肋间肌对胸廓变形影响的实验研究与数值模拟

发布时间：2019-09-18 04:05

【摘要】：Nuss手术目前已被广泛用于漏斗胸合并脊柱侧弯的治疗中,其创伤较小有利于患者康复,然而对术后产生大变形的前胸廓力学环境的变化很少有生物力学方面的研究。目前大多采用数值模拟的方法预测漏斗胸矫形手术结果。数值模拟的优点是能较快得到结果且便于进行参数研究,但是其计算模型和计算方法还需要实验与临床的检验。已有的研究漏斗胸合并脊柱侧弯矫形的数值模拟计算模型包括基于三维重建的实体模型和基于梁单元的计算模型。两种模型得到胸骨的抬高位移与临床结果一致,但是脊柱侧弯结果存在较大差异。已有的实验与数值模拟研究工作均没有考虑肋间肌对胸廓变形的影响,研究和探索肋间肌对胸廓变形的影响机理对于采用合理的数值计算模型准确预测漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形效果和制定微创矫形手术方案具有重要的临床意义。目前对漏斗胸矫形过程的研究还缺少实验研究方面的工作,虽然可以通过漏斗胸矫形病例的术前和术后影像资料获得矫形后胸廓位的位移场,但是检验数值模拟所用计算模型和计算方法的正确性只能通过比较位移场的结果,还缺少肋骨和肋软骨应变方面的实验结果。目前在胸廓变形的实验研究中存在的主要问题是,受到伦理的限制,还不能采用电测实验方法进行人的在体模型和离体模型应变测量。虽然可以制备与人体胸廓构造相同的人工胸廓实验模型,但是人工模型没有肋间肌,无法研究肋间肌对胸廓变形的影响,同时,采用人工模型在模型材料的筛选,模型的制备和装配方面也面临许多困难。作者在实验模型的挑选中发现,动物模型中的猪胸廓和羊胸廓可以作为研究肋间肌对胸廓变形影响的实验模型,但是受屠宰方式和加工方式的影响,目前较难获得完整的猪胸廓模型,考虑到容易获得完整的羊胸廓模型,本文采用羊胸廓模型作为实验模型。文中通过电测试验获得了动物胸廓在矢状面位移载荷作用下的载荷位移曲线,以及胸廓肋骨,肋软骨的应变分布规律,设计了肋间肌的切除方案,对部分和全部切除肋间肌的动物胸廓模型进行了电测实验,通过多次重复试验,得到了肋间肌对胸廓变形影响的规律。本文根据漏斗胸微创矫形病例的术后胸廓CT图像,运用Mimics和NX软件,创建了包括胸骨、椎体、肋骨和椎间盘和肋间肌的胸廓三维简化计算模型。参考羊胸廓电测实验的方法与结果,在三维简化的胸廓计算模型上施加矢状面的位移,通过数值模拟获得了人体胸廓模型的位移场和应力应变场,参数研究考虑了肋间肌对胸廓变形的影响。研究结果显示肋间肌会影响胸廓变形,不同位置的肋间肌对胸廓变形影响的程度不同,其中第5到第9根肋骨之间的肋间肌对胸廓变形的影响较为明显。本文首次对不同位置肋间肌对胸廓变形的影响展开研究,同时提出了方便建立肋间肌的胸廓模型建模方法。文中结果于胸廓在生理载荷作用下的生物力学特性提供了实验依据,对于采用包括肋间肌的三维实体模型预测漏斗胸合并脊柱侧弯微创矫形效果和确定影响微创矫形效果的因素具有参考价值。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R687

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