【摘要】：腰椎是癌轉(zhuǎn)移最容易發(fā)生的主要部位之一,而骨折是癌轉(zhuǎn)移腰椎的嚴重并發(fā)癥,極易導致腰椎和脊柱生物力學結(jié)構(gòu)損壞,進而導致患者生存期明顯縮短。目前臨床中大多依靠經(jīng)驗來判斷骨折的發(fā)生,且對于手術(shù)時機或方案的選擇尚未有一致標準或存在爭議。因此,本文將生物運動力學和有限元相結(jié)合,基于在體生理運動模式下的腰椎骨骼肌肉系統(tǒng)力學計算,建立基于解剖學的精細癌轉(zhuǎn)移腰椎三維有限元模型,開展了癌轉(zhuǎn)移腰椎骨折的多變量數(shù)值仿真研究,以有效揭示腫瘤參數(shù)、骨骼參數(shù)、生理運動參數(shù)對腰椎骨折的影響機制,對于創(chuàng)新診治手段與技術(shù),提高病患生存質(zhì)量具有重要的科學意義和臨床價值。本文基于人體腰椎的運動力學試驗,研制了人體全身運動標記系統(tǒng),并利用紅外運動捕捉系統(tǒng)對5名測試對象進行了11種生理運動測試。結(jié)合運動力學試驗結(jié)果,基于Opensim平臺對11種生理運動進行了骨骼肌肉力學仿真計算,獲得了測試對象腰椎關(guān)節(jié)間作用力與力矩的時間歷程曲線,對比分析結(jié)果表面本文計算得到在L2-L3腰椎間的關(guān)節(jié)力及力矩與文獻數(shù)據(jù)相近,因此,可用于后續(xù)有限元仿真計算的載荷驅(qū)動。本文基于MRI掃描,建立了基于特定運動力學測試對象的L3-L5節(jié)段腰椎有限元模型,主要包括第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、兩塊椎間盤(考慮了纖維環(huán)組織)和七種韌帶(共72條)。進行了前屈、后伸、側(cè)彎、軸向旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)節(jié)活動自由度的對比仿真分析,進一步對模型進行了的修正。最終仿真分析結(jié)果表明,本文所建立的腰椎三維有限元模型的相關(guān)仿真預測結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)較為吻合,所建立的模型合理、有效,可用于后續(xù)癌轉(zhuǎn)移腰椎椎骨骨折的生物力學研究�；谒⒌娜S腰椎有限元模型,本文選擇第四腰椎,植入了腫瘤模型,并選定了腫瘤大小、腫瘤形狀和骨密度三種因素進行了正交回歸試驗設(shè)計,開展了仿真試驗研究,分析了腫瘤大小、腫瘤形狀和骨密度對腰椎骨折風險的影響,最終獲得了基于在體生理運動狀態(tài)下的癌轉(zhuǎn)移腰椎椎骨骨折的多變量數(shù)值模型及數(shù)學回歸方程。相應(yīng)運動狀態(tài)下的回歸方程和分析結(jié)果主要如下,(1)前屈運動模式下,回歸方程為:~ùy(28)496.876-12.163Z_1(10)0.118Z_1~2-.3058Z_2(10).0009Z_2~2(10)0.141Z_1Z_2這表明在前屈運動模式下,皮質(zhì)骨部分應(yīng)力分布主要集中在了椎骨上表面四周,而在松質(zhì)骨部分應(yīng)力主要集中于椎骨前端,對椎骨骨折影響較大的因素為腫瘤大小,其次為腫瘤位置,而骨密度對椎骨骨折影響較小;(2)在后伸運動模式下,回歸方程為:~ùy(28)111.277(10).0006Z_1~2-.0071Z_2-.0206Z_3表明候伸運動模式下,皮質(zhì)骨部分應(yīng)力分布主要集中在了錐孔附近,并在松質(zhì)骨部分靠近錐孔部分出現(xiàn)了較大部分的應(yīng)力集中,對椎骨骨折影響較大的因素為腫瘤位置,而對于骨密度也占有較大影響,而腫瘤大小影響較小;(3)在側(cè)彎運動模式下,回歸方程為:~ùy(28)219.038-.3488Z_1(10).004Z_1~2-.1301Z_2(10).0004Z_2~2(10).0042Z_1Z_2表明側(cè)彎運動模式下,皮質(zhì)骨椎骨上表面的應(yīng)力較為均勻分布,在其中心處出現(xiàn)了小范圍內(nèi)的應(yīng)力集中,而對于松質(zhì)骨,應(yīng)力主要分布在了椎骨的左右兩側(cè),腫瘤大小對于椎骨骨折影響較大,腫瘤位置次之,而骨密度影響較小;(4)在軸向旋轉(zhuǎn)運動模式下,回歸方程為:~ùy(28)-10.373-.0349Z_1-.0009Z_1~2(10).0374Z_2-.0001Z_2~2(10).0084Z_3-.0015Z_1Z_2-.0003Z_1Z_3表明軸向旋轉(zhuǎn)模式下,皮質(zhì)骨椎骨上表面的應(yīng)力主要分布在了椎骨較為突出部分,并且在靠近椎管的部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中,對于松質(zhì)骨腫瘤對其影響很大,應(yīng)力主要分布在了椎骨中設(shè)置腫瘤的部分,腫瘤空間位置對于椎骨骨折影響較大,其次是腫瘤大小,最后是骨密度。
【圖文】：

