新型個(gè)體化三維矯形胸腰骶氣囊支具的有限元研究

范建平，王傳鋒，魏顯招，易紅蕾，李志鯤，陳自強(qiáng)，白玉樹，朱曉東，李 明

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是一種常見(jiàn)的脊柱畸形，包括冠狀面、矢狀面及軸狀面的三維畸形［1］。不僅影響患者的軀體外觀和功能，還可引起心肺功能障礙，影響心理健康，給家庭及社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，隨著脊柱三維矯形理論的提出及推廣應(yīng)用，脊柱側(cè)凸的治療取得了革命性的進(jìn)展，各種新型的內(nèi)固定器械及治療理念的不斷進(jìn)展，使得手術(shù)成功率不斷提高。但是手術(shù)犧牲了脊柱的運(yùn)動(dòng)節(jié)段，而且高額的醫(yī)療費(fèi)用給家庭及社會(huì)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。因此對(duì)于脊柱側(cè)凸及早發(fā)現(xiàn)和治療，進(jìn)行有效的非手術(shù)治療，防止側(cè)凸加重，避免手術(shù)，具有重要的意義。支具治療是是目前證實(shí)唯一有效的非手術(shù)治療方式［2］。近年來(lái)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)進(jìn)行脊柱側(cè)凸的研究有較大進(jìn)展，有限元法(finite element models，F(xiàn)EM)研究的應(yīng)用可以更好地幫助我們理解支具原理和優(yōu)化支具參數(shù)。Van 等［3］研究報(bào)道，對(duì)于脊柱胸腰段交界處施加向前凸的外力，在對(duì)矯正矢狀面畸形的同時(shí)，對(duì)于矯正冠狀面的畸形有幫助，這項(xiàng)研究結(jié)果對(duì)于研究支具治療AIS 有著重要意義，但是相關(guān)研究仍然較少。

上述研究報(bào)道提示，如果使得支具能夠在胸腰段脊柱提供一個(gè)前凸的矯形力，將有助于實(shí)現(xiàn)脊柱的三維矯形。但是單純依靠支具曲面的改變很難個(gè)體化地提供這種前凸矯形力，本研究是在支具的內(nèi)襯面增加一個(gè)可充放式氣囊襯墊來(lái)提供這一前凸的矯形力，根據(jù)氣囊充放來(lái)調(diào)整矢狀面的力的大小，并通過(guò)有限元建模來(lái)模擬這一過(guò)程，來(lái)探討增加矢狀面施力后支具的治療效果。

1 資料和方法

1.1 一般資料

女，14 歲，身高155 cm，體重48 kg，側(cè)凸類型為“S”型彎曲。拍攝脊柱全長(zhǎng)正側(cè)位X 線片(見(jiàn)圖1)，并對(duì)脊柱進(jìn)行磁共振檢查，排除患者髓內(nèi)病變，及其他相關(guān)病變，明確為特發(fā)性脊柱側(cè)凸。采用螺旋CT(Siemens somatom sensation cardiac 64 排)對(duì)患者脊柱從C7至尾骨進(jìn)行薄層連續(xù)螺旋掃描，層厚0.8 mm，得到連續(xù)Dicom 格式圖片，分別建立的髓核和纖維環(huán)模型(見(jiàn)圖2)。并建立脊柱側(cè)凸骨性模型(見(jiàn)圖3)。進(jìn)行脊柱加載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，施加相關(guān)載荷后得到位移云圖(見(jiàn)圖4)。將結(jié)果與Panjabi等［4］報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Teo 等［5］建立的有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖5)。本研究所建立模型與Panjabi 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Teo 建立的有限元模型基本一致，認(rèn)為該模型是可靠的。

圖1 患者脊柱全長(zhǎng)X 線片F(xiàn)ig.1 Total spinal X-ray films of patient

圖2 脊柱側(cè)凸有限元模型(椎間盤)Fig.2 Finite element model of scoliosis(intervertebral disc)

圖3 脊柱側(cè)凸有限元模型Fig.3 Finite element model of scoliosis

1.2 新型氣囊支具的有限元建模

設(shè)計(jì)新型氣囊支具，納入Boston 支具的主要特點(diǎn)，并考慮在胸腰段矢狀面增加一個(gè)氣囊襯墊(見(jiàn)圖6)。在脊柱胸彎肋骨凸峰處至骨盆根據(jù)脊柱的曲面結(jié)構(gòu)，沿其表面模擬曲線，在參數(shù)化曲線的基礎(chǔ)上模擬生成一個(gè)曲面結(jié)構(gòu)。襯墊結(jié)構(gòu)的模擬可以通過(guò)所在部位的子曲面向內(nèi)拉伸2 mm 來(lái)進(jìn)行。本模型可認(rèn)定為雙彎模型，分別在T8對(duì)應(yīng)肋骨體表緣及L2頂錐部位進(jìn)行氣囊襯墊的模擬。并在胸腰段矢狀面模擬氣囊襯墊，支具與軀干之間的接觸用面面接觸非線性單元來(lái)模擬，建立的支具模型(見(jiàn)圖7)，襯墊的相關(guān)材料屬性(見(jiàn)表1)。

