癌转移腰椎椎骨骨折的有限元建模与生物力学分析

发布时间：2020-04-05 05:34

【摘要】：腰椎是癌转移最容易发生的主要部位之一,而骨折是癌转移腰椎的严重并发症,极易导致腰椎和脊柱生物力学结构损坏,进而导致患者生存期明显缩短。目前临床中大多依靠经验来判断骨折的发生,且对于手术时机或方案的选择尚未有一致标准或存在争议。因此,本文将生物运动力学和有限元相结合,基于在体生理运动模式下的腰椎骨骼肌肉系统力学计算,建立基于解剖学的精细癌转移腰椎三维有限元模型,开展了癌转移腰椎骨折的多变量数值仿真研究,以有效揭示肿瘤参数、骨骼参数、生理运动参数对腰椎骨折的影响机制,对于创新诊治手段与技术,提高病患生存质量具有重要的科学意义和临床价值。本文基于人体腰椎的运动力学试验,研制了人体全身运动标记系统,并利用红外运动捕捉系统对5名测试对象进行了11种生理运动测试。结合运动力学试验结果,基于Opensim平台对11种生理运动进行了骨骼肌肉力学仿真计算,获得了测试对象腰椎关节间作用力与力矩的时间历程曲线,对比分析结果表面本文计算得到在L2-L3腰椎间的关节力及力矩与文献数据相近,因此,可用于后续有限元仿真计算的载荷驱动。本文基于MRI扫描,建立了基于特定运动力学测试对象的L3-L5节段腰椎有限元模型,主要包括第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、两块椎间盘(考虑了纤维环组织)和七种韧带(共72条)。进行了前屈、后伸、侧弯、轴向旋转运动的关节活动自由度的对比仿真分析,进一步对模型进行了的修正。最终仿真分析结果表明,本文所建立的腰椎三维有限元模型的相关仿真预测结果与文献数据较为吻合,所建立的模型合理、有效,可用于后续癌转移腰椎椎骨骨折的生物力学研究。基于所建立的三维腰椎有限元模型,本文选择第四腰椎,植入了肿瘤模型,并选定了肿瘤大小、肿瘤形状和骨密度三种因素进行了正交回归试验设计,开展了仿真试验研究,分析了肿瘤大小、肿瘤形状和骨密度对腰椎骨折风险的影响,最终获得了基于在体生理运动状态下的癌转移腰椎椎骨骨折的多变量数值模型及数学回归方程。相应运动状态下的回归方程和分析结果主要如下,(1)前屈运动模式下,回归方程为:~ùy(28)496.876-12.163Z_1(10)0.118Z_1~2-.3058Z_2(10).0009Z_2~2(10)0.141Z_1Z_2这表明在前屈运动模式下,皮质骨部分应力分布主要集中在了椎骨上表面四周,而在松质骨部分应力主要集中于椎骨前端,对椎骨骨折影响较大的因素为肿瘤大小,其次为肿瘤位置,而骨密度对椎骨骨折影响较小;(2)在后伸运动模式下,回归方程为:~ùy(28)111.277(10).0006Z_1~2-.0071Z_2-.0206Z_3表明候伸运动模式下,皮质骨部分应力分布主要集中在了锥孔附近,并在松质骨部分靠近锥孔部分出现了较大部分的应力集中,对椎骨骨折影响较大的因素为肿瘤位置,而对于骨密度也占有较大影响,而肿瘤大小影响较小;(3)在侧弯运动模式下,回归方程为:~ùy(28)219.038-.3488Z_1(10).004Z_1~2-.1301Z_2(10).0004Z_2~2(10).0042Z_1Z_2表明侧弯运动模式下,皮质骨椎骨上表面的应力较为均匀分布,在其中心处出现了小范围内的应力集中,而对于松质骨,应力主要分布在了椎骨的左右两侧,肿瘤大小对于椎骨骨折影响较大,肿瘤位置次之,而骨密度影响较小;(4)在轴向旋转运动模式下,回归方程为:~ùy(28)-10.373-.0349Z_1-.0009Z_1~2(10).0374Z_2-.0001Z_2~2(10).0084Z_3-.0015Z_1Z_2-.0003Z_1Z_3表明轴向旋转模式下,皮质骨椎骨上表面的应力主要分布在了椎骨较为突出部分,并且在靠近椎管的部分出现了应力集中,对于松质骨肿瘤对其影响很大,应力主要分布在了椎骨中设置肿瘤的部分,肿瘤空间位置对于椎骨骨折影响较大,其次是肿瘤大小,最后是骨密度。
【图文】：

变化对椎骨强度的影响。基于有限元法的数值模型，能够对模型参数进行多变量敏感性分析，进而为深度研究癌转移脊柱椎骨骨折机理提供了强有力的方法和技术支持。文献调研表明，在世界范围内对癌转移脊柱数值模型的研究中，具有代表性的研究当属 Whyne[7-9]的研究工作，其研究组结合数值计算模型明晰了肿瘤大小、骨骼密度对脊柱椎骨骨折的影响规律。但分析发现，该团队建立的多个癌转移脊柱有限元模型均仅采用简单压力载荷边界来考虑人体的生理运动造成的载荷变化情况，而且对于肿瘤数量、肿瘤形状、肿瘤空间方位、脊柱曲线与形态等重要参数未有考虑。同时，目前有关基于在体生理运动模式的癌转移脊柱椎骨骨折多变量数值模型及其生物力学评估的研究尚未见相关报道。因此，结合临床实际，亟需建立基于精细的癌转移脊柱椎骨骨折的生物力学模型，以有效揭示肿瘤参数、骨骼参数、生理运动参数对椎骨骨折的影响机制，有望创新诊治手段与技术，提高病患生存质量。

图 1.2 SINS 评估法究现状椎骨骨折的临床诊断技术现状诊断可分为原发肿瘤与转移肿瘤[10]。癌转移性脊条件下发生，并且其特征在于椎体后壁的生物经根，这些患者中有 5％-10％出现神经系统功组织的机械压力或从塌陷的椎体挤出的骨骼压癌症患者的平均生存时间，并严重降低了癌症患有重要的临床重要性，，因为早期预防如使用外部风险患者的椎骨骨折。虽然越加成熟的成像模式的程度，但是没有客观标准可以根据这些数据来已被证明是评估骨骼强度与骨折风险的有效
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R730.5;R683;R318.01

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本文编号：2614617