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摘要：目的：先天性脊柱侧凸是一种发病率高、严重影响患儿身心健康的疾病。尤其小年龄组脊柱侧凸畸形患儿胸廓发育差、心肺功能不建全，具有畸形复杂严重、手术并发症发生率高、手术麻醉风险大的特点，一直是脊柱侧凸治疗领域的难题。这种畸形需要早期手术矫治，但又需最大程度地减少对脊柱生长发育的影响。所以矫形方式和椎体融合节段的选择是影响疗效和预后的关键因素。目前后路半椎体切除椎弓根螺钉内固定是主要的治疗方式。但是，因患儿畸形复杂、个体之间畸形变化差别很大，在矫形历程中，固定节段的选择主要根据医生的临床经验，其生物力学探讨证据不足。所以易导致矫形欠佳、不满意或术后出现脊柱失代偿等并发症。基于此，本探讨利用建立的幼儿半椎体所致脊柱侧凸（Congenital scoposis）三维有限元模型（finite element model，FEM）模拟后路半椎体切除、椎弓根螺钉固定矫形手术，并比较选择不同固定节段的生物力学特点，以而为临床提供论述依据。策略：1、获取图像：选取1名幼儿半椎体所致脊柱侧凸患儿，男性，2岁9个月，胸12为半椎体，体重14kg，身高90cm。取平卧位，行西门子64排螺旋CT以第二颈椎上缘至骶骨扫描，层厚1.25mm，层间距0mm，扫描范围包括全部骨性结构及椎间盘。获得Dicom格式CT平扫图像470张，实际建模采取中间有效部位148张。2、建立三维几何模型：将获得的Dicom格式图像，倒入逆向工程软件Mimics14.0中，对原始图像进行蒙版、分割、光滑等步骤生成胸椎、腰椎、椎间盘的初级三维模型。将模型的正侧位视图与临床正侧位X线片比较，并在模型上测量半椎体大小、体积、Cobb角等。3、模拟后路矫形手术：对模型进行简易处理后导入3-Matic5.1处理软件中，进行模拟后路半椎体切除椎弓根螺钉内固定手术。术中先行打入椎弓根螺钉，再行切除十二胸椎半椎体，安装矫形棒，逐渐闭合T11和L1椎间隙，达到侧凸畸形的矫正。与术后X线相比矫形效果满意。4、建立三维有限元模型：在3-Matic5.1中,将椎弓根螺钉和矫形棒以及椎骨、椎间盘装配，装配后整体进行网格划分。划分好后再次将先天性脊柱侧凸模型导入Mimics14.0中，设置模型各个组件的弹性模量、柏松比等相关参数，得到先天性脊柱侧凸三维有限元模型。5、进行有限元浅析：将已赋好材料属性、划分好网格的幼儿半椎体所致脊柱侧凸模型导入有限元浅析软件ANSYS13.0中，对模型进行约束（于四组模型的底部进行约束，限定各个方向位移）、加载（最上面椎体上表面凹侧施加垂直向下的压力100N、200N、300N、400N、500、600N，凸侧施加垂直向上的压力100N、200N、300N、400N、500、600N）、求解，得到不同固定节段的等效应力云图和位移云图，并比较不同固定节段的应力和位移变化。结果：1建立了幼儿半椎体所致脊柱侧凸三维有限元模型，包括胸椎、腰椎、椎间盘。共有105252个单元，185849个节点，其中胸椎模型2块，单元31576个、节点56105个；腰椎模型2块，单元37890个、节点67281个，椎间盘模型（髓核+纤维环）5块，单元11577个、节点21163个。2幼儿半椎体所致脊柱侧凸有限元模型逼真的描绘了患儿脊柱的特点：幼儿脊柱椎体宽、略呈卵圆形；椎体高度显著高于椎间盘厚度；椎体滋养孔多，孔径较大；松质骨与密质骨相互包容，难以界定。模型于临床大体像、X线片脊柱曲线吻合。胸12半椎体体积为3793mm3，最大长径31.27mm，最大高度为15.13mm，术前Cobb角为40.2°。3顺利完成后路半椎体切除、椎弓根螺钉内固定手术模拟。根据固定节段的不同，进行个体化分组，有T_(10)~L_1组(凹凸侧各3枚螺钉)，T_(11)~L_1组（凹凸侧各2枚螺钉）、T_(11)~L_2组（凹凸侧各3枚螺钉）、T_(10)~L_2组（凹凸侧各4枚螺钉），术后矫形效果均达到100%。4软件ANSYS13.0浅析得出四种固定案例下模型的等效应力（Equivalent Stress）分布图、位移云图和安全系数云图。以图中看出，随着加载力值的逐渐增加(10~4N)，模型的位移云图图形、应力云图图形基本无变化，而各云图区域所代表的值，呈线性增加。四组固定案例的等效应力云图显示，最大等效应力主要集中在椎弓根螺钉钉头与螺钉体、椎弓根螺钉与矫形杆、椎弓根螺钉与椎弓根交界处。四组固定案例的位移云图显示，其最大位移均在每一组的最上面椎体，并向下呈依次减小走势。5在四组模型顶部凹侧施加垂直向下的压力300N，凸侧施加垂直向上的压力300N时，四组矫形案例T_(10)~L_1组、T_(11)~L_1组、T_(10)~L_2组、T_(11)~L_2组的最大等效应力值分别为：52.552Mpa、59.422Mpa、55.215Mpa、59.624Mpa；四组脊柱模型凸侧所受的等效应力显著大于凹侧，约3-6倍；模型凸侧的最上面和最下面椎体所受作用力较大，中间作用力相对较小。在四组矫形案例中，T_(11)~L_1组椎弓根螺钉所受作用力最大，向头端或尾端各延长一个固定节段，椎弓根螺钉的受力降低，如T_(10)~L_1组、T_(11)~L_2组。但向头端或尾端再延长一个固定节段，如T_(10)~L_2组，对椎弓根螺钉的受力无显著影响。在四组矫形案例的安全系数云图中，T_(11)~L_1组凸侧矫形杆最小安全系数的图像范围是其他三组的4-8倍，而最小安全系数的区域越大越易造成疲劳破坏。总之，T_(10)~L_1、T_(11)~L_2两组可作为较好的手术案例选择。结论：1运用先进的计算机辅助工程软件Mimics14.0及ANSYS13.0，根据患儿CT图像，可成功建立幼儿半椎体所致脊柱侧凸三维有限元模型。运用该模型可成功的模拟脊柱侧凸的后路半椎体切除椎弓根螺钉内固定三维矫形手术。2幼儿半椎体所致脊柱侧凸三维有限元模型可以在各种条件下进行应力变化浅析和模拟手术探讨，为幼儿半椎体所致脊柱侧凸疾病提供了良好的相关生物力学论述和临床探讨，为制定脊柱侧凸患儿个性化手术案例提供了良好的生物力学探讨基础。关键词：三维有限元论文先天性脊柱侧凸论文手术对策论文生物力学论文应力论文
摘要4-7
ABSTRACT7-11
前言11
材料与策略11-16
结果16-18
附图18-30
附表30-31
讨论31-37
结论37-38