PUMCⅡd1型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸后路三維矯形手術(shù)有限元研究

黃盛佳　霍洪軍　楊學(xué)軍　肖宇龍　邢文華　趙巖　祝勇　辛大齊　黃世清

010030　呼和浩特，　　內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院脊柱外科(黃盛佳、霍洪軍、楊學(xué)軍、肖宇龍、邢文華、趙巖、祝勇、辛大齊)；510632　廣州，　　暨南大學(xué)理工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)研究所(黃世清)

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·臨床研究·

PUMCⅡd1型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸后路三維矯形手術(shù)有限元研究

黃盛佳霍洪軍楊學(xué)軍肖宇龍邢文華趙巖祝勇辛大齊黃世清

010030呼和浩特，內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院脊柱外科(黃盛佳、霍洪軍、楊學(xué)軍、肖宇龍、邢文華、趙巖、祝勇、辛大齊)；510632廣州，暨南大學(xué)理工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)研究所(黃世清)

【摘要】目的建立PUMCⅡd1型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(AIS)的三維有限元模型，模擬后路三維矯形手術(shù)操作并分析其生物力學(xué)特征。方法采集1例14歲PUMCⅡd1型AIS女性志愿者T1至骶尾骨的CT 影像圖像，應(yīng)用Mimics 16.0、Geomagic Studio 11.0、ANSYS 14.0軟件建立完整的AIS三維有限元模型，進(jìn)一步構(gòu)建椎弓根釘-棒系統(tǒng)內(nèi)固定模型并模擬后路三維矯形手術(shù)操作，記錄脊柱側(cè)凸矯正的臨床指標(biāo)變化，采用Von Mises應(yīng)力峰值分析椎弓根釘-棒系統(tǒng)應(yīng)力分布。結(jié)果成功建立了PUMCⅡd1型AIS三維有限元模型，模型包括523 617個(gè)單元，159 008個(gè)節(jié)點(diǎn)。模擬后路三維矯形手術(shù)后，AIS有限元模型的胸彎和腰彎矯形率分別達(dá)到55.7%和71.4%；頂椎區(qū)L1和L2椎體去旋轉(zhuǎn)角度分別為22.77°和23.42°，其椎體質(zhì)心偏移中線距離分別為6.72 mm和8.91 mm。L1椎體凸側(cè)(左側(cè))螺釘應(yīng)力峰值為257.82 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度。頂椎區(qū)各椎體(T12～L3)凸側(cè)螺釘應(yīng)力大于凹側(cè)，且應(yīng)力集中于釘尾與釘身交界處以及釘尾與矯形棒聯(lián)接處。結(jié)論AIS有限元模型的建立及手術(shù)模擬能為AIS生物力學(xué)研究提供量化指標(biāo)，并為PUMCⅡd1型AIS手術(shù)方案的制定以及治療效果的預(yù)測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸；有限元分析；生物力學(xué)；后路三維矯形

Three-dimensional finite element investigation of posterior surgical correction of PUMC type Ⅱd1 adolescent idiopathic scoliosisHUANGSheng-jia1,HUOHong-jun1,YANGXue-jun1,XIAOYu-long1,XINGWen-hua1,ZHAOYan1,ZHUYong1,XINDa-qi1,HUANGShi-qing2.

DepartmentofSpinalSurgery,theSecondAffiliatedHospitalofInnerMongliaMedicalUniversity1,Huhhot010030,China;InstituteofAppliedMechanics,CollegeofScienceandEngineeringatJinanUniversity2,Guangzhou510632,China

