發(fā)布時間：2017-09-13 17:39

  本文關(guān)鍵詞：幼兒脊柱側(cè)彎半椎體切除后路不同節(jié)段內(nèi)固定三維矯形的有限元分析

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【摘要】：目的:先天性脊柱側(cè)彎(Congenital scoliosis)是一類發(fā)生于兒童的嚴重的脊柱畸形,發(fā)病率僅次于特發(fā)性脊柱側(cè)彎,根據(jù)國外流行病學(xué)統(tǒng)計,嬰兒出生時患病率約為0.5-1‰,其病因至今也不是非常清楚。由于先天性脊柱側(cè)彎對幼兒身心健康影響較大,比如可導(dǎo)致胸廓發(fā)育畸形、心肺功能障礙等,因此這種疾病常需要早期干預(yù)治療。常見治療方法包括保守治療及手術(shù)治療。本研究基于患兒CT圖像構(gòu)建個體化胸腰段半脊椎所致的先天性脊柱側(cè)彎三維有限元模型(Finite element model,FEM),并運用模型仿真模擬后路半脊椎切除椎弓根螺釘、鈦棒系統(tǒng)內(nèi)固定矯形手術(shù),通過比較選擇不同固定節(jié)段的矯形效果和生物力學(xué)特點,為臨床治療方案的選擇提供理論依據(jù),進一步優(yōu)化手術(shù)方案。方法:1選擇研究對象及獲取CT圖像:選擇半椎體所致脊柱側(cè)彎患兒1名,男性,2歲9個月,胸12為半椎體,體重14kg,身高90cm。取仰臥位,從第二頸椎至骶骨行64排CT掃描,層厚1.25mm,層間距0mm,掃描內(nèi)容主要為全部骨性結(jié)構(gòu)及椎間盤。獲得Dicom格式CT平掃圖像470張,實際建模采用中間有效部位240張。2建立初級三維模型:將獲得的Dicom格式圖像,倒入逆向工程軟件Mimics 14.0中,對原始圖像進行蒙罩、填充、刪減、光滑等步驟生成胸椎、腰椎的初級三維模型。將模型的正側(cè)位視圖與臨床正側(cè)位X線片對比,半椎體位置及側(cè)彎角度基本一致。在軟件Geomagic Studio 12.0中構(gòu)建前后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、椎間盤及生長板。應(yīng)用軟件Creo 2.0建立椎弓根螺釘及鈦棒內(nèi)固定系統(tǒng)。3建立三維有限元模型:在軟件Mimics 14.0中將初級模型生成體,并將椎骨、椎間盤、生長板、韌帶及內(nèi)固定系統(tǒng)裝配,導(dǎo)入軟件3-Matic5.1中,分別進行網(wǎng)格劃分,得到先天性脊柱側(cè)彎三維有限元模型。4模擬后路矯形手術(shù):應(yīng)用軟件3-Matic 5.1進行模擬后路半椎體切除椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)。術(shù)中首先切除周圍相關(guān)韌帶,再打入椎弓根螺釘,然后行第12胸椎半椎體及部分畸形椎間盤切除,安裝矯形鈦棒,逐漸閉合T11和L1椎間隙,達到側(cè)彎畸形的矯正。5進行有限元分析:將所建好的脊柱側(cè)彎術(shù)后三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 13.0中,對模型進行約束、加載、求解,得到不同固定節(jié)段的等效應(yīng)力云圖,并比較不同固定節(jié)段的應(yīng)力變化。結(jié)果:1基于CT掃描圖像通過相關(guān)計算機輔助工程軟件成功建立了個體化半椎體所致先天性脊柱側(cè)彎節(jié)段三維有限元模型,模型較好描繪了幼兒脊柱的基本特點,包括胸椎、腰椎、椎間盤、生長板、韌帶、椎弓根螺釘、鈦棒。共有187634個單元,266453個節(jié)點。2順利完成后路半椎體切除、椎弓根釘內(nèi)固定三維矯形手術(shù)模擬。根據(jù)固定節(jié)段的不同,分為四組,每組在矯形的凹凸兩側(cè)分別置入一枚椎弓根螺釘,即A組(T11~L1,共4枚螺釘),B組(T11~L2,共6枚螺釘)、C組(T10~L1,共6枚螺釘)、D組(T10~L2,共8枚螺釘)。3應(yīng)用軟件ANSYS13.0分析得出四組固定方案下模型的等效應(yīng)力云圖并測量術(shù)后側(cè)凸角。等效應(yīng)力云圖顯示,最大等效應(yīng)力主要集中在椎弓根螺釘釘帽與螺釘體、釘帽與矯形桿、椎弓根螺釘與椎弓根交界處。術(shù)后側(cè)凸角顯示,A組中角度最大,向兩側(cè)延長固定節(jié)段,側(cè)凸角減小,進一步延長節(jié)段時,角度無顯著變化。4分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在各組矯形方案中凸側(cè)螺釘應(yīng)力在T11、L1最大,兩端相對較小,凹側(cè)T11、L1受力較凸側(cè)小。在四組矯形方案中,A組椎弓根螺釘所受應(yīng)力最大,當向兩端延長一個固定節(jié)段時,其受力降低,如B組、C組。但再延長一個固定節(jié)段,對螺釘?shù)氖芰o明顯影響,如D組。結(jié)論:1應(yīng)用計算機輔助工程軟件,基于志愿者CT掃描圖像,成功建立個體化幼兒半椎體所致先天性脊柱側(cè)彎三維有限元模型。2應(yīng)用該模型成功模擬先天性脊柱側(cè)彎半椎體切除后路不同固定節(jié)段三維矯形手術(shù),基于該患者個體化手術(shù)模擬結(jié)果表明,后路短節(jié)段固定矯形為較好治療方案。3該模型可以任意附加所設(shè)定的各種應(yīng)力,并進行相關(guān)分析和模擬手術(shù)研究,為臨床制定個性化手術(shù)方案提供了一定的生物力學(xué)理論依據(jù),生長板的引入有助于醫(yī)生分析畸形的進展及預(yù)測患者的矯形過程和效果。
【關(guān)鍵詞】：有限元 先天性脊柱側(cè)彎 半椎體 三維矯形 生物力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：河北醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R726.8
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• 英文摘要7-11
• 英語縮寫11-12
• 前言12-13
• 材料與方法13-18
• 結(jié)果18-20
• 附圖20-25
• 附表25-27
• 討論27-32
• 結(jié)論32
• 參考文獻32-35
• 綜述 三維有限元分析在脊柱側(cè)凸中的應(yīng)用進展35-43
• 參考文獻39-43
• 致謝43-44
• 個人簡歷44

【共引文獻】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 劉少華;半脊椎所致先天性脊柱側(cè)凸有限元建模及三維矯形生物力學(xué)研究[D];中南大學(xué);2010年

2 李勁松;有限元法模擬特發(fā)性脊柱側(cè)凸后路矯形及內(nèi)固定應(yīng)力分析研究[D];中南大學(xué);2013年

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本文編號：845098