本文關(guān)鍵詞：力學(xué)性能優(yōu)化的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型建立及置釘策略的生物力學(xué)和臨床回顧研究　出處：《第二軍醫(yī)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：【背景】青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis,AIS)是10歲至16歲兒童最常見的脊柱畸形,以冠狀位成角畸形,矢狀位胸椎后凸減少和軸狀位椎體旋轉(zhuǎn)畸形為主要特點(diǎn)。隨著內(nèi)固定技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)用,AIS的手術(shù)矯形效果得到了顯著提高。但隨著螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,其置釘風(fēng)險高和費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn)也逐漸受到學(xué)者們的關(guān)注。為了改進(jìn)上述缺點(diǎn),多數(shù)研究者開始采用減少螺釘數(shù)量的優(yōu)化置釘策略,并在初步研究中獲得了較為滿意的效果。但上訴優(yōu)化置釘策略的確定主要依賴手術(shù)醫(yī)生的個人經(jīng)驗(yàn),缺乏基礎(chǔ)生物力學(xué)證據(jù)的支持,其對術(shù)后矯形效果的影響,以及在矯形過程中和矯形后維持階段,對椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)各部位應(yīng)力的影響尚不清楚�！灸康摹勘狙芯繑M根據(jù)患者術(shù)前薄層三維螺旋CT數(shù)據(jù),利用計算機(jī)逆向重建軟件建立脊柱側(cè)凸三維有限元模型,并根據(jù)患者實(shí)體脊柱的動態(tài)生物力學(xué)參數(shù)對有限元模型進(jìn)行個性化調(diào)整和驗(yàn)證。然后,利用已驗(yàn)證的模型對臨床上常用的多種優(yōu)化置釘策略進(jìn)行矯形手術(shù)模擬,分析不同置釘策略及置釘密度對矯形過程中以及矯形后椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)各部位應(yīng)力的影響,比較各置釘策略的矯形效果,探究最適的置釘方案。最后通過臨床回顧性分析對得到的研究結(jié)果進(jìn)行臨床驗(yàn)證�！痉椒ā�1、力學(xué)性能優(yōu)化的患者特異性Lenke1型脊柱側(cè)凸三維有限元模型的建立和驗(yàn)證納入一名較為典型的Lenke1型AIS患者,利用自行研制的體外脊柱側(cè)凸Cobb角測量儀和脊柱側(cè)凸?fàn)恳?對不同垂直牽引力作用下患者的主胸彎冠狀面Cobb角的變化進(jìn)行連續(xù)測試分析,得到在連續(xù)垂直牽引力作用下,患者脊柱的生物力學(xué)反應(yīng)性特征曲線,即牽引力-Cobb角變化曲線。收集患者術(shù)前全脊柱薄層三維螺旋CT數(shù)據(jù),利用Mimics、Geomagic以及Hypermesh等相關(guān)計算機(jī)軟件建立脊柱側(cè)凸三維有限元幾何模型,并根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)和組織屬性對有限元模型各部位進(jìn)行初步材料參數(shù)賦值。然后,對已建立的有限元模型進(jìn)行垂直牽引力加載,模擬之前的牽引過程,對比模型與實(shí)體脊柱在冠狀面的Cobb角變化,通過調(diào)節(jié)椎間盤或附屬韌帶等軟組織結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)賦值,使模型在生物力學(xué)行為特征上與實(shí)體脊柱保持一致,從而使模型得到優(yōu)化,最后再對模型的真實(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證。2、優(yōu)化置釘策略治療Lenke1型AIS的三維有限元模擬及生物力學(xué)分析利用經(jīng)過驗(yàn)證的脊柱側(cè)凸三維有限元模型對全節(jié)段置釘、凸側(cè)間隔置釘、間隔置釘、交替置釘以及交替間隔置釘,這5種優(yōu)化置釘策略進(jìn)行矯形模擬。記錄并分析整個矯形過程中,椎體-螺釘接觸應(yīng)力、螺釘-矯形棒接觸面應(yīng)力、矯形棒整體應(yīng)力以及螺釘拔出力的變化情況,對比各置釘策略的冠狀面和矢狀面矯形效果,研究置釘策略以及置釘密度對內(nèi)固定系統(tǒng)各部位應(yīng)力的影響,探索最佳的置釘策略和置釘密度。3、置釘密度對lenke1型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸手術(shù)效果影響的臨床研究對在本院行選擇性后路椎弓根螺釘矯形融合手術(shù)的lenke1型ais患者的一般資料和影像學(xué)資料進(jìn)行回顧分析。