Correspondingauthor:HUOHong-junE-mail:huohongjun456@sina.com

【Abstract】ObjectiveTo establish three-dimensional finite element models of the Peking Union Medical College (PUMC) type Ⅱd1 adolescent idiopathic scoliosis (AIS) for simulating the posterior surgical correction and analyzing the biomechanical characteristics of pedicle screws fixation. Methods CT images were collected from a 14-year-old female volunteer. By using several kinds of software, such as Mimics 16.0, Geomagic Studio 11.0 and ANSYS 14.0, the three-dimensional finite element models of AIS was established and analyzed. The individual finite element model was applied to simulate the posterior surgical correction. The clinical indicators of AIS were recorded and the distribution of Von Mises stresses in internal fixation system was evaluated. Results The three-dimensional finite element model of PUMC type Ⅱd1 AIS was established successfully, which was consisted of 523 617 elements and 159 008 nodes. After simulation of posterior surgical correction, the correction rate of thoracic curve and main lumbar curve were 55.7% and 71.4%, respectively. Apical region L1, L2vertebra to the rotation angles were 22.77° and 23.42°, the distances from their vertebral body to the midline were 6.72 mm and 8.91 mm, and the Von Mises stress of pedicle screws of L1convex side (left side) was 257.82 MPa, far less than the yield strength. The stress of screws in the convex side was greater than the concave side, and the stress concentrated on the conjunction of rod to screw and the conjunction of nail to shank. Conclusion Three-dimensional finite element simulation is able to provide quantitative indicators of AIS biomechanics experiments, which could further establish the theoretical basis for the surgical planning and effectiveness evaluation.

【Key words】Adolescent idiopathic scoliosis； Finite element analysis； Biomechanics； Posterior three-dimensional correction

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(AIS)指冠狀面上Cobb角大于10°并伴有明顯的椎體旋轉(zhuǎn)和矢狀面前凸或后凸異常的三維脊柱畸形。目前它的病因尚不明確，其在國(guó)內(nèi)的發(fā)病率為1%～3%，但由于國(guó)內(nèi)人口基數(shù)大，發(fā)病數(shù)量相當(dāng)龐大[1-3]。目前矯形內(nèi)固定術(shù)已成為治療AIS的主要方法之一。近年來(lái)研究[4-5]發(fā)現(xiàn)，椎弓根釘-棒系統(tǒng)較傳統(tǒng)的鉤棒系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的三維矯形能力。但由于AIS發(fā)病特點(diǎn)、發(fā)病年齡及畸形程度不同，如果手術(shù)方案設(shè)計(jì)缺乏合理性，不僅難以達(dá)到矯形的目的，而且增加了手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率。本研究利用AIS患者的CT影像學(xué)數(shù)據(jù)，建立了T1至骶尾骨完整的AIS有限元模型，并模擬了后路椎弓根釘-棒系統(tǒng)內(nèi)固定手術(shù)操作，通過(guò)有限元軟件分析內(nèi)固定物的應(yīng)力分布特征，以探討在有限元模型上模擬臨床手術(shù)的可行性和治療效果，為合理設(shè)計(jì)手術(shù)方案、評(píng)估手術(shù)效果等臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1數(shù)據(jù)及軟件

選擇1例女性AIS志愿者(14歲，身高142 cm，體重32.5 kg)，攝脊柱全長(zhǎng)正側(cè)位X線片并進(jìn)行MRI掃描，排除脊柱及脊髓其他異常，結(jié)合病史確診為AIS，進(jìn)一步攝仰臥左右側(cè)屈位(Bending位)X線片，診斷為PUMCⅡd1型[6]。在我院影像科 CT 室(掃描條件為120 KV、125 mA、層厚1.25 mm，掃描范圍為T1～S1)完成CT圖像數(shù)據(jù)的采集，并以標(biāo)準(zhǔn)Dicom格式進(jìn)行刻盤保存。

軟件：Mimics 16.0醫(yī)學(xué)三維重建軟件(比利時(shí)Materialise公司)；Geomagic studio 11.0逆向工程軟件(美國(guó)Raindrop公司)；ANSYS 14.0有限元分析軟件(美國(guó)ANSYS公司)。

1.2建立AIS三維有限元模型

將CT掃描獲得的斷層圖像(Dicom格式)導(dǎo)入Mimics 16.0軟件中，采用閾值分割和區(qū)域增長(zhǎng)功能將骨組織提取出來(lái)，并對(duì)幾何模型進(jìn)行包裹和光順等處理，使模型的結(jié)構(gòu)外形更加逼真。運(yùn)用軟件的三維重建和布爾減運(yùn)算生成出椎間盤(包括髓核和纖維環(huán))、肋軟骨等結(jié)構(gòu)，建立包括胸廓結(jié)構(gòu)的完整AIS三維幾何模型(圖1)，再經(jīng)Geomagic Studio 11.0軟件對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪等圖像處理，并生成三維有限元模型，最后導(dǎo)入ANSYS 14.0軟件進(jìn)一步添加韌帶、設(shè)置單元類型、定義材料屬性和進(jìn)行有限元分析處理。