圖4 位移云圖Fig.4 Nephogram of drift

圖5 力矩作用下T10，11的轉(zhuǎn)動(dòng)角度Fig.5 The rotation angle of T10，11 under the action of torque

圖6 氣囊支具示意圖Fig.6 Diagram of airbag orthosis

圖7 支具有限元示意圖Fig.7 Diagram of airbag orthosis’finite element

表1 支具及襯墊材料屬性及單元類型Tab.1 Orthosis’and pad’s attributes and types

1.3 支具治療的模擬

根據(jù)臨床實(shí)際設(shè)定研究的約束條件:下端固定骨盆，包括冠狀面、矢狀面、軸狀面3 個(gè)平面的自由度。上端固定T1椎體在軸狀面的自由度，而維持其他的自由度。模擬的過(guò)程中，未將重力及肌肉力考慮在內(nèi)。施加載荷的過(guò)程中，考慮到結(jié)構(gòu)及材料的非線性特點(diǎn)，脊柱及支具模型的形變特點(diǎn)及接觸面之間的滑移，將支具與模型之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1。施加載荷后記錄的參數(shù)包括脊柱冠狀面Cobb角，矢狀面Cobb 角，頂錐軸向旋轉(zhuǎn)度，脊柱矢狀面生理參數(shù)。

支具模擬加載方案分3 個(gè)方案進(jìn)行，參考相關(guān)文獻(xiàn)［6-7］，設(shè)計(jì)如下方案。方案A:冠狀面施加載荷，在脊柱冠狀面施加不同的側(cè)方橫向力，施加載荷的大小Fx 分別為20 N，40 N，60 N。方案B:在矢狀面施加一組不同大小的前后縱向力，施加外力的載荷Fy 分別為20 N，40 N，60 N。方案C:在冠狀面及矢狀面結(jié)合施加載荷，進(jìn)行3 種不同的組合方式，分別進(jìn)行如下加載方案，F(xiàn)x=20 N，F(xiàn)y=40 N;Fx=30 N，F(xiàn)y=30 N;Fx=40 N，F(xiàn)y=20 N。

1.4 評(píng)估指標(biāo)

冠狀面:主彎和次彎的Cobb 角。矢狀面:胸椎后凸角，即T5椎體上終板與T12椎體下終板之間的夾角;胸腰段后凸角，即T10椎體上終板至L2椎體下終板之間的夾角;腰椎前凸角，即L1上終板與S1上終板之間的夾角。軸狀面:頂錐旋轉(zhuǎn)角度。

2 結(jié) 果

模擬的3 種加載方案脊柱相關(guān)參數(shù)的記錄分別見(jiàn)表2～4。3 組方案獲取最佳胸彎矯正率分別為66%、37%、52%，腰彎矯正率分別為65%、34%、53%。方案A:冠狀面施加載荷增加，脊柱冠狀面Cobb 角逐漸減小。同時(shí)脊柱矢狀面曲度及頂錐軸狀面旋轉(zhuǎn)度變化并不明顯(見(jiàn)表2)。方案B:胸腰段矢狀面施加載荷增加，脊柱冠狀面Cobb 角變小，但是變化幅度不大。矢狀面序列胸椎后凸變化不大，腰椎前凸增加，并且頂錐旋轉(zhuǎn)度改善明顯(見(jiàn)表3)。方案C:在固定冠狀面及矢狀面總體大小的情況下，隨著冠狀面分力的增加側(cè)凸矯正率增加，隨矢狀面分力減小脊柱矢狀面腰椎前凸角及頂錐旋轉(zhuǎn)度有所減少(見(jiàn)表4)。

3 討 論

AIS 及早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療對(duì)于防止畸形加重及相關(guān)并發(fā)癥具有重要意義。脊柱側(cè)凸研究學(xué)會(huì)(Scoliosis Research Society，SRS)對(duì)適合支具治療的患者納入標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一，符合如下條件:年齡≥10歲;Risser 征為0～2 級(jí)之間;初始治療Cobb 角為25°～40°;女性患者在初潮前后1 年內(nèi)［8］。SRS 推薦密切隨訪患者至骨骼成熟后至少2 年，觀察脊柱側(cè)凸進(jìn)展情況。Hueter-Volkmann 定律認(rèn)為當(dāng)骨骺承受的壓力增加時(shí)，骨的生長(zhǎng)受到抑制;當(dāng)骨骺所承受壓力降低時(shí)，骨的生長(zhǎng)速度就會(huì)加快［9］。

隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維有限元方法引入到脊柱側(cè)凸支具的生物力學(xué)研究當(dāng)中，提供了一種新型的研究方式。Andriacchi 等［10］通過(guò)建立5 例側(cè)凸類型計(jì)算機(jī)模型，來(lái)模擬Milwaukee

支具的即刻矯形效果，通過(guò)回顧性分析進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證。模擬支具模型用來(lái)預(yù)測(cè)支具實(shí)際的治療效果，結(jié)果顯示81%的患者，實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)值相一致。研究認(rèn)為，利用基于生物力學(xué)原則的Milwaukee 支具對(duì)于脊柱側(cè)凸治療有效。

表2 方案A 模擬施加不同載荷脊柱相關(guān)參數(shù)的變化Tab.2 Change of spine’s parameter under different load by scheme A

表3 方案B 模擬施加不同載荷脊柱相關(guān)參數(shù)的變化Tab.3 Change of spine’s parameter under different load by scheme B

表4 方案C 模擬施加不同載荷脊柱相關(guān)參數(shù)的變化Tab.4 Change of spine’s parameter under different load by scheme C

基于支具對(duì)脊柱矢狀面治療的局限，創(chuàng)新性地提出了在胸腰段增加一個(gè)氣囊支具，對(duì)矢狀面進(jìn)行施力。本研究通過(guò)建立特發(fā)性脊柱側(cè)凸及支具的三維有限元模型，進(jìn)行模擬不同矯形方案支具治療脊柱側(cè)凸的生物力學(xué)研究。支具模型基本包括了Boston 支具的特點(diǎn)，另外在胸腰段矢狀面模擬了一個(gè)氣囊襯墊。支具與軀干之間的接觸通過(guò)面面接觸單元進(jìn)行模擬，能良好的將支具施加的載荷傳遞到脊柱上。在3 組施力方案中，單純?cè)诠跔蠲孢M(jìn)行施加載荷時(shí)，脊柱側(cè)凸的矯形效果主要在冠狀面，并且隨著施力的增加，矯形效果更加明顯，當(dāng)施力為60 N 時(shí)，側(cè)凸矯正率＞60%。此種方案中，矢狀面及軸狀面矯形效果不明顯，并且矢狀面的生理曲度有所減小，和臨床治療觀察中發(fā)現(xiàn)的平背綜合征情況類似。方案B 中，基于文獻(xiàn)［3］報(bào)道在脊柱矢狀面施加載荷在改善矢狀面序列的同時(shí)，可以對(duì)冠狀面的矯形有幫助。通過(guò)模擬的氣囊襯墊單純?cè)诩怪笭蠲媸┘虞d荷，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)脊柱側(cè)凸冠狀面矯形有所幫助，當(dāng)施力為60 N 時(shí)，冠狀面?zhèn)韧钩C正率可以＞30%。觀察椎體的旋轉(zhuǎn)度發(fā)現(xiàn)，隨著矢狀面施力的增加，椎體旋轉(zhuǎn)度矯形效果明顯，這與文獻(xiàn)［11］報(bào)道的結(jié)果相一致。方案C 中通過(guò)組合冠狀面和矢狀面施加載荷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冠狀面分力增大時(shí)側(cè)凸矯正明顯，當(dāng)矢狀面分力增大時(shí)軸狀面矯形明顯并且可以改善矢狀面序列，通過(guò)在矢狀面增加氣囊襯墊結(jié)合冠狀面施力，使得支具治療更好地做到了脊柱側(cè)凸的三維矯形，避免了傳統(tǒng)支具只注重冠狀面矯形而忽略了矢狀面的矯形效果，并且矢狀面序列的改善可以防止平背綜合征的發(fā)生。氣囊支具在下一步臨床應(yīng)用中可以根據(jù)患者的耐受能力調(diào)節(jié)氣囊壓力來(lái)增加患者的順應(yīng)性，減少并發(fā)癥，提高治療效果。為脊柱側(cè)凸的支具治療提供了一種新的治療理念，為下一步氣囊支具的實(shí)物設(shè)計(jì)及運(yùn)用打下了基礎(chǔ)。本研究在支具施加載荷過(guò)程中采取了一定程度的簡(jiǎn)化，比如矯形過(guò)程中載荷和邊界條件的設(shè)定，未將模型肌肉軟組織及體表考慮在內(nèi)，施加力直接在支具上施加設(shè)定的冠狀面及矢狀面的力，將支具自身的施力特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過(guò)有限元方法獲得的脊柱參數(shù)變化可以反映不同方案的治療趨勢(shì)，但是對(duì)于新型氣囊支具的實(shí)際三維矯形效果，仍需臨床進(jìn)一步驗(yàn)證。

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