變化對椎骨強度的影響�；谟邢拊ǖ臄�(shù)值模型，能夠?qū)δＰ蛥?shù)進行多變量敏感性分析，進而為深度研究癌轉(zhuǎn)移脊柱椎骨骨折機理提供了強有力的方法和技術(shù)支持。文獻調(diào)研表明，在世界范圍內(nèi)對癌轉(zhuǎn)移脊柱數(shù)值模型的研究中，具有代表性的研究當屬 Whyne[7-9]的研究工作，其研究組結(jié)合數(shù)值計算模型明晰了腫瘤大小、骨骼密度對脊柱椎骨骨折的影響規(guī)律。但分析發(fā)現(xiàn)，該團隊建立的多個癌轉(zhuǎn)移脊柱有限元模型均僅采用簡單壓力載荷邊界來考慮人體的生理運動造成的載荷變化情況，而且對于腫瘤數(shù)量、腫瘤形狀、腫瘤空間方位、脊柱曲線與形態(tài)等重要參數(shù)未有考慮。同時，目前有關(guān)基于在體生理運動模式的癌轉(zhuǎn)移脊柱椎骨骨折多變量數(shù)值模型及其生物力學評估的研究尚未見相關(guān)報道。因此，結(jié)合臨床實際，亟需建立基于精細的癌轉(zhuǎn)移脊柱椎骨骨折的生物力學模型，以有效揭示腫瘤參數(shù)、骨骼參數(shù)、生理運動參數(shù)對椎骨骨折的影響機制，有望創(chuàng)新診治手段與技術(shù)，提高病患生存質(zhì)量。

圖 1.2 SINS 評估法究現(xiàn)狀椎骨骨折的臨床診斷技術(shù)現(xiàn)狀診斷可分為原發(fā)腫瘤與轉(zhuǎn)移腫瘤[10]。癌轉(zhuǎn)移性脊條件下發(fā)生，并且其特征在于椎體后壁的生物經(jīng)根，這些患者中有 5％-10％出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)功組織的機械壓力或從塌陷的椎體擠出的骨骼壓癌癥患者的平均生存時間，并嚴重降低了癌癥患有重要的臨床重要性，，因為早期預防如使用外部風險患者的椎骨骨折。雖然越加成熟的成像模式的程度，但是沒有客觀標準可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來已被證明是評估骨骼強度與骨折風險的有效
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R730.5;R683;R318.01

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本文編號：2614617