根據(jù)人體解剖學(xué)知識(shí)，通過(guò)手動(dòng)在椎體前緣和后緣分別添加前縱韌帶和后縱韌帶，在椎板間添加黃韌帶，在橫突間添加橫突間韌帶，在棘突間添加棘間韌帶和棘上韌帶，在小關(guān)節(jié)之間添加關(guān)節(jié)囊韌帶。韌帶均采用桿單元(link 10)模擬以達(dá)到僅保持張力而無(wú)壓力的特征。脊柱椎體、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤、肋骨、肋軟骨和胸骨等均采用solid 187四面體單元，而韌帶均采用link 10桿單元。將關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)定義為面-面接觸，由于關(guān)節(jié)被關(guān)節(jié)囊韌帶包裹且關(guān)節(jié)面之間的摩擦很小，因此將模型中小關(guān)節(jié)的面-面接觸定義為無(wú)摩擦特性。

骨性結(jié)構(gòu)和椎間盤均模擬為各向同性的彈性材料。根據(jù)文獻(xiàn)[7-10]確定骨、椎間盤、軟骨、韌帶屬性(下頁(yè)表1)。將各個(gè)結(jié)構(gòu)材料的彈性模量、泊松比和橫截面積等材料系數(shù)輸入模型中，最終在ANSYS 14.0軟件內(nèi)建立完整的PUMCⅡd1型AIS三維有限元模型(圖2)。

圖1　完整的AIS三維幾何模型

圖2　完整的AIS三維有限元網(wǎng)格

脊柱結(jié)構(gòu)彈性模量/MPa泊松比橫截面積/mm2椎體皮質(zhì)骨12000.00.300-椎體松質(zhì)骨100.00.200-髓核1.00.499-纖維環(huán)4.20.450-胸骨10000.00.200-肋骨5000.00.100-肋軟骨480.00.100-前縱韌帶20.0-63.7后縱韌帶20.0-20.0黃韌帶19.5-40.0橫突間韌帶58.7-1.8棘間韌帶11.6-40.0棘上韌帶15.0-30.0關(guān)節(jié)囊韌帶32.9-30.0

1.3驗(yàn)證AIS三維有限元模型有效性

本研究通過(guò)從測(cè)算模型中提取2個(gè)相對(duì)正常的節(jié)段(T1～4和L5～S1)，將其在各種工況加載下的活動(dòng)度與Busscher等[11]、Yamamoto等[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證該模型的有效性。有限元模型的邊界狀態(tài)和載荷設(shè)定：T1～4節(jié)段為完全約束T4椎體下表面，在T1的上表面分別加載大小均為4 Nm的力矩來(lái)模擬屈伸、左右側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；L5～S1節(jié)段為完全約束骶尾骨的表面，在L5的上表面分別加載大小均為10 Nm的力矩來(lái)模擬屈伸、左右側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨后進(jìn)行有限元運(yùn)算分析，在ANSYS軟件后處理中獲得2個(gè)節(jié)段模型的活動(dòng)度。

1.4建立椎弓根釘-棒內(nèi)固定有限元模型

預(yù)先在ANSYS軟件中建立椎弓根釘-棒內(nèi)固定系統(tǒng)的有限元模型(圖3)。模型均采用四面體實(shí)體單元，脊柱與螺釘之間的交界面采用理想黏接，限制椎體螺釘界面間所有方向的自由度，釘-棒之間則定義為面-面接觸，限制螺釘與螺帽界面之間所有方向的自由度。將矯形的棒軸心位置與螺釘中心連接成圓柱關(guān)節(jié)，只允許上下位移和左右旋轉(zhuǎn)，模擬手術(shù)矯形過(guò)程中螺釘沿棒上下滑動(dòng)及自由旋轉(zhuǎn)，而將上下固定椎的螺釘與矯形棒設(shè)置為單純的旋轉(zhuǎn)自由度。內(nèi)固定物的材料均為鈦合金，其彈性模量和泊松比分別為110 GPa和0.3。

