 ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计

与智能控制重点实验室，天津市 300384；2解放军北京军区总医院胸外科，北京市 100700) 引用本文：路光普，叶金铎，冯晶晶，耿立阳，刘吉福，钟伟弘，董黎敏. 漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对胸廓变形影响的数值模拟[J].中国组织工程研究，2017，21(19):3017-3022. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.19.011 ORCID: 0000-0003-4575-5469(路光普) 文章快速阅读：路光普，男，1990年生，河南省鹤壁市人，汉族，天津理工大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。通讯作者：叶金铎，教授，硕士生导师，天津理工大学机械工程学院，天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津市 300384 中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:2095-4344 (2017)19-03017-06 稿件接受：2017-05-10 Lu Guang-pu, Studying for master’s degree, School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control, Tianjin 300384, China Corresponding author: Ye Jin-duo, Professor, Master’s supervisor, School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control, Tianjin 300384, China 文

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释义：NUSS微创矫形手术：目前临床上对于漏斗胸常用的治疗

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为NUSS微创矫形手术，它是在胸廓保持完整的前提下通过植入矫形板抬举凹陷的胸骨，以达到矫形的目的，NUSS手术替代了传统的Wada胸骨翻转术和Ravitch胸骨抬举术，具有无需截骨，切口小且隐蔽，手术时间短，出血少，恢复快等优点。NUSS手术的缺点是改变了前胸廓原有的力学环境，对脊柱也有牵拉作用，会造成脊柱的侧弯变形，是患者术后疼痛的主要原因。由于不同患者的个体差异较大，手术方案的制定尚缺少依据，多数依赖医生的经验。脊柱侧弯：是指脊柱的一段或几个节段偏离中线向侧方弯曲，形成一个弧度。临床上常用Cobb角判断脊柱侧弯的弯曲程度，Cobb角大于10°，即可诊断为脊柱侧凸。轻度的脊柱侧凸通常没有明显的不适，外观上也看不到明显的躯体畸形。较重的脊柱侧凸则会影响婴幼儿及青少年的生长发育，使身体变形，严重者可以影响心肺功能、甚至累及脊髓，造成瘫痪。轻度的脊柱侧凸可以观察，严重者需要手术治疗。摘要背景：目前对于漏斗胸微创矫形在生物力学方面的研究已经取得了一些进展，但还缺少脊柱侧弯矫形对漏斗胸胸廓变形的影响，没有脊柱侧弯与漏斗胸同时矫形方面的研究工作。目的：探索漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形对畸形胸廓变形的影响，为临床矫形手术方案设计提供参考。方法：采用三维重建方法，利用漏斗胸合并脊柱侧弯病例的CT图片，重建漏斗胸合并脊柱侧弯的胸廓实体模型，采用数值模拟方法模拟对漏斗胸微创矫形和脊柱侧弯拉伸矫形同时矫形的过程。结果与结论：①从漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形后再卸载的数值结果来看，T3-T5节胸椎两侧的横突有向左(X方向)移动1 mm左右，这说明漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形对脊柱侧弯有一定的帮助；②通过对比漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形与单纯漏斗胸矫形的数值结果可以看出，胸骨柄的最小位移差别明显，同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形胸在Y方向上比单纯进行漏斗胸矫形的位移大13.358 mm，说明采用同时矫形再卸载脊柱拉伸矫形对漏斗胸畸形改善有利；③在等效应力分布上，同时矫形后胸骨受到的最大应力比单纯进行漏斗胸矫形应力降低 24.6 MPa，说明同时矫形后再卸载脊柱拉伸矫形载荷能够显著降低胸廓的等效应力，有助于减轻患者的术后胸廓疼痛问题；④结果提示，漏斗形和脊柱侧弯同时矫形不仅对脊柱侧弯改善有利，对漏斗胸病症也有改善作用。关键词：骨科植入物；脊柱植入物；漏斗胸合并脊柱侧弯；三维重建；微创矫形；拉伸矫形；数值模拟；国家自然科学基金主题词：漏斗胸；脊柱侧凸；矫形外科手术；组织工程基金资助：国家自然科学基金(11372221)Effect of the simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on the thoracic deformity Lu Guang-pu1, Ye Jin-duo1, Feng Jing-jing1, Geng Li-yang1, Liu Ji-fu2, Zhong Wei-hong1, Dong Li-min1 (1School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control, Tianjin 300384, China; 2Departemnt of Thoracic Surgery, General Hospital of Beijing Military Region of Chinese PLA, Beijing 100700, China)Abstract BACKGROUND: Studies on the biomechanical properties in NUSS procedure have obtained some achievements, but the effect of scoliosis surgical correction of scoliosis on thoracic deformity remains