重度僵硬脊柱侧弯三维有限元模型的建立及PVCR术生物力学分析

发布时间：2020-11-10 00:17

　　 [目的]通过真实患者的CT扫描图片数据,使用Mimics10.01软件、Geomagic12、UG8.0三维建模软件以及Workbench有限元分析软件的辅助,经过调整,模型的CVSL和生物力学性状验证有效,建立了青少年特发性脊柱侧弯三维有限元模型。利用该模型,模拟PVCR手术以探究:1、在PVCR矫形手术过程中患者重要椎体的生物力学变化和移动;2、矫形螺钉及矫形棒上应力云图分布,对比术前术后椎体,椎弓根受力及位移分布云图;3、交界区椎间盘矫形术后受力云图分布。[方法]1利用三维有限元相关软件建立严重脊柱侧凸模型以及模型的优化。在Mimics10.01软件中,成功导入志愿者CT模型,初步得到粗糙模型;在Geomagic studio12软件中,进行模型的优化,使得到的模型更加光滑且接近真实;在UG8.0软件中,添加椎间盘、肋骨、胸骨柄、骨盆,模拟俯卧位椎间关节、肋椎关节摩擦系数。2严重脊柱侧凸模型有效性验证。在Mimics10.01软件中,将所建立的模型与原始患者的CT相比较,验证模型的几何相似性。通过将所建立的患者脊柱空间三维体模型进行本类研究中公认的CSVL验证,将分别在Mimics10.01和UG8.0中测得的脊柱冠状面和矢状面的CSVL四组数据进行列表,并经过统计学专用软件SPSS19.0进行统计学分析,对模型的不足之处进行微调,保证了本研究所建立的模型与患者实际脊柱在空间位置上的一致性。对模型施加前屈、后伸、左弯、右弯、左旋转和右旋转等六项验证,得到模型的FSU数据,并与前人研究结果进行对比,保证了模型在力学上的有效性。3利用模型模拟PVCR手术,模拟术中真实环境,对真实术中的手术床、患者皮肤、肌肉等进行简化建模,且按照真实情况,固定胸骨和骨盆接触部位的皮肉,术中限制模型中骨盆皮肤处与手术床接触为零。保证胸廓与椎体间的活动度,并真实模拟关节囊润滑作用;模拟矫形:椎弓根钉植入以及置棒。按照术前计划,患者行T12椎体切除,固定节段为T3-L4。术中准确植入椎弓根矫形螺钉;椎体切除,施加矫形力。[结果]1模拟PVCR术矫形结束后,各椎体均存在三维矫形面的位移,椎体切除后,人为的将连续的脊柱分为两段,首先椎体两断端呈纵向分离趋势,在其冠状位上,椎体切除区域上段面向凸侧位移趋势大于下段;在其矢状位上,椎体切除之后,下段位移距离大于上段,故椎体切除下段下沉趋势大于上段,即远端下沉,近端上提。2模拟PVCR矫形术后矫形棒应力值区间为:0.0050214e7兆帕—0.045217 e7兆帕,其中应力值最大区域为截骨区及截骨区上下两个椎体,其应力值为0.045217 e7兆帕,其次为临近矫形区域,其应力值为:0.03145 e7兆帕—0.040193 e7兆帕。矫形棒应力最小为端椎区域,其应力值为:0.0050214e7兆帕—0.025121 e7兆帕。矫形螺钉应力区间为:3.1108e7兆帕—2.7961e8兆帕。其中应力值最大区域为经椎弓根区域。模拟PVCR矫形术后矫形螺钉应力区间为:3.1108e7兆帕—2.7961e8兆帕。其中应力值最大区域为经椎弓根区域。位于切除椎体下矫形凸侧第一枚矫形螺钉应力最大,为2.4577e8兆帕。模拟PVCR矫形术后,各椎体应力最大区域均出现钉—骨交界区域。3模拟PVCR矫形结束后,端椎区域T2/3及椎间盘T7/8、T8/9、T9/10上的应力较其他椎间盘的应力值要大。交界区T2/3椎间盘应力较大且较集中于纤维环外侧。且矫形结束后,椎间盘受力最大区域均位移纤维环。[结论]本研究通过CT三维图像导入,成功建立符合人体真实情况严重脊柱侧凸模且验证模型有效性。基于模型模拟PVCR手术,术中加入胸廓、胸骨、骨盆、皮肤、手术床、关节囊等术中客观存在事物对手术的影响,与其他学者同类实验相比,更加真实模拟PVCR手术。本研究所有节段均植入了椎弓根螺钉,应力值的大小代表发生椎弓根壁骨折破损或者钉棒断裂的可能性,值越高反映出现椎管内侵犯或者断钉断棒的可能性越高。模型完成PVCR术后,患者冠状面侧凸予以矫正。当患者脊柱矫正到合适位置时,同时整体的脊柱在向患者头部的方向Z方向都产生了一定的移动,也符合在矫形手术完成后患者都有身高增加这一现象。PVCR矫形术中,完成全脊椎切除后首先应首先短缩脊柱,降低脊髓张力提高脊髓对脊柱移位的耐受性,保护脊髓安全。行PVCR术后,截骨区域为术后内植物断裂高危区域,故术中行有效的植骨融合,术后严格嘱患者避免重体力运动。PVCR矫形术后,交界区椎间盘承载较大应力且较集中,交界区椎间盘变性是导致PJK发生的主要因素。
【学位单位】：昆明医科大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R682.3
【部分图文】：

