《LENKE 1型特发性脊柱侧凸有限元建模及手术矫形的生物力学评价与比较研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LENKE 1型特发性脊柱侧凸有限元建模及手术矫形的生物力学评价与比较研究（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二军医大学博士学位论文Lenke 1型特发性脊柱侧凸有限元建模及手术矫形的生物力学评 价与比较研究姓名：顾苏熙申请学位级别：博士专业：骨科学指导教师：李明20090501第二军医大学博士学位论文捅要【背景】目前具有三维平面节段性矫形能力的椎弓根螺钉内固定系统不仅具有良好的力学稳定性和固定强度，更能对脊柱施以强大的去旋转矫正力，极大的促进了脊柱侧凸的三维矫形效果。然而据文献报道，一方面如椎管破损、神经系统损伤、大动脉侵犯等潜在危险性却阻碍了椎弓根螺钉系统的推广；另一方面全椎弓根螺钉矫治时，相应置钉节段的选择尚未统一标准，仍受医师经验性判断的制约。如何最大范围的减少椎弓根螺钉数目，在降低置钉风险
2、、节约医疗费用的同时；获得满意的脊柱侧凸三维矫形效果，成为当前学术界的研究热点。脊柱侧凸椎弓根螺钉矫形过程中所牵涉到的复杂生物力学动态变化情况，则可能成为解决问题的关键。探讨具体节段螺钉所受应力情况，矫形操作过程中张力变化数值，为比较不同置钉方案中矫形效果，明确关键椎体位置，指导手术提供了理论基础。【目的】目前尚无研究探讨选择性置钉较常规连续置钉如何影响脊柱侧凸的椎体序列发生矫正的生物力学机制。本课题通过构建椎弓根螺钉系统手术矫正脊柱侧凸的有限元模型进行计算机模拟分析，结合临床研究报告，按照有限元建模及有效性验证，个体化生物力学赋值，模拟手术矫形操作，比较不同置钉方案等四个步骤进行。即为多种不
3、同置钉方式的矫形效果做一个初步的评价，亦为脊柱侧凸生物力学的比较，评价，预测研究甚至优化手术方案，提供参考依据和理论支持。【方法】1 有限元研究及有效性验证基于逆向工程原理，以C T 扫描图片为原始资料，获取L e n k e l A N 型青少年特发性脊柱侧凸患者的从第六胸椎( T 6 ) 上缘到第一腰椎( L 1 ) 下缘( 侧凸C o b b 角段) 的薄层螺旋C 1 值，扫描范围为扫描层距为0 8 m m 。将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。导入S i m p l e w a r e 2 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。加入椎间盘结
4、构后，得到侧凸段三维实体模型。通过逆向工程软件G e o m a g i c 8 0 对所得模型表面打磨光滑，并将其表面拟合成C 1 连续的非均匀有理B 样条( N U R B S ) 曲面。最后，将模型导入A B A Q U S 6 6 软件，参考相关文献赋予各部分结构的材料属性，划分单元网格生成三维有限元模型。将这些模型分别导入大型有限元软件A b a s q u s 6 7 2 中进行前处理并执行有限元相关计算，就不同工况的计算结果进行位移及应力分析。选用国外先前类似研究结果进行计算对比，验证其有效性。L e n k e1 型特发性脊柱侧凸有限元建模及手术矫形的生物力学评价与比较研究2
5、个体化生物力学赋值结合临床侧屈位和牵引位摄片的数据，然后按照正交实验设计进行三因素三水平分析，对椎间盘材料属性和皮质骨厚度进行参数优化，最终实现生物力学属性的个体化。3 模拟手术矫形操作采用C A D 技术分别建立螺钉及矫形棒等椎弓根螺钉固定系统的计算机模型，然后用有限元的方式实现去旋转矫形的动态变化过程，着重分析了手术矫形过程中螺钉应力值变化情况以及各椎体位移改变情况，以获得三维矫形过程中复杂的力学变化规律。4 比较不同置钉方案根据临床报道关键椎体螺钉选择技术，分别设置不同的置钉策略，通过可视化界面将螺钉逐个置入目标椎弓根中；基于已建立的脊柱侧凸有限元模型实现对多种矫形手术方案的仿真模拟。比
6、较不同方案的位移、旋转及成角变化值，综合考虑不同置钉策略的手术效果，提出优化手术的治疗方案。【结果】基于c T 扫描数据建立了几何形态和生物力学特征均符合个体化特点的脊柱侧凸的三维几何和有限元模型。通过G e o m a g i c ，S i m p l e w a r e ，A B A Q U S 软件构建的脊柱侧凸有限元模型包括8 个椎体( T 6 L 1 ) ，7 个椎间盘( 髓核、纤维环) ，以及附属结构( 小关节、前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带和黄韧带) 。整个模型单元划分采用了2 种单元类型，6 种材料性质，共划分了2 3 2 3 1 5 个单元，3 5 6 8 3 0 个
7、节点，远远超过以前文献报道的脊柱模型的单元和节点数。通过与临床侧屈位片及牵引位片进行比较，采用统计学中正交设计的方法对模型进行力学赋值后，具备有单元划分精细，外观逼真，几何相似性好的特征，实现了形态学和生物力学特性的个体化要求。通过有限元法将9 0 。去旋转矫形分为上矫形棒，转棒，上稳定棒三个步骤，每一步均产生一定的矫形效果，其中第二棒的植入对顶椎的矫正较为明显。再根据脊柱侧凸序列的应力分布特性，与传统的双排全节段椎弓根螺钉矫形相比，不同的置钉矫形方式仍存在不同程度的差异。其中关键椎体螺钉方案与连续性置钉方案的矫形效果类似。为手术治疗方案的优化提供了理论和实验依据。【结论】本研究提出了一套具有
8、通用性的脊柱侧凸复杂结构的建模方式，并且探索出将手术矫形操作过程分步化，动态化及精确化的具体操作流程，实现了脊柱外科矫形内固定手术的有限元仿真快速建模的技术路线和方法。该方法配合可视化装配技术可以实现对各种不同生理形态的脊柱侧凸畸形及不同手术置钉策略及内固定器械的模拟，搭建了一个分析矫形操作生物力学特点的虚拟平台；为未来对手术器械进行了二次优化3 第二军医大学博士学位论文设计，预测手术疗效创造前提。最终形成了一套针对脊柱侧凸矫形手术的有限元模拟分析的完整的设计、分析、评价体系。【关键词】青少年特发性脊柱侧凸，椎弓根螺钉，生物力学，有限元法，置钉方案，关键椎体螺钉技术A b s t r a c