1.5后路三維矯形手術(shù)操作的有限元模擬

由于本研究AIS為PUMCⅡd1型，根據(jù)邱貴興等[6,13]的報(bào)道對(duì)該類AIS可采用單純固定融合主腰彎畸形。本研究的手術(shù)方案設(shè)計(jì)采用T10～L5全節(jié)段椎弓根螺釘內(nèi)固定的方法。于術(shù)前模擬后路廣泛松解操作，即去除融合節(jié)段內(nèi)所有的黃韌帶、棘突上韌帶、棘突間韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶等結(jié)構(gòu)。在模擬手術(shù)操作過(guò)程中，先在側(cè)凸融合范圍內(nèi)(T10～L5)雙側(cè)置入椎弓根螺釘，將矯形棒預(yù)彎成矢狀面腰椎的生理曲度，在腰彎凸側(cè)(左側(cè))置入第1個(gè)矯形棒，并逐節(jié)段完成釘棒鏈接操作，此過(guò)程中需適度壓棒，以減少冠狀面的側(cè)凸，同時(shí)加大腰椎生理前凸；將矯形棒轉(zhuǎn)動(dòng)90°后，使得冠狀面上側(cè)凸畸形轉(zhuǎn)變成矢狀面上腰椎生理前凸。在腰彎凹側(cè)(右側(cè))置入另一矯形棒并半鎖緊螺釘，可根據(jù)患者實(shí)際情況在凸側(cè)螺釘間適當(dāng)加壓而在凹側(cè)適當(dāng)撐開，目的是為了增大矢狀面上腰椎前凸曲度，最后待矯形滿意后即可鎖緊全部螺釘(圖3)。

1.6評(píng)估指標(biāo)

記錄冠狀面 Cobb 角、矢狀面前凸角、頂椎區(qū)各椎體旋轉(zhuǎn)情況和位移及椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力分布情況。

圖3后路矯形過(guò)程模擬圖(后面觀)a. 置入椎弓根螺釘 b. 置入矯形棒c. 90°轉(zhuǎn)棒d. 置入穩(wěn)定棒并鎖定

2 結(jié)果

2.1AIS三維有限元模型的建立

完整建立了PUMCⅡd1型AIS三維有限元模型，包括胸腰椎、骶尾骨、胸廓、椎間盤及脊柱所有韌帶等結(jié)構(gòu)。共包括522 887個(gè)四面體單元和730個(gè)桿單元，共計(jì)523 617個(gè)單元、159 008個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中采用14種材料性質(zhì)、2種單元類型。所建立的AIS三維有限元模型外形逼真，幾何相似性較高。

2.2AIS三維有限元模型的有效性驗(yàn)證

將提取的T1～4和L5～S1模型在屈伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)模擬狀態(tài)下的活動(dòng)度分別與 Busscher等[11]和Yamamoto等[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，其結(jié)果吻合度較好(圖4、5)，因此可認(rèn)為本模型符合AIS患者個(gè)性化生物力學(xué)特征，能用于下一步實(shí)驗(yàn)研究。

圖4T1～4節(jié)段模型活動(dòng)度與Busscher等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

圖5L5～S1節(jié)段模型活動(dòng)度與Yamamoto等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

2.3矯形效果及臨床相關(guān)指標(biāo)

完成三維有限元模型矯形加載模擬后，其最終的矯形效果和位移云圖見(jiàn)圖6。本研究中術(shù)后胸彎矯形率為55.7%，腰彎矯形率為71.4%，腰椎前凸角增大，均較術(shù)前明顯改善(表2)；脊柱側(cè)凸冠狀面Cobb角明顯改善，矢狀面腰椎前凸的正常生理曲度得以維持。