unclear. OBJECTIVE: To explore the effect of simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on thoracic deformity so as to provide reference for designing a rational orthopedic scheme. METHODS: The three-dimensional reconstruction model of the chest was established based on the CT data of the patients with pectus excavatum and scoliosis. The surgical correction of pectus excavatum and scoliosis was simulated by numerical simulation method. RESULTS AND CONCLUSION: (1) Results after correction showed that the bilateral spinous processes at T3-5 segments displaced to the left (X direction) about 1 mm, suggesting that the simultaneous correction is favorable for the correction of scoliosis. (2) Compared with the single NUSS procedure, the displacement at Y direction was increased by 13.358 mm in the simultaneous correction; meanwhile, there was significant difference in the shortest displacement between two methods. (3) In views of Von Mises stress distribution, the stress in the simultaneous correction was decreased by 24.6 MPa compared with the single Nuss procedure, indicating that the simultaneous correction can significantly reduce the Von Mises stress on the chest, which contributes to alleviate the postoperative pain. (4) Our results show that the simultaneous correction cannot only improve scoliosis, but also improve the symptoms of pectus excavatum. Subject headings: Funnel Chest; Scoliosis; Orthopedic Procedures; Tissue Engineering Funding: the National Natural Science Foundation of China, No. 11372221 Cite this article: Lu GP, Ye JD, Feng JJ, Geng LY, Liu JF, Zhong WH, Dong LM. Effect of the simultaneous correction of pectus excavatum and scoliosis on the thoracic deformity. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(19):3017-3022. 0 引言 Introduction 漏斗胸是青少年胸壁畸形中较为常见的一种疾病，在新生儿中发病率为1/300-1/1 000，男女患病比例约为4∶1，部分患者会伴有脊柱侧弯[1-2]。漏斗胸典型症状为胸骨凹陷，挤压心肺时可导致呼吸和循环系统的功能异常，出现心慌、活动后气急、容易疲劳、不耐运动等症状表现[3-7]。漏斗胸的发病原因尚不明确，自愈的可能性较小，手术矫正漏斗胸被国内外学者普遍认为是惟一有效的方法[8-10]。目前临床上对于漏斗胸常用的治疗方法为NUSS微创矫形手术，它是在胸廓保持完整的前提下通过植入矫形板抬举凹陷的胸骨，以达到矫形的目的，NUSS手术替代了传统的Wada胸骨翻转术和Ravitch胸骨抬举术，具有无需截骨，切口小且隐蔽，手术时间短，出血少，恢复快等优点[11-14]。NUSS手术的缺点是改变了前胸廓原有的力学环境，对脊柱也有牵拉作用，会造成脊柱的侧弯变形，是患者术后疼痛的主要原因。由于不同患者的个体差异较大，手术方案的制定尚缺少依据，多数依赖医生的经验。脊柱侧弯是指脊柱的一段或几个节段偏离中线向侧方弯曲，形成一个弧度[15]。临床上常用Cobb角判断脊柱侧弯的弯曲程度，当30°分析

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，但是计算模型未没有考虑到脊柱，没有给出矫形后的应力应变场。2008年南方医科大学胡辉莹等[32-35]建立了包括锁骨、肋骨、脊柱在内的正常人体前胸廓模型并进行了胸外按压的生物力学测试，为胸廓模型建模的发展打下了良好基础。2010年日本学者Nagasao等[36]建立了梁单元的胸廓模型，比较了儿童和成人在术后胸廓的应力分布情况，其中对漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形过程的数值模拟与临床还有差别，一些数值模拟预测脊柱侧弯得到改善的病例术后脊柱侧弯加重。2016年Ye等[37]采用电测实验方法对人工胸廓模型进行了实验研究，用实验的方法得到了人工胸廓模型的应变分布规律。目前缺少脊柱侧弯矫形对漏斗胸胸廓变形的影响，没有脊柱侧弯与漏斗胸同时矫形方面的研究工作。对此文章开展了对漏斗胸合并脊柱侧弯同时矫形的生物力学研究，通过对NUSS微创矫形手术和脊柱侧弯拉伸矫形过程进行数值模拟，比较同时矫形对畸形胸廓位移场和应力场的影响。 1 对象和方法 Subjects and methods 1.1 设计数值模拟试验。 1.2 时间及地点于2016年11至12月在天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室完成。 1.3

