基于青少年特发性脊柱侧弯的多体动力学-有限元双向耦合模型研究

目的青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是我国中小学生面临的第三大健康问题。肌骨多体动力学模型和有限元模型是当前脊柱侧弯主流的生物力学模型。然而,肌骨模型无法提供柔性体的变形和内应力情况,脊柱有限元模型的真实边界条件定义模糊,且目前这两种模型在脊柱侧弯领域仅实现单向耦合。因此,本研究结合二者优势,建立双向耦合脊柱侧弯模型,为研究AIS疾病提供新途径。方法招募一名AIS患者,采集其CT和站立位X-ray影像数据。首先通过3D Slicer和Geomagic重建其脊柱-肋骨-骨盆几何模型。随后导入Hypermesh建立由六面体单元网格构成的椎间盘和小关节,获得软组织有限元模型。同时,在Opensim Creator上创建包含188条椎旁肌的患者个性化上肢肌骨多体模型。最后基于Java编程耦合两种模型,模拟AIS脊柱在屈伸、侧弯和轴向旋转时的力学响应。结果建立了AIS患者上肢肌骨多体模型和脊柱软组织有限元模型,实现了二者的双向耦合。耦合模型验证有效,且能够对AIS脊柱力学环境进行更加准确的仿真。结论本研究基于肌骨系统整体运动学,针对多柔体应力应变力学特征,开发了多体动力学-有限元双向耦合脊柱侧弯模型,二者优势互补,为AIS生物力学研究提供创新方法。