特发性脊柱侧凸有限元研究进展

Ｓｐｉｎｅ，２００３，２８（１５）：１６７２一１６７７． ［１１］Ｋｒｉ６ Ｄ，ｓａｌ∞Ｄｅ Ｇａｕｚｙ Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ皿ｉｃａｌ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｎｅ¨－Ｔｏｕｌｏｕ盹一Ｍｕｎｓｔｅｒ
ｂｒ们ｅ ｉｎ ｔＩｌｅ砸｛ａｔｒ眦ｎｔ ｏｆ∞ｏｌｉｏｓｉ８岫ｉＩｌｇ 叩ｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ印ｐｒ∞ｃｈ∞ｄ ｆｉｎｊｔｅ ｅｌｅｍ∞ｔ
１２３（４）：２５５—２６０．
［９］Ｐ６ｒｉ６Ｄ，Ａｕｂｉｎ ｃ Ｅ，Ｌ扯ｒｏｉｘＭ，ｅｔ ａ１．
Ｂｉｏ眦ｃｈ肌ｉｃａｌ ｍｏｄｅＵ吨０ｆ ｏｎｈｏｔｉｃ
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ｄｅｔａｉｌｅｄ Ｉｅｐｎ！ｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｃｅ－ｔｏｒｓｏ
２００７，４（３４）：２４—２６． ［５］ Ｖｉｖｉ卸ｉ Ｇ Ｒ． ＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａＩ锄ａｌｙｓｉｓ卸ｄ
Ｂｉｍｕｌａ￡ｉｏｎ ｏｆ∞ｏＩｉ∞ｉｓ ｓｕ晒ｃａｌ ｃｏｎ佻ｔｉ佣
［Ｊ］．ｃｌｉｎ Ｊ ０ｒｔｈ叩Ｒｅｌａｔ胁，１９８６（２０８）：
４０—４７．
［６］ Ａｚｅｇａｍｉ Ｌ Ｉ，Ｍｕｒａｃｈｉ ｓ．鼬ｔｏｈ Ｊ，ｅｔ ａ１．
作者单位：３１６００４浙江省舟山市人民医 院骨科（汪学松，孙伟方，沈万祥，赵嘉懿）； １００６３０北京协和医院骨科（邱贵兴）
结果。王哲等…利用患者ｃＴ资料重建了 Ｔ１．Ｓ的特发性脊柱侧凸模型．但是没有 将肋骨考虑进去。就脊柱侧凸的有限元 模型来看。目前国内尚未成功建立从胸 一到骶骨的整个脊柱侧凸模型．有限元 力学分析研究尚未有明确进展。ｅ ｒｅＢｉｓ胁ｃｅ ０ｆ
山ｅ ｌｕｍｂａｒ ８ｐｉｎｅ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔ Ｂｈｅ盯 ［Ｊ］． ＯｎｈｏＰＣＩｉｎ ｎｏｎｈ Ａｍ，１９７５，６（１）：２７７． ［４］王哲，汪正宇，王冬梅，等．基于ｃＴ图像 的侧凸脊柱胸腰段及骶骨整体三维有
限元模型的建立［Ｊ］．计算机应用技术，
ｃｏｒｒ批ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｃｏｌｉｏｔｉｃ ｄ击ｍｉｔｉｅ８『Ｊ］．Ｍｅｄ
Ｂｉｏｌ Ｅｎｇ Ｃｏｍｐｕｔ，２００７，４５（５）：４６７—４７３．
［８］ ｃｌｉｎ Ｊ， Ａｕｂｉｎ ｃ Ｅ．Ｐａｒｅｎｔ ｓ， ｅｔ ８１． Ｂｉｏｎ眦ｈ扑ｉｃａＩ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｂｒａｃｅ ｄ∞逗卫 ［Ｊ］．ｓｔｕｄ Ｈｅａｌｔｈ ＴｅｃｈｎｏＩＩｎｆｏｍ，２００６，
平衡有关。Ａｄａｍ等∽１利用ＡＩＳ患者术前 ＣＴ数据建立有限元模型．并进行单棒侧 弯前、后路矫形模拟分析，得到的结果同 手术后的临床效果验证．认为可以很好 的预测手术的效果。 ２特发性脊柱侧凸中需要解决的问题 ２．１ 韧带和椎骨的材质设置问题关于 韧带和脊椎骨材质的设定．就目前的文 献已经很细致的划分为皮质骨、松质骨、 椎弓后部结构、椎间盘纤维环、髓核等， 并通过尸体标本获得各种韧带的弹性模 量和伯松比。可以明确的定义各种结构 的不同材料属性。但是文献的数据并不 统一降３１］，有时候很难把握精确性。韧带 的设定大体有两种设定方式．即弹簧单 元和缆绳单元。对于缆绳单元．