根據(jù)置釘密度將患者分為高密度組和低密度組,對比兩組患者術(shù)前、術(shù)后以及術(shù)后2年隨訪時的影像學(xué)資料,采用pearson相關(guān)因素分析對冠狀面?zhèn)韧钩C正率、矯正比率、術(shù)后2年隨訪時冠狀面矯正率丟失以及胸椎矢狀位角度變化等參數(shù)與置釘密度進(jìn)行相關(guān)性分析。探究置釘密度對lenke1型ais患者手術(shù)矯形及矯形效果維持的影響。【結(jié)果】1、本研究成功建立了lenke1型ais患者脊柱側(cè)凸三維有限元模型,該模型包含12節(jié)胸椎,4節(jié)腰椎,15個椎間盤,前、后縱韌帶等結(jié)構(gòu)。整個模型包含1495341個單元,739851個節(jié)點(diǎn)。作者根據(jù)患者脊柱的生物力學(xué)反應(yīng)性特征曲線成功地對模型進(jìn)行了生物力學(xué)性能的個性化調(diào)整。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示,本研究建立的脊柱側(cè)凸三維有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬患者脊柱的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)性能。2、全節(jié)段置釘、凸側(cè)間隔置釘、間隔置釘、交替置釘以及交替間隔置釘,這5種置釘策略使用的螺釘數(shù)量分別為:14、11、9、8和7;整體置釘密度分別為:100%、79%、64%、57%和50%。在凹側(cè)轉(zhuǎn)棒矯形過程中,不同置釘策略下椎體-螺釘接觸應(yīng)力最大值分別為:2673mpa、2673mpa、2660mpa、2918mpa和2918mpa;螺釘-棒接觸應(yīng)力最大值分別為:288.9mpa、288.9mpa、305.2mpa、277.8mpa和277.8mpa;棒應(yīng)力最大值分別為:1229mpa、1229mpa、1377mpa、1167mpa和1167mpa;螺釘拔出力最大值分別為:113n、113n、289n、172n、172n。雙側(cè)上棒固定后內(nèi)固定各部位應(yīng)力分布分別為:椎體-螺釘接觸應(yīng)力最大值分別為:凹側(cè)1743mpa、1689mpa、1435mpa、1683mpa、1414mpa,凸側(cè)815.7mpa、851.5mpa、612.8mpa、820.7mpa、593.0mpa;棒應(yīng)力最大值分別為:凹側(cè)561.8mpa、522.4mpa、994.4mpa、548.8mpa、446.3mpa,凸側(cè)278.3mpa、253.8mpa、192.8mpa、247.6mpa、184.5mpa;各策略下冠狀面矯正率分別為:47.9%、47.5%、46.1%、46.5%和46.3%。3、本研究納入了31例患者,手術(shù)時的平均年齡為15.3歲,主胸彎冠狀面cobb角平均為48.5±8.5°,主胸彎側(cè)凸柔韌性平均為53%;術(shù)后主胸彎冠狀面cobb角被矯正至16.0±6.9°,矯正率為68%;高密度組與低密度組的置釘密度分別是0.85和0.61(P0.01);主胸彎冠狀面矯正率、矯正比率以及術(shù)后2年時矯正率丟失與置入螺釘密度的相關(guān)性分別為:-0.19(P=0.315),-0.10(P=0.589),-0.04(P=0.837);矢狀面胸椎后凸角度變化與螺釘密度的相關(guān)性為0.09(P=6.19)。兩組間的其他參數(shù)差異均無明顯統(tǒng)計學(xué)意義。【結(jié)論】1、在本項(xiàng)研究中,作者創(chuàng)新性地利用預(yù)先得到的患者脊柱生物力學(xué)反應(yīng)性特征曲線,對已建立的三維有限元模型的生物力學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示本研究中所應(yīng)用的創(chuàng)新性優(yōu)化方法能夠較為準(zhǔn)確地調(diào)整三維有限元模型的生物力學(xué)性能,使之能夠在生物力學(xué)行為上與真實(shí)脊柱保持一致。2、本研究應(yīng)用已驗(yàn)證的脊柱側(cè)凸三維有限元模型對5種常用的不同置釘密度的置釘策略進(jìn)行了矯形手術(shù)模擬。研究結(jié)果顯示,置釘策略和置釘密度對本實(shí)驗(yàn)中脊柱側(cè)凸模型的矯形效果無明顯影響。除螺釘-骨質(zhì)接觸面應(yīng)力外,間隔交替置釘策略與其他置釘策略相比,在內(nèi)固定系統(tǒng)生物力學(xué)特性方面更優(yōu)越,螺釘密度低,適合輕中度AIS病人的手術(shù)矯形。3、對于輕、中度的Lenke1型AIS患者(主胸彎冠狀面Cobb角48°),冠、矢狀面手術(shù)矯形效果與置釘密度無明顯相關(guān)性,術(shù)后矯形效果的維持與置釘密度也無明顯相關(guān)性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：第二軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R726.8

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