有限元研究法在脊柱侧凸探究中应用

《有限元研究法在脊柱侧凸探究中应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、有限元研究法在脊柱侧凸探究中应用有限元分析是现代工程设计中的一种常用工具，其被用来设计家电、汽车、飞机等。1972年，BrekelmansEl］等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。自此以后，有限元分析逐渐被广泛应用于生物力学研究，促进了人们对一些机体生物力学行为的深入理解。1974年Belytschko等［2］于1974年建立了二维椎间盘模型oViviani等最早将有限元方法应用在脊柱侧凸领域［3］。脊柱侧凸是多因素联合导致的脊柱三维平面畸形，包括冠状面的侧向弯曲，矢状面生理曲度的异常和横断面椎体的旋转。往往合并胸廓变形，双肩不等高等继发改变。由于脊柱侧凸动物模型建立困难，以

2、往研究受到较大限制。计算机三维有限元方法的引入拓展了脊柱侧凸研究的方法。本文就有限元法在脊柱侧凸模型的建立、发病机制、支具设计与治疗、手术技术模拟、内固定器械设计与选择等方面的应用作一综述。1脊柱侧凸模型的建立有限元模型的建立需要几何建模，材料赋值，边界设定和模型验证及参数优化等步骤。目前研究者构建的脊柱有限元模型分为以下几种：①简单的脊柱整体模型。②椎体模型。③椎间盘和运动节段模型。④胸腰椎模型。⑤颈椎模型。⑥各种不同状况及不同植入器械的脊柱活动模型。建模数据可应用解剖数据，多平面X线照相，CT及MRI影像等。目前应用最多的为CT扫描图像。CT扫描时扫描数据中可以直接将每一个三维象素转变

3、为立方形有限单元，其优点在于通过CT扫描能够获取每一个三维象素的骨密度，同时每个单元杨氏模量、强度均表现不同。CT扫描是获取有限元模型几何形状数据最准确的方法，现在有软件包能够轻松转换CT、MRI扫描图像数据格式，以方便计算机辅助作图软件CAD识别读取，并通过商业有限元软件把数据转化为有限元分析组件。随着计算机技术的发展和软件的普及各种类型的脊柱侧凸模型均被研究者建立［4,5］。而且个体化的有限元模型也在研究中应用［6］。有限元模型在建模过程中需要做一些简化和假设，由于脊柱组成结构，特别是椎间盘、韧带结构的材料特性还没有完全明了，而小关节等结构因个性化异性表现出几何形状、关节间隙宽度、方向

4、的差异性，但在研究中这些参数都是确定的。因有限元分析的许多结果呈现的是一种变化趋势，而并不需要代表绝对值。这些结果是通过数学模型计算出来的，尽管结果都是精确的数值，但我们更应把这些数值描述为一种趋势。因此有限元分析有其局限性。2脊柱侧凸发病机制的有限元分析特发性脊柱侧凸的具体发病机制目前尚未阐明。生物力学异常可能是其致病因素之一。因此有学者应用有限元分析的方法进行了分析。Stokes等对脊柱侧凸生物力学机制进行了深入研究，其中应用有限元分析方法对脊柱侧凸的成因和进展进行了研究。他的结果支持青少年时期胸廓不对称生长引发轻度的脊柱侧凸［7,8］o此后又应用有限元方法提出脊柱侧弯的进展是生物力学

5、介导的，初始侧凸度数和年龄可用来预测脊柱侧弯的进展。［9］同时他认为不能单纯用力学机制来阐明脊柱侧凸的形成，应综合胸廓和椎体的不对称发育等因素来理解脊柱侧凸的形成和进展。AzegamiH等利用有限元分析方法验证压曲理论，在其建立的4个模型中，认为冠状面第2侧方弯曲模型可能是胸椎特发侧弯的机械力学原因［10］。V订1emure等在实验研究中，建立脊柱有限元模型（包括椎与腰椎），通过模拟青少年特发性脊柱侧凸过程，选择分别与生长板平行和垂直两个变量。假设条件为：T8向右侧偏移2mm,对两种两种模型进行试验。模型1为垂直方向的调节，模型2为垂直方向和平行方向的调节。结果发现，在整个生长周期中，模型

6、1中Cobb角由0.3°增长到34°,胸椎顶椎楔状变角度由2.6°增长到10.7°,且顶椎顺时针方向旋转10°；模型2中三个角度分别为20°、7.8°和6。；可以明显看出模型2的畸形程度较轻，这可能与生长板平行的生长调节与垂直生长调节的作用发生了抵消。生长调节模型充分显示了脊柱侧凸畸形的自我维持过程，说明了应力改变和生长调节在脊柱侧凸形成中的重要影响。［11］2004年作者又通过有限元分析的方法验证了5种不同的病理假说。认为胸段椎体对冠状面的失衡很敏感；冠状面的失衡,可能是脊柱侧凸形成的是主要机制，产生典型的脊柱侧凸形态［12］oGarceauP等利用有限元分析方法比较了侧弯和正常对照椎旁

7、肌肉，提出神经肌肉异常可发生在局部，借助该模型可以进行脊柱侧凸形成进程中，肌肉和中枢之间关联性的多因素研究［13］。近年来，LafortuneP,DrevelleX,FokJ等众多研究者均利用有限元分析的方法对各自的理论进行了验证。但是脊柱侧凸形成原因复杂，有限元分析在各方面并不能完全模拟生理过程，通过该方法得出的结论需要进一步验证。3支具的设计和治疗研究支具在轻度特发性脊柱侧弯的治疗中有重要意义，虽然其治疗效果存在一定