有限元分析法在脊柱側(cè)凸研究中的應(yīng)用

有限元分析是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中的一種常用工具，其被用來設(shè)計(jì)家電、汽車、飛機(jī)等。1972年，Brekelmans[1]等首次報(bào)道將有限元分析方法應(yīng)用于生物力學(xué)方面研究。自此以后，有限元分析逐漸被廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究，促進(jìn)了人們對(duì)一些機(jī)體生物力學(xué)行為的深入理解。1974年Belytschko等[2]于1974年建立了二維椎間盤模型。Viviani等最早將有限元方法應(yīng)用在脊柱側(cè)凸領(lǐng)域[3] 。脊柱側(cè)凸是多因素聯(lián)合導(dǎo)致的脊柱三維平面畸形，包括冠狀面的側(cè)向彎曲，矢狀面生理曲度的異常和橫斷面椎體的旋轉(zhuǎn)。往往合并胸廓變形，雙肩不等高等繼發(fā)改變。由于脊柱側(cè)凸動(dòng)物模型建立困難，以往研究受到較大限制。計(jì)算機(jī)三維有限元方法的引入拓展了脊柱側(cè)凸研究的方法。本文就有限元法在脊柱側(cè)凸模型的建立、發(fā)病機(jī)制、支具設(shè)計(jì)與治療、手術(shù)技術(shù)模擬、內(nèi)固定器械設(shè)計(jì)與選擇等方面的應(yīng)用作一綜述。

1 脊柱側(cè)凸模型的建立

有限元模型的建立需要幾何建模，材料賦值，邊界設(shè)定和模型驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化等步驟。目前研究者構(gòu)建的脊柱有限元模型分為以下幾種：①簡(jiǎn)單的脊柱整體模型。②椎體模型。③椎間盤和運(yùn)動(dòng)節(jié)段模型。④胸腰椎模型。⑤頸椎模型。⑥各種不同狀況及不同植入器械的脊柱活動(dòng)模型。建模數(shù)據(jù)可應(yīng)用解剖數(shù)據(jù)，多平面X線照相，CT及MRI影像等。目前應(yīng)用最多的為CT掃描圖像。CT 掃描時(shí)掃描數(shù)據(jù)中可以直接將每一個(gè)三維象素轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎叫斡邢迒卧?，其?yōu)點(diǎn)在于通過CT掃描能夠獲取每一個(gè)三維象素的骨密度，同時(shí)每個(gè)單元楊氏模量、強(qiáng)度均表現(xiàn)不同。CT 掃描是獲取有限元模型幾何形狀數(shù)據(jù)最準(zhǔn)確的方法，現(xiàn)在有軟件包能夠輕松轉(zhuǎn)換CT、 MRI 掃描圖像數(shù)據(jù)格式，以方便計(jì)算機(jī)輔助作圖軟件 CAD識(shí)別讀取，并通過商業(yè)有限元軟件把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有限元分析組件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟件的普及各種類型的脊柱側(cè)凸模型均被研究者建立[4，5]。而且個(gè)體化的有限元模型也在研究中應(yīng)用[6]。

有限元模型在建模過程中需要做一些簡(jiǎn)化和假設(shè)，由于脊柱組成結(jié)構(gòu)，特別是椎間盤、韌帶結(jié)構(gòu)的材料特性還沒有完全明了，而小關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)因個(gè)性化異性表現(xiàn)出幾何形狀、關(guān)節(jié)間隙寬度、方向的差異性，但在研究中這些參數(shù)都是確定的。因有限元分析的許多結(jié)果呈現(xiàn)的是一種變化趨勢(shì)，而并不需要代表絕對(duì)值。這些結(jié)果是通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來的，盡管結(jié)果都是精確的數(shù)值，但我們更應(yīng)把這些數(shù)值描述為一種趨勢(shì)。因此有限元分析有其局限性。

2 脊柱側(cè)凸發(fā)病機(jī)制的有限元分析

特發(fā)性脊柱側(cè)凸的具體發(fā)病機(jī)制目前尚未闡明。生物力學(xué)異?？赡苁瞧渲虏∫蛩刂?。因此有學(xué)者應(yīng)用有限元分析的方法進(jìn)行了分析。