材料

关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料

Mimics10.0软件，比利时Materialise公司；Geomagic Studio10.0软件，美国Geomagic公司；ANSYS12.0软件，美国ANSYS公司。 1.4 对象选择解放军北京军区总医院胸外科收治的1例漏斗胸合并脊柱侧弯患者，男，年龄16岁，术前脊柱Cobb角20°。 1.5 方法 1.5.1 有限元模型的建立将1例Cobb角为20o的漏斗胸与脊柱侧弯患者术前的CT扫描数据经医学图像软件Mimics处理后导入逆向工程软件Geomagic Studio进行光滑处理后得到三维实体模型，分别包括2块胸骨、12对肋骨和12块胸椎，胸骨厚度大小B=12.72 mm，长度L=149.61 mm，最小宽度H=20.97 mm，最大宽度H=61.3 mm。胸椎最小直径D=18.06 mm，最大直径D=37.17 mm，长度L=282.61 mm。依次导入有限元软件ANSYS中进行装配，坐标基准按照此前CT中默认的坐标系设立。模型中椎体与肋骨、肋骨与胸骨之间采取点点耦合位移的方法进行连接，胸椎间盘与椎体的连接方式采用黏接的形式。椎间盘的建立通过两个椎体间的布尔运算求和得到。最终得到三维实体模型如图1所示。 1.5.2 模型前处理单元类型选定solid45，材料参数选定线性各向同性。综合现有文献[38]，将胸骨、胸椎、肋骨弹性模量设定为E=380 MPa，泊松比μ=0.3；椎间盘的弹性模量设定为E=10 MPa，泊松比设定为μ=0.45，用四面体单元进行网格划分，共得到106 913个单元和56 584个节点。得到有限元模型如图2所示。 1.5.3 边界条件设定本次数值模拟设定两个载荷步。在第一个载荷步中将T12段胸椎底面位移约束，在T1胸椎上表面施加沿脊柱轴向8 mm的拉伸位移模拟脊柱的拉伸矫形。在第2块胸骨偏下方位置施加-40 mm的Y方向的矫形位移模拟漏斗胸的微创矫形。在第2个载荷步中对T1节胸椎上表面的脊柱轴向拉伸位移释放，模拟术后只保留的漏斗胸微创矫形。因为矫形过程中肋骨变形较大，考虑了几何非线性。在非线性求解设置中设置了合适的步长、子步数量、计算时间和计算结果输出频率等，采用残余力收敛准则，收敛精度设置为0.001。 1.6 主要观察指标通过数值计算结果查看脊柱和胸廓的位移场和等效应力云图，比较漏斗胸塌陷或改善的变化和脊柱侧弯的矫形效果。 2 结果 Results 2.1 微创矫形与脊柱拉伸矫形的数值模拟结果微创矫形与脊柱拉伸矫形后可以得到胸廓的位移场和应力场。图3，4绘制了矫形结束后，胸廓在矢状面的位移。从中可看出胸骨柄(矢状面)被抬高41.953 mm，肋骨随之向上移动，漏斗胸塌陷病症得到改善。脊柱在矢状面的位移UX位移场最大值为2.19 mm，位于T7-T8节胸椎，向右移动；最小值为-2.995 mm，位于T3-T4节胸椎，向左移动。脊柱向上最大位移8.176 mm，Cobb角明显减小，数值模拟达到了漏斗胸与脊柱侧弯同时矫形的效果。从应力分布来看，整体应力较为均匀，最大应力集中在第2块胸骨中端和胸椎T1-T4处，最大值分别为76.6 MPa和23.4 MPa，说明在矫形过程中胸骨的抬高是疼痛的主要原因。数值计算的矫形力与矫形位移如图5所示，矫形力与矫形位移基本成线性关系，随着矫形位移的增大矫形力逐渐增大。当矫形完成时，最大矫形力达到319.52 N。在开始矫正时，所需要的矫形力较小，随着矫正位移的增大，脊柱侧弯症状得到减轻，在脊柱拉伸矫形中，侧弯角度减小，矫形力矩的力臂也逐渐减小，矫形力矩取决于矫形力和矫形力臂，矫形力会出现呈增大趋势。 2.2 拉伸矫形释放后的数值模拟结果将同时矫形脊柱轴向拉伸的位移卸载，仅保留漏斗胸微创矫形。