有限元仿真分析强直性脊柱炎后路“Y”型截骨固定的生物力学特征

背景:强直性脊柱炎是一种因组织骨化和纤维化导致脊柱僵硬畸形的进行性炎症,表现为患者的姿势异常和活动受限,轻微损伤即可引发胸腰椎骨折。传统医学图像观察限制了医生对强直性脊柱炎治疗的术前决策规划和术后疾病预防。目的:基于强直性脊柱炎患者后路脊柱去松质骨化截骨“Y”型截骨(简称“Y”型截骨)术前和术后的脊柱模型,探究“Y”型截骨固定治疗强直性脊柱炎的生物力学变化。方法:基于1名在内蒙古医科大学第二附属医院就诊的强直性脊柱炎患者的术前和术后CT图像,于Mimics19.0软件中重建“Y”型截骨(L3截骨)术前及术后的三维脊柱模型,包括T11-S1节段,于T11椎体顶部施加7.5 Nm力矩,模拟脊柱在前屈、后伸、左弯、右弯、左旋和右旋6个工况下的运动。仿真得到脊柱各椎体的活动度、各椎间盘的应力和钉棒系统的应力。结果与结论:①“Y”型截骨术后路固定后,脊柱各椎体活动度均下降,且上部椎体活动度损失比例较大(L1:77.95%);②术前脊柱椎间盘最大应力发生于L1-L2节段(0.55 MPa),术后脊柱椎间盘最大应力发生于T11-T12节段(0.50 MPa),且T12以下的椎间盘应力远小于术前;③钉棒系统的最大应力(166.67 MPa)发生于棒体的上中段和椎弓根钉的根部;④提示后路“Y”型截骨固定手术增强了脊柱的稳定性,减小了脊柱活动范围,固定节段的椎体减压良好且下方椎体应力遮挡现象显著,应加强棒体和椎弓根钉应力集中区域的刚度以避免应力疲劳导致的钉棒断裂。

CT数据建立12岁儿童全颈椎有限元模型及有效性验证

背景:儿童颈椎有限元模型多为10岁及以下儿童的,所建立的节段也只是部分颈椎,而12岁儿童全颈椎有限元模型则相对较少。目的:建立有效的12岁儿童全颈椎有限元模型,为研究儿童颈椎活动性、应力及临床治疗儿童颈椎疾病提供理论依据。方法:随机选择1名健康的12岁儿童,使用64排螺旋CT对该儿童颈椎进行扫描,将CT数据导入Mimics 16.0中重建简单的三维模型,用Cero 5.0优化模型,再导入Hypermesh 14.0中划分网格及添加韧带,最后用ANSYS 6.14软件进行材料赋值,设定边界等操作,构建颈椎三维有限元模型,并对模型有效性进行验证,将模型在前屈后伸、左右屈曲、左右旋转6种工况下各椎体的活动度与文献数据进行对比。结果与结论:通过有限元软件成功建立了12岁儿童全颈椎三维有限元模型,该模型还原度高,与其模拟的颈椎相似性好。在1.5 N•m的载荷下,除C4-5、C6-7在旋转工况下的活动度较参考文献低外,其余节段在各种工况下的活动度均在既往文献的参考范围内,说明该模型有效,在后续的应力研究和临床治疗中可以运用。

有限元仿真分析不同矫形方式治疗青少年特发性脊柱侧凸的生物力学特征

背景:青少年特发性脊柱侧凸不对称的生物力学环境会导致椎体进一步楔形变,严重时或可影响心肺功能,压迫神经。不同侧凸程度的青少年特发性脊柱侧凸应进行运动、支具或手术治疗,然而,因患者的个体差异性,选择不同矫形方式的力学机制仍不明确。目的:基于青少年特发性脊柱侧凸患者的脊柱模型,探究不同矫形方式治疗的生物力学机制,为临床治疗方式的选择提供依据。方法:基于1例青少年特发性脊柱侧凸患儿脊柱CT图像,于Mimics软件中三维重建出脊柱侧凸模型(C7-L5),在T8/T9胸廓处施加横向侧推力,在C7椎体上方施加纵向撑开力,力的大小为20,40,60,80,100,120 N,分析两种矫形方式下椎间盘凹凸侧应力、椎体凹凸侧位移和脊柱Cobb角变化。结果与结论:①横向侧推力下,C7T1-T7T8椎间盘应力无明显变化,T7T8-L4L5节段凹凸侧应力随着侧推力的增加先减小后增大,侧推力对T8T9附近节段的矫正效果明显,随着节段延伸至头端和尾端,矫正效果减弱;侧推120 N时,胸部Cobb角由53.2°变为32.5°,腰部Cobb角由50.2°变为43.9°;②纵向撑开力下,胸椎椎间盘应力先减小后增大,腰椎椎间盘应力均减小,C7位移最明显,节段延伸至尾端,矫正效果逐渐减弱;撑开力120 N时,胸部Cobb角由53.2°变为39.4°,腰部Cobb角由50.2°变为47.6°;③提示两种矫形方式均对脊柱侧凸程度有一定改善,胸部矫正大于腰部矫正,同时凹凸侧不对称的应力分布也得到改善,这有助于骨逐渐恢复正常生长;脊柱侧凸Cobb角较大时,适合采用纵向撑开方式,脊柱侧凸Cobb角较小时,适合采用横向侧推方式;研究结果有助于理解脊柱矫形机制并为矫形方式的选择提供理论依据。