需要根据 韧带的横截面积和长度人为的在有限元 软件中来制作出来．赋予弹性模量和伯 松比，制作费时费力．而且需要进行网格 化处理，会导致网格和单元数目的增加． 增加计算机的计算最。就弹簧单元而言． 最后通过一定的方程式算出弹性刚度． 但是文献提供的计算公式不尽相同，韧 带的弹性模量和横截面积以及长度．文 献报道也有很大的差别。而且韧带的材 质属性同年龄、体力状态、从事工作等密 切相关．而文献数据大多数来源于尸体 标本的测最，尸体标本和活体的韧带属 性会有很大差别，同实际的青少年特发 性侧凸患者的韧带材质差别很大。最好 的方法是可以获得活体得韧带属性．可 以通过术中测量得到．但是做到这一点 有相当大的困难。因此．这方面会造成人 为计算误差，依据不同的文献数据必然 会导致不同的运算结果。重点是强涮组 建好的不同韧带和不同椎体的韧带差值 比例，即自上而下有明显的弹性刚度梯 度。 ２．２脊柱侧凸中的接触问题脊柱各部 件之间的接触不尽相同．椎体运动终板 和椎间盘纤维环之间没有相对的位移． 但是髓核和椎体运动终板之间可随脊柱
的不同方向的运动产生相对位移，ａｂａｑｕ８ 中的接触模块中引进“ｔｉｅ”，很好的解决 了这种接触问题，可以定义椎间盘纤维 环和椎体终板定义为“ｔｉｅ，’接触．即椎体 终板和椎问盘纤维环之间没有相对的位
万方数据
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移变化，但是可以有形状的改变，由于椎 体和椎间盘的材质不同，可以发生扭曲 变形。髓核和椎体运动终板的接触问题 引进接触单元来解决。定义二者之间有 面面的接触，二者之间可以有位置的相 对变动，有一定的间隙，存在一定的摩 擦。至于肋椎、肋横突、小关节突关节都 可以定义为接触单元。 ２．３胸廓的模拟众所周知．在矫正特 发性脊柱侧凸时，由于肋骨的存在．其前 缘通过肋软骨连接到胸骨上．后方通过 肋椎和肋横突两个关节固定在椎体上． 是一个两端固定长条状扁骨．在后路矫 形时，随着侧凸的改善．肋骨连同胸骨甚 至整个胸廓会发生移动．而且人体正常 呼吸运动时．肋骨会随着呼吸上下移动， 所以定义肋骨是一个难点。但是忽略肋 骨的存在更是根本错误的，所以在建立 脊柱侧凸有限元模型时应当给予充分考 虑．最好的解决方法是获得完整的患者 的脊柱和胸廓资料，完整重建整个脊柱 和胸廓．并充分考虑肋骨和椎体和胸骨 的连接。肋间肌和脊旁肌作用等躯干肌 的模拟，人的脊柱在矢状面上可以获得， 很大程度上是因为躯干的前后的肌群的 肌力平衡，目前文献尚未见成功模拟的 报道。 ２．４有限元软件中仿真模型的获得有 限元软件不能直接从人体读取数据资 料．往往需要经由专业的建模软件为其 建立好仿真模型后，再导人ａｂａｑｕｓ等有 限元软件进行力学分析。某些计算机软 件如ｍｉｍｉｃｓ可以成功地将ＣＴ和ＭＲＩ来 源的数据进行重建，获得人体的仿真模 型．为有限元软件提供原材料。由ＣＴ来 源的数据可以很好的重建脊柱的骨性结 构．但是对于椎间盘和肌肉的重建就不 如ＭＲＩ．因为ｃＴ的灰度值条件下很难区 分软组织。但是ＭＲＩ相反，它很难仔细区 分骨的结构．最佳的方案应该是将二者 结合起来。才能达到最佳的也是最真实 的效果。 ３ ＡＩｓ有限元模型的展望
１９５６年．Ｔｕｎｒｅｒ等Ⅲ提出了有限元 （仃ｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，ＦＥ）的概念，一个结构理 论上可以被分解成许多小而离散化的区 域．这些小区域我们称它为有限元素。由 于通常的力学实验手法基本上无法直接 应用于人体．对人体的力学行为进行有 限元数值模拟就成为深化对人体认识的 一种有效手段。Ｊ９７４年Ｂｅｌｖｔｓｃｈｋｏ等：２］首 先将有限元分析方法应用于脊柱力学研 究，建立二维椎问盘模型，标志着有限元 法在骨科生物力学分析中应用的开端。 １９７５年有了三维有限了亡模型研究报道． 用于建立椎体的模型引。