打开Ｍｉｍｉｃｓ软件后，先导入所要的所有椎体ＣＴ图片，接下来，需??要调整窗宽窗位，此后，进行阈值分割，分割结果保存为蒙板（Ｍａｓｋ）。完成所??要求的阈值的划分后，需要对所要求的骨区进行清除与填补，如下图１．２所示，??在处理前，椎体上存在着许多的空洞，这些空洞在人体中是不存在的，为此必须??将这些空洞完全填补起来。??图１．１患者脊柱ＣＴ图片编辑前后对比图??在通过以上各个步骤作用后，我们的得到的椎骨模型是由一定数量的三角片??组成的面网格化模型，它的表面是非常粗糙的，会对后期处理带来极大的不便，??１３??

ｆｔ?ｆ＊??图１．?２?ＭｉｍｉｃｌＯ．?０１软件“Ｒｅｍｅｓｈ”功能运行界面??对于模型中出现不合理的部分，需要修整，以减少质量较差的三角片的数量。??Ｍｉｍｉｃｓ医学图像处理软件中自带“重新划分网格”、“优化所得到的模型三角片”、??“检查模型中是否存在有相交的三角片”、“Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ光顺本模型”功能，目的??是进一步去除、修改或重新编辑。质量较差、出现钉角的三角片数量。使得到的??模型尽可能光滑、平整，更接近人体真实情况。如下图１．４所示：??图１．?３?ＭｉｍｉｃｓｌＯ．?０１软件“Ｒｅｍｅｓｈ”处理前后效果图??１４??

１．?４．?２采用Ｍｉｍｉｃｓ软件修整青少年特发性脊柱侧弯各个节段??本研究采用Ｍｉｍｉｃｓ医学图像处理软件中自带的ＦＥＡ模块中的Ｒｅｍｅｓｈ功能，对本??模型进行初步的修整清洁，这个功能的运行界面如下图１．?３所示。??／？￡?３?ＳＩＳ?０：?ａ?？：?Ｃ－Ｕ．－ｗ＾?＾?ｉｆ?Ｌｆ?ｅ？?ｉｆ?＾?４＾０?Ｂ??｜＾＞?■??ｌｉｔ??％國??＿鬆＿??■?」＿．卜，？??ｆｔ?ｆ＊??图１．?２?ＭｉｍｉｃｌＯ．?０１软件“Ｒｅｍｅｓｈ”功能运行界面??对于模型中出现不合理的部分，需要修整，以减少质量较差的三角片的数量。??Ｍｉｍｉｃｓ医学图像处理软件中自带“重新划分网格”、“优化所得到的模型三角片”、??“检查模型中是否存在有相交的三角片”、“Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ光顺本模型”功能，目的??是进一步去除、修改或重新编辑。质量较差、出现钉角的三角片数量。使得到的??模型尽可能光滑、平整，更接近人体真实情况。如下图１．４所示：??图１．?３?ＭｉｍｉｃｓｌＯ．?０１软件“Ｒｅｍｅｓｈ”处理前后效果图??１４??
【参考文献】

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本文编号：2877172