9、tf B a c k g r o u n d slW i t ht h e 1 r e e d i m e n s i o n a lp l a n ec o r r e c t i v ea b i l i t y ，s e g m e n t a lp e d i c l es c r e wf i x a t i o ns v s t e mn o to n l yh a sg o o dm e c h a n i c a ls t a b i l i t ya n df i x a t i o ns t r e n g t h ，b u ta l s os t r o n gd e r
10、 o t a t i o na b i l i t y ，a n dg r e a t l yp r o m o t e dt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o r r e c t i o nr a t eo fS c o l i o s i s H o w e v e r ，a sr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e ，t h ep o t e n t i a ld a n g e r so fs p i n a lc a n a li n v a s i o n ，n e r v es y s t e
11、 mi n j u r y ，a n dt h ev i o l a t i o n so fa r t e r yh i n d e r e dt h ep r o m o t i o no fp e d i c l es c r e ws y s t e m O n 舭o m e rh a n d , t h er o l eo fp e d M eS C r e Wp l a c e m e n ti nt h ef u s i o nl e v e l sh a sn e v e rr e a c h e dac o n H n o ns t a n d a r d ，s t i l
12、la c c o r d i n gt os u r g e o n s p e r s o n a le x p e r i e n c e T h e r e f o r e ，h o wt or e C I u c et h en u m b e ro fp e d i c l es c r e w sf o rr e d u c i n gt h er i s k sa n dc u tt h em e d i c a le x p e n s e s ，a n dg a i nt h es a t i s f i e dc o r r e c t i o no fs c o l i
13、o s i sa tt h es a m et i m e ，b e c o m et h ec u r r e n ta c a d e m i cr e s e a r c h e r s m a i ni n t e r e s t s T h ec o m p l e xd y n a m i cb i o m e c h a n i c a lc h a n g e si n v o l v e di nt h ec o r r e c t i o np r o c e d u r em i g h tb et h ek e yp o i n t st os o l v et h e
14、p r o b l e m E x p l o r i n gt h es t r e s sv a r i a t i o n so fs e g m e n ts c r e 、猖，c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns e v e r a lp e d i c l es c r e wp l a c e m e n ts t r a t e g i e s ，m i g h tp r o v i d et h eg u i d a n c eo fp l a n m a k i n go fs c o l i o
15、 s i ss u r g e r y 【o b je c t i v e s lV e r vf e wm e t h o d sh a v eb e e nr e p o r t e di nl i t e r a t u r et oa n a l y z et h ee f f e c to fi n t r a o p e r a t i v e吼l r g i c a lg e s t u r e s ，a n dn o n ec o n s i d e r st h es t r e s sa n dt h r e e d i m e n s i o n a lk i n e m
16、 i c si nc o n e c t i o no ft h ee n t i r es p i n ed u r i n gt h em a i ns u r g i c a lg e s t u r e s B yc o n s t r u c t i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp e d i c l es c r e ws y s t e m si ns c o l i o s i so p e r a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec l i n i c a lI e s e a 】hr e p o r t s ，w ea i mt os o l v et h ep r o b l e mi nf o u rs t e p s ：t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n dv a l i d a t i o I l t h ei n d i v i d u