胸廓在矢状面的位移场如图6A所示，计算结果显示，整体胸廓最大矫形位移为-41.48 mm，发生在第2块胸骨右下方，与胸骨相连的左3、左4、左5、左6和右3、右4、右5、右6肋骨均有明显的抬高，左一和右一两根肋骨位移则变化不大，漏斗胸整体症状得到明显改善。图6B为前胸廓矫正后的等效应力分布，数值模拟结果显示，应力最大位置发生在第2块胸骨上，与矫形板所施加位移的位置一致，最大应力为45.9 MPa。图6C为胸廓变形矢量图，从图中可以看出胸骨柄位移较大。在拉伸脊柱矫形过程中，除了矫正了脊柱冠状面的侧弯，也矫正了胸椎矢状面的正常生理后凸。数值模拟计算的脊柱矫形位移场的应力场如图7所示，从数值结果来看，T3-T5节胸椎两侧的横突有向左(X方向)移动1 mm左右，这说明漏斗胸和脊柱侧弯同时矫形对脊柱侧弯有一定的帮助。脊柱所受到的最大应力为22.6 MPa，出现在胸椎T1段两侧的横突上，这可能与施加的位移的位置有关。如图8绘制了同时矫形且卸载脊柱拉伸矫形后胸骨和胸骨柄沿矢状面的位移场以及等效应力分布。胸骨柄和胸骨的位移变化呈梯度分布，最大位移发生在第2块胸骨下方，最大值为40.502 mm，上端胸骨柄位移数值为 15.478 mm，胸骨所受到的最大应为45.9 MPa。图9为同时矫形且卸载脊柱拉伸矫形后肋骨沿矢状面的位移场以及等效应力分布。肋骨在矢状面最大矫形位移为41.48 mm，发生在右侧第六根肋骨。在塌陷位置比较严重的左4、左5、左6和右4、右5、右6位置的肋骨均有明显 B A 图2 有限元模型 Figure 2 Finite element model 图1 漏斗胸与脊柱侧弯三维实体模型 Figure 1 Three-dimensional solid model of pectus excavatum combined with scoliosis 图注：图A为胸廓模型；B为脊柱侧弯模型。图3 同时矫形胸廓的数值结果 Figure 3 Numerical results of the chest after simultaneous correction 图注：图A为矢状面位移场/Uy(侧视)；B为矢状面位移场/Uy(俯视)；C为等效应力分布。 C B A 图4 同时矫形脊柱的数值结果 Figure 4 Numerical results of the spine after simultaneous correction 图注：图A为脊柱冠状面方向的位移场/ Ux；B为脊柱冠状面方向的位移场/Uz；C为等效应力分布。 C B A 矫形力(N) B A 图7 拉伸矫形释放后脊柱的数值结果 Figure 7 Numerical results of the spine after stretch, correction and releasing 图注：图A为脊柱冠状面方向的位移场/Ux；B为等效应力场。矫形位移(mm) 图5 矫形力-位移曲线图 Figure 5 Orthopedic force-displacement curve 图注：矫形力与矫形位移基本成线性关系，随着矫形位移的增大矫形力逐渐增大。当矫形完成时，最大矫形力达到319.52 N。图6 拉伸矫形释放后胸廓的数值结果 Figure 6 Numerical results of the chest after stretch, correction and releasing 图注：图A为矢状面位移场/Uy；B为等效应力场；C为变形矢量图。 C B A 图8 拉伸矫形释放后胸骨的数值结果 Figure 8 Numerical results of the sternum after stretch, correction and releasing 图注：图A为胸骨矢状面方向的位移场/Uy；B为胸骨的等效应力场。 B A B A

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