表2　手術(shù)前后脊柱冠狀面和矢狀面

通過(guò)模擬手術(shù)發(fā)現(xiàn)，后路椎弓根釘-棒系統(tǒng)內(nèi)固定能很好地消除頂椎區(qū)域各椎體旋轉(zhuǎn)，具有良好的去旋轉(zhuǎn)及強(qiáng)大的中線糾正能力(表3)。

表3　手術(shù)前后頂椎區(qū)各椎體去旋轉(zhuǎn)

2.4椎弓根螺釘應(yīng)力分布變化

術(shù)后各椎弓根螺釘最終應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖7，結(jié)果顯示L1椎體凸側(cè)(左側(cè))螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值達(dá)257.82 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度[14]，且椎弓根螺釘應(yīng)力高值主要集中在頂椎周圍節(jié)段，其中頂椎區(qū)域各椎體(T12～L3)的凸側(cè)螺釘應(yīng)力大于凹側(cè)，且應(yīng)力主要集中在釘尾與釘身交界處及釘尾與矯形棒聯(lián)接處(圖8)。

圖6　術(shù)后脊柱最終位移云圖(mm)

圖7　術(shù)后各螺釘應(yīng)力值折線圖

圖8　術(shù)后螺釘應(yīng)力分布圖(MPa)

3討論

3.1AIS有限元分析

AIS對(duì)患者的外觀、生活質(zhì)量和心肺功能等造成了極大的危害，目前臨床上矯形內(nèi)固定手術(shù)已成為治療AIS的主要方法，但其操作復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較大,且手術(shù)方案的制定往往是根據(jù)術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)，缺乏不同患者、不同畸形類型的生物力學(xué)研究依據(jù)。由于難以建立有意義的動(dòng)物模型和獲得尸體標(biāo)本[15-16]，傳統(tǒng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足AIS生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要。有限元分析是一種新型計(jì)算機(jī)模擬生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，它是對(duì)傳統(tǒng)生物力學(xué)機(jī)制研究的有效補(bǔ)充和創(chuàng)新。

AIS畸形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模較為困難，且其模型缺少有效的體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，故有限元方法運(yùn)用于AIS的研究相對(duì)較晚。Viviani等[17]于1986年最早將有限元方法應(yīng)用在脊柱側(cè)凸手術(shù)模擬領(lǐng)域，但由于采用的是簡(jiǎn)易的線性二維模型，難以真實(shí)反映脊柱側(cè)凸患者的情況。Lafage等[18]于2004年首先對(duì)所建立的脊柱側(cè)凸患者三維有限元模型進(jìn)行CD矯形手術(shù)的模擬，經(jīng)置入釘-棒、90°轉(zhuǎn)棒及置入穩(wěn)定棒和鎖定，最后釋放應(yīng)力。Little等[19]在建立的8例AIS有限元模型上模擬矯形手術(shù)，發(fā)現(xiàn)術(shù)后位于或鄰近頂椎的椎間盤所受應(yīng)力最大，脊柱側(cè)凸畸形大多數(shù)發(fā)生在頂椎相鄰椎體，且AIS冠狀面矯形效果主要影響因素是椎間盤空間。Pasha等[20]建立了11例右主胸彎、23例左胸腰彎的脊柱側(cè)凸患者及12例正常人的個(gè)體化有限元模型，發(fā)現(xiàn)脊柱側(cè)凸組與對(duì)照組骶骨上終板應(yīng)力分布重心位置顯著不同，在脊柱和骨盆之間傳遞負(fù)荷時(shí)，胸腰彎患者對(duì)骶骨負(fù)荷影響較主胸彎患者大。Abe等[21]在矯形術(shù)前后對(duì)20例AIS患者進(jìn)行CT掃描及有限元分析，證實(shí)術(shù)中凹側(cè)矯正力較凸側(cè)大4倍左右，其中螺釘拔出力和推進(jìn)力均明顯低于之前文獻(xiàn)的安全值。目前采用CT或MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)建立個(gè)體化脊柱側(cè)凸模型并對(duì)有限元模型進(jìn)行手術(shù)模擬已成為有限元研究的新方向，應(yīng)用逆向工程軟件及有限元分析軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行有限元分析研究不僅能準(zhǔn)確地模擬手術(shù)矯形過(guò)程，還能為手術(shù)方案設(shè)計(jì)和術(shù)后效果預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