目前．国内在脊 柱有限元研究方面还很不完善，多局限 于颈段和腰段。近年来，随着数字及计算 机技术的不断进步．有限元法成为了解 脊柱力学变化非常有用的工具，现今的 研究脊椎的工作使模型不仅能逼真地模 拟椎骨、椎间盘，还能将周围的韧带、肌 肉直接或间接地加入模型，使模拟更加 真实与完善。这些丁作不仅要求建立完 整逼真的脊柱模型，而且要求测试椎间 盘、周围韧带、肌肉的各种力学性能。吴 立中等人建立了包含下胸段简单的特发 性脊柱侧凸模型并进行生物力学分析． 但是其模型建立简单，忽略了肋骨的胸 廓固定作用，网格划分很粗糙．使用的建 模软件很原始，必然会影响最终的运算
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特发性脊柱侧凸有限元研究进展
汪学松孙伟方 沈万祥赵嘉懿邱贵兴
有限元分析法是把整个结构看作有 限个单元依靠不同的节点相互连接而成 的几何实体．每个小单元的力学特性的 总体效果反映出结构的整体力学性能。 有限元分析技术是现代生物力学研究的 一个重要手段。有限元研究可以提供一 些实验测试得不到的结构内部的力学反 应的参数．应用于脊柱侧凸的研究不仅 可以获得椎体外部表面的生物力学变 化，而且可以了解椎体的内在生物力学 特性。并可以用于脊柱侧凸矫形手术方 案的优化。国内外脊柱侧凸有限元分析 的进展报告如下。 ｌ脊柱侧凸有限元发展简史及研究现状
在医学高速发展的今天。随着计算 机ＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）技术的广 泛应用．有机的将医学和力学结合．建立 详尽的ＡＩｓ有限元模型．并用来进行手 术的模拟和力学分析是可行的。进一步 我们可以展望。所有的手术患者可以在 术前得到手术效果的预测．不同手术效 果的对比，而且做得ＡＩｓ有限元模型的 个性化设计。 ４参考文献
国外特发性脊柱侧凸的有限元分析 进展非常迅速．从脊柱侧凸的病理发生 机制到临床治疗．有大量的文章报道。已 经成功地建立特发性脊柱侧凸的有限元 模型，并应用于手术效果预测和评估、矫 形支具的制备和医疗器械的开发应用。 ｖｉｖｉａｎｉ等【５】于１９８６年最早将有限元方法 应用在脊柱侧凸领域，用于指导手术矫 正，并对矫正方案进行了优化。Ａｚｅｇａｍｉ 等川用有限元法按压缩屈曲学说模拟Ｔ４ 一ＴｌＯ青少年特发性脊柱侧凸畸形．模拟 的脊柱侧凸形成过程与临床观察完全一 致。ｃｌｊｎ等和Ｐ“６等详尽的报道特发性侧 凸的矫形外支具治疗ｉ７。“。ＲｏｈＩｍａｎｎ等ｆ１２］ 通过对比不融合弹性双棒内同定和无弹 性硬棒侧凸矫形过程的生物力学有限元 分析，认为不融合可延长弹性同定虽然 对于椎体旋转矫正效果不如无弹性硬棒 矫正效果好，ｆＥｉ是也可以获得良好的侧 弯矫形并且不影响脊柱的正常生长。ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｌａｔｓ等¨３ Ｊ用有限元分析的方法研究 了脊柱侧凸生长过程中凸侧和凹侧的非 对称性。Ａｚｌａｎ等１ｔ］利用有限元的方法研 究了ＨｕＫＭ脊柱矫形系统对特发性脊柱 侧凸的矫形效果。Ｄｕｋｅ等［ｊ５］对脊柱俯卧 位全麻状态下脊柱侧凸的矫正进行了有 限元模型的建立和力学分析，对比侧卧位、 仰卧位和俯卧位脊柱侧凸的改善程度， 认为脊柱侧凸的纠正程度和手术中的体 位有关系，强调手术中要使用合适的体 位垫子。ＩＪａｆａｇｅ等旧”］对ＣＤ系统脊柱侧 凸矫形进行了有限元分析和模拟， Ｃａｍｅｒ、Ｋｒｉ６和Ａｕｂｉｎ等［墙也】多年从事对 脊柱侧凸的有限元模型的分析研究，做 出了包括特发性脊柱侧凸的发病机制、 支具治疗、侧凸患者椎体的材质变化、矫 形中肋骨的影响等多方面的有限元分析 研究。Ｇｏｔｏ等㈣重建了Ｃ２一ｋ整个脊柱 连同肋骨的整个胸廓脊柱模型，研究脊 柱侧凸得发生机制．证实脊柱侧凸的形 成与应力引起椎体的骨吸收和骨重建失