Stokes等對(duì)脊柱側(cè)凸生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了深入研究，其中應(yīng)用有限元分析方法對(duì)脊柱側(cè)凸的成因和進(jìn)展進(jìn)行了研究。他的結(jié)果支持青少年時(shí)期胸廓不對(duì)稱生長引發(fā)輕度的脊柱側(cè)凸[7，8]。 此后又應(yīng)用有限元方法提出脊柱側(cè)彎的進(jìn)展是生物力學(xué)介導(dǎo)的，初始側(cè)凸度數(shù)和年齡可用來預(yù)測(cè)脊柱側(cè)彎的進(jìn)展。[9]同時(shí)他認(rèn)為不能單純用力學(xué)機(jī)制來闡明脊柱側(cè)凸的形成，應(yīng)綜合胸廓和椎體的不對(duì)稱發(fā)育等因素來理解脊柱側(cè)凸的形成和進(jìn)展。Azegami H等利用有限元分析方法驗(yàn)證壓曲理論，在其建立的4個(gè)模型中，認(rèn)為冠狀面第2側(cè)方彎曲模型可能是胸椎特發(fā)側(cè)彎的機(jī)械力學(xué)原因[10]。

Villemure等在實(shí)驗(yàn)研究中，建立脊柱有限元模型（包括椎與腰椎），通過模擬青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸過程，選擇分別與生長板平行和垂直兩個(gè)變量。假設(shè)條件為：T8向右側(cè)偏移2mm，對(duì)兩種兩種模型進(jìn)行試驗(yàn)。模型1為垂直方向的調(diào)節(jié)，模型2為垂直方向和平行方向的調(diào)節(jié)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)生長周期中，模型1中Cobb角由0. 3°增長到34°，胸椎頂椎楔狀變角度由2. 6°增長到10. 7°，且頂椎順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)10°；模型2中三個(gè)角度分別為20°、7. 8°和6°；可以明顯看出模型2的畸形程度較輕，這可能與生長板平行的生長調(diào)節(jié)與垂直生長調(diào)節(jié)的作用發(fā)生了抵消。生長調(diào)節(jié)模型充分顯示了脊柱側(cè)凸畸形的自我維持過程，說明了應(yīng)力改變和生長調(diào)節(jié)在脊柱側(cè)凸形成中的重要影響。[11] 2004年作者又通過有限元分析的方法驗(yàn)證了5種不同的病理假說。認(rèn)為胸段椎體對(duì)冠狀面的失衡很敏感；冠狀面的失衡，可能是脊柱側(cè)凸形成的是主要機(jī)制，產(chǎn)生典型的脊柱側(cè)凸形態(tài)[12]。

Garceau P等利用有限元分析方法比較了側(cè)彎和正常對(duì)照椎旁肌肉，提出神經(jīng)肌肉異?？砂l(fā)生在局部，借助該模型可以進(jìn)行脊柱側(cè)凸形成進(jìn)程中，肌肉和中樞之間關(guān)聯(lián)性的多因素研究[13]。近年來，Lafortune P， Drevelle X， Fok J等眾多研究者均利用有限元分析的方法對(duì)各自的理論進(jìn)行了驗(yàn)證。但是脊柱側(cè)凸形成原因復(fù)雜，有限元分析在各方面并不能完全模擬生理過程，通過該方法得出的結(jié)論需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 支具的設(shè)計(jì)和治療研究

支具在輕度特發(fā)性脊柱側(cè)彎的治療中有重要意義，雖然其治療效果存在一定爭(zhēng)論，但大部分文獻(xiàn)表明其有效性。支具是根據(jù)生物力學(xué)三點(diǎn)或四點(diǎn)矯正來達(dá)到對(duì)側(cè)凸的矯正，其設(shè)計(jì)和制作需要根據(jù)患者特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化制作。但沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維有限元模型已應(yīng)用在支具的設(shè)計(jì)中。

Aubin等通過采用壓力傳感器對(duì)波士頓支具產(chǎn)生的矯形力的測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果加入有限元模型里，證實(shí)模型分析結(jié)果與佩戴支具后患者的脊柱形態(tài)表現(xiàn)出高度的一致性，提示方案可行[14]。2002年 Périé等[15]通過 MRI、CT 結(jié)合的有限元法，對(duì)夜間仰臥位時(shí)支具矯形作用進(jìn)行分析，報(bào)道脊柱順應(yīng)性與脊柱矯形效果相關(guān)， 表現(xiàn)為椎體間彈性模量與載荷于模擬支具模型的力成比例關(guān)系。在隨后的研究中，Périé等[16]提出影響矯形作用的因素很多，這些因素共同達(dá)到支具中力的平衡。Périé等[17]更進(jìn)一步在 Boston 支具中相應(yīng)位置加入壓力傳感器來測(cè)量壓力，在初始?jí)毫Υ笥?30mmHg時(shí)，發(fā)生右胸廓、左腰部、腹部、雙側(cè)骨盆等5個(gè)區(qū)域軀干受力最大，提示測(cè)試個(gè)體化支具治療的生物力學(xué)效應(yīng)使得開發(fā)設(shè)計(jì)更為有效的三維支具成為可能。