3.2本研究有限元模型的特點(diǎn)

本研究是利用螺旋CT連續(xù)掃描圖像而構(gòu)建的模型，包含了胸廓結(jié)構(gòu)以及從T1至骶尾骨所有的脊柱結(jié)構(gòu)。對(duì)于CT圖像上難以顯示的椎間盤和肋軟骨，本研究根據(jù)其解剖位置關(guān)系通過(guò)Mimics軟件來(lái)重建，并將椎間盤進(jìn)一步劃分了纖維環(huán)和髓核兩部分。此外，根據(jù)解剖定位添加了黃韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶等，使得所建的模型更接近患者真實(shí)效果，也更符合個(gè)體化生物力學(xué)研究的要求。因此，所建立的模型不僅幾何形態(tài)相似度較高，還能準(zhǔn)確地分析脊柱和相關(guān)結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特點(diǎn)。該有限元模型主要包括14種材料性質(zhì)和2種單元類型，還包括730個(gè)link 10桿單元和522 887個(gè)solid 187四面體實(shí)體單元，共計(jì)523 617個(gè)單元。與其他研究建立的模型相比，本研究所建的AIS模型具有簡(jiǎn)化程度較低、精確度及幾何相似性較高的特點(diǎn)，因此其符合后續(xù)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的要求。

本研究采用醫(yī)學(xué)三維重建軟件Mimics和逆向工程軟件Geomagic studio，并導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行添加韌帶、設(shè)置單元類型和賦予材料屬性，建成了高質(zhì)量的PUMCⅡd1型AIS三維有限元模型，再提取所建模型的2個(gè)相對(duì)正常節(jié)段(T1～4和L5～S1)分別與Busscher等[11]和Yamamoto等[12]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示兩者吻合度較好，證實(shí)該模型可靠性和有效性較好，能較客觀地體現(xiàn)PUMCⅡd1型AIS患者個(gè)性化生物力學(xué)屬性，為該類型患者生物力學(xué)研究和手術(shù)分析、設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)字化平臺(tái)。

3.3本研究有限元模擬結(jié)果的分析

本研究參考邱貴興等[6]關(guān)于特發(fā)性脊柱側(cè)凸PUMC分型系統(tǒng)的手術(shù)推薦方案，對(duì)PUMCⅡd1型AIS有限元模型進(jìn)行后路手術(shù)矯形模擬，并獲得了令人滿意效果。本研究通過(guò)模擬后路椎弓根釘-棒系統(tǒng)內(nèi)固定來(lái)矯正脊柱側(cè)凸畸形，手術(shù)矯形后主腰彎的Cobb角度從術(shù)前55.4°矯正為15.8°，其矯形率達(dá)到71.4%；代償性胸彎的Cobb角度從術(shù)前35.0°自發(fā)矯正為15.5°，其矯形率達(dá)到55.7%。手術(shù)矯形模擬結(jié)果顯示，在頂椎區(qū)各椎體(T12～L3)的螺釘應(yīng)力值較高，其中L1椎體凸側(cè)螺釘最大應(yīng)力值達(dá)257.82 MPa，參考鈦合金螺釘屈服強(qiáng)度為894～2 068 MPa[14]，本研究模擬的手術(shù)方法中各螺釘應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，提示術(shù)中和術(shù)后內(nèi)固定物疲勞或斷裂的可能性較低。同時(shí)，該患者主腰彎椎體和內(nèi)固定物對(duì)應(yīng)的Von Mises應(yīng)力峰值較胸彎椎體高，尤其是L1和L2的應(yīng)力達(dá)到最高值，表明主腰彎頂椎區(qū)椎體的畸形程度較嚴(yán)重，術(shù)中椎體的去旋轉(zhuǎn)角度較大，且向中線糾正距離較長(zhǎng)，使得應(yīng)力多集中在主腰彎頂椎區(qū)各椎體和內(nèi)固定物上。因此，筆者建議在對(duì)該類患者實(shí)施后路三維矯形手術(shù)時(shí)，應(yīng)在頂椎區(qū)各椎體上置入椎弓根螺釘(雙側(cè)置釘)，并盡可能選用直徑、長(zhǎng)度與術(shù)前測(cè)量數(shù)據(jù)最接近的螺釘，目的是避免頂椎區(qū)椎體承受應(yīng)力過(guò)度集中導(dǎo)致椎體骨折或釘?shù)狼懈瞵F(xiàn)象，以及避免螺釘松動(dòng)或斷裂現(xiàn)象，以保證后路矯形手術(shù)的安全性和有效性。

通過(guò)有限元模擬手術(shù)的數(shù)據(jù)分析可了解AIS患者術(shù)后Von Mises應(yīng)力分布情況，這不僅可明確后路矯形手術(shù)多個(gè)節(jié)段螺釘?shù)膽?yīng)力分布規(guī)律，還能判斷螺釘與骨質(zhì)之間以及螺釘與矯形棒之間的應(yīng)力變化。本研究通過(guò)對(duì)所建模型進(jìn)行后路三維矯形手術(shù)操作的模擬，在矯形完成后脊柱側(cè)凸椎體序列和生物力學(xué)特征均發(fā)生明顯改變。術(shù)后頂椎區(qū)各椎體(T12～L3)的螺釘應(yīng)力峰值均較高，其中凸側(cè)椎弓根螺釘應(yīng)力值均明顯高于凹側(cè)。因此，臨床制定脊柱側(cè)凸手術(shù)方案時(shí)，應(yīng)保證該區(qū)域凸側(cè)椎弓根螺釘?shù)臄?shù)量，并盡可能地選用規(guī)格合適的椎弓根螺釘。此外，術(shù)后內(nèi)固定物的應(yīng)力分布主要集中在釘尾與釘身交界處及釘尾與矯形棒聯(lián)接處。有限元模擬研究能進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)應(yīng)力遮擋和應(yīng)力過(guò)于集中部位的分布規(guī)律，以提示及時(shí)調(diào)整和更換內(nèi)固定物，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的釘棒變形或斷裂。因此，對(duì)AIS患者術(shù)后生物力進(jìn)行分析研究，可大大提高內(nèi)固定物使用的安全性和有效性，也能為AIS手術(shù)治療方案的制定提供一定的理論支持。

3.4不足之處

本研究尚存在不足之處：三維有限元模型的材料屬性數(shù)據(jù)均來(lái)自于國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，且缺乏同類實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參照對(duì)比；在建模過(guò)程中對(duì)有限元模擬進(jìn)行了一定的線性簡(jiǎn)化處理；在模擬手術(shù)過(guò)程中無(wú)法保持序貫的手術(shù)操作，故只能分析比較手術(shù)矯形的始末狀態(tài)，使得有限元模擬研究與實(shí)際的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在一定差異；由于AIS是一極其復(fù)雜的整體，涉及到肌肉和韌帶的牽拉作用、脊髓神經(jīng)的耐受能力以及強(qiáng)大的代償能力等問(wèn)題，計(jì)算機(jī)模擬難以達(dá)到真實(shí)的臨床手術(shù)操作。因此，有限元模擬研究結(jié)果只能提供參考和方向性的指導(dǎo)作用，并不能完全取代傳統(tǒng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)。但隨著有限元建模技術(shù)和有限元分析方法的不斷改良，這些問(wèn)題有望得到進(jìn)一步解決。

綜上所述，本研究在PUMCⅡd1型AIS有限元模型上進(jìn)行了后路三維矯形手術(shù)的有限元模擬，探索出一套具有通用性脊柱側(cè)凸手術(shù)矯形的有限元模擬方法，搭建了具有個(gè)體化生物力學(xué)特性的脊柱側(cè)凸數(shù)字化平臺(tái)，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)患者治療效果、制定手術(shù)矯形策略以及探討脊柱側(cè)凸治療中的爭(zhēng)議等提供了參考依據(jù)。

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(收稿：2015-05-03; 修回：2015-10-26)

(本文編輯：盧千語(yǔ))

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.01.011

通信作者：霍洪軍E-mail: huohongjun456@sina.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(81160216)