Gignac等利用有限元方法研究更為有效的三維支具，利用多重影像學(xué)技術(shù)把肋骨、胸骨、骨盆構(gòu)建有限元模型，分析脊柱側(cè)凸施加三維矯形力不同方式的效果，認(rèn)為施加載荷最佳的方式為側(cè)凸脊柱的凸側(cè)區(qū)域[18，19]。Clin J等[20～22]也對(duì)不同的支具進(jìn)行了有限元分析并進(jìn)行了比較。

Desbiens-Blais等利用雙平面照相術(shù)和軀干表面像建立有限元模型用來設(shè)計(jì)新型支具，并與標(biāo)準(zhǔn)的胸腰骶支具具有相當(dāng)?shù)男Ч瑥亩C明計(jì)算機(jī)輔助支具具有可行性，可以用來提高支具的設(shè)計(jì)[23]。 Berteau等設(shè)計(jì)了新型非硬性支具并進(jìn)行了有限元分析，認(rèn)為浮肋軟骨以上大于40N的矯形力作用于后方不對(duì)稱區(qū)域可獲得較好矯形效果[24]。

支具設(shè)計(jì)及應(yīng)用的有限元分析雖然報(bào)道較多，效果可，但研究主要集中在一個(gè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)，其結(jié)果需要多中心的研究來證實(shí)。

4 脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)的有限元模擬

脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)最為復(fù)雜、術(shù)后并發(fā)癥多的高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)之一， 選擇適宜的矯形策略直接關(guān)系到手術(shù)是否成功， 同時(shí)內(nèi)固定器械、手術(shù)方式、手術(shù)入路對(duì)手術(shù)能否成功有重要影響。為保障矯形成功、降低并發(fā)癥的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于脊柱內(nèi)固定器械的研究進(jìn)行了很多卓有成效的工作。 近 20 年來 CD 系統(tǒng)等基于脊柱三維矯形理論研發(fā)的內(nèi)固定系統(tǒng)是脊柱外科領(lǐng)域具有革命意義的進(jìn)展。目前對(duì)于脊柱內(nèi)固定器械的生物力學(xué)研究主要通過三維有限元方法進(jìn)行模擬。

Viviani等是最早采用有限元方法對(duì)脊柱側(cè)凸手術(shù)矯形生物力學(xué)進(jìn)行研究學(xué)者[3]。通過在模型上施加不同載荷量的矯形力組合，比較位移發(fā)生差異，驗(yàn)證模型推薦的矯形方案。通過反復(fù)比較手術(shù)效果與模型預(yù)計(jì)的效果，提出脊柱側(cè)凸手術(shù)矯形的有限元優(yōu)化手術(shù)方案。Ghista等通過對(duì)脊柱側(cè)凸手術(shù)矯形的生物力學(xué)分析，提出了5步驟初步規(guī)范化方案[25]：①建立脊柱側(cè)凸有限元模型。②測(cè)定患者脊柱剛度，選擇有限元模型材料屬性。③反復(fù)模擬不同外科器械手術(shù)矯形結(jié)果，得出最佳手術(shù)方案。④完成有限元分析推薦的最佳手術(shù)方案。⑤比較矯形手術(shù)后脊柱的形態(tài)和模擬分析的結(jié)果

目前文獻(xiàn)中用有限元分析法進(jìn)行手術(shù)模擬數(shù)量眾多，國內(nèi)外眾多研究均采用該方法進(jìn)行。說明有限元分析的可行性較高，但有限元分析有其局限性，應(yīng)客觀看待。

5 存在的問題和展望

有限元分析的真實(shí)性除受到各種數(shù)學(xué)參數(shù)及模擬方程的限制， 目前研究對(duì)其外部因素的考慮仍欠完善。各種組織和材料并不能完全模擬。但有限元分析方法確實(shí)已在支具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，病理機(jī)制模擬，手術(shù)模擬等方面取得較好效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件的發(fā)展，各種體內(nèi)組織和材料可以模擬的更加真實(shí)。相信有限元分析在脊柱側(cè)凸生物力學(xué)研究中仍將起重要作用。

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