Lenke 1型青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸與正常脊柱有限元模型建立與分析*

許陽陽 李筱賀 李志軍 王一丹 和雨潔 王海燕△ 由 博

（1 長治市人民醫(yī)院康復(fù)科，長治 046000；內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)教研室，3 研究生學(xué)院，呼和浩特 010110；4 吉林化工學(xué)院航空工程院，吉林 132022）

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）[1]，或稱遲發(fā)性脊柱側(cè)凸，是一種導(dǎo)致冠狀面、矢狀面和水平面畸形的脊柱疾患，在冠狀平面由脊柱發(fā)生異常彎曲、偏移而旋轉(zhuǎn)，沒有任何明確病因[2]。該病定義為冠狀曲率＞10°，患病率在10～16歲兒童和青少年中為1%～3%[3]。AIS的高流行率是由于在青春期的生長速度變快而導(dǎo)致的脊柱異常生長。有限元建模與實驗技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)在脊柱研究中使用了近半個世紀(jì)[4]，在脊柱側(cè)凸的生物力學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)成為一種主流。脊柱側(cè)凸的研究，不僅要評估幾何畸形，更要分析脊柱內(nèi)生物力學(xué)分布特點；尸體標(biāo)本實驗在測量精度，結(jié)構(gòu)載荷及運(yùn)動之間的比較有一些局限性[5]，而有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）具有可重復(fù)性，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高等特點，且無創(chuàng)，因此本研究建立一個Lenke 1型特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型，分析脊柱及椎間盤力學(xué)分布，并與正常青少年脊柱進(jìn)行比較，為分析該類型脊柱側(cè)凸生物力學(xué)特征，進(jìn)一步揭示其側(cè)凸形成原因提供詳實的參考數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究對象

資料選自內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像科，志愿者基本信息：13歲正常青少年和15歲脊柱側(cè)凸（胸主彎，Lenke 1型）青少年各1例。15歲脊柱側(cè)凸病例，Cobb角28.47°，頂椎T9，上端椎T3，下端椎T12（特殊：此AIS 病例有L6），本研究僅對胸段分析，所以選取T1-L1脊柱節(jié)段作為研究對象。患者本人及父母同意，志愿作為測試對象，簽署知情同意書，本研究經(jīng)內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)倫理委員會審核通過（YKD2014032）。

1.2 設(shè)備及軟件

CT 掃描設(shè)備及掃描方法：采用64層螺旋CT機(jī)螺旋CT 掃描儀（美國GE公司）對脊柱進(jìn)行頭部至足趾方向掃描，掃描線垂直于體中軸線，CT的正常輻射劑量范圍為8.11 mGy，薄片厚度1.25 mm，間距1.25 mm，重建層厚度0.625 mm，重建間距0.625 mm，視場30×30 cm，矩陣512×512 dpi，管電壓150 kV，電流260 mA。3D 重建軟件為Mimics 21.0，3-Matic 13.0（Materialise的交互式醫(yī)療圖像控制系統(tǒng)，Materialise，比利時）。有限元分析軟件為ANSYS 19.2（ANSYS公司，美國）。

1.3 三維重建

將連續(xù)掃描的胸腰椎斷層影像原始數(shù)據(jù)以“無損壓縮”DICOM 格式導(dǎo)入計算機(jī)，使用3D 重建軟件Mimics 21.0 定義上下、左右、前后方向后顯示出水平面、冠狀面、矢狀面3個平面的二維圖像，之后進(jìn)行各組織的重建。

1.3.1 骨組織重建（Mimics 中完成）選擇骨窗，建立蒙版，分離各個椎骨。

1.3.2 椎間盤重建（3-Matic 中完成）椎間盤由髓核、纖維環(huán)和上下2個終板組成。纖維環(huán)由兩層纖維層壓板組成，每層由3層組成，內(nèi)層、中層和外層。纖維環(huán)由膠原纖維組成，具有非線性張力-長度關(guān)系，髓核與纖維環(huán)體積比分別為44%、56%。本研究椎體節(jié)段多，為了減小有限元計算資源，僅重建髓核和纖維環(huán)基質(zhì)。

1.3.3 韌帶重建（Mimics 和3-Matic 中完成）所有韌帶形態(tài)，位置均參考解剖學(xué)教材及圖譜。

1.4 材料特性定義

由于人體結(jié)構(gòu)屬于非線性變化，屬性材料若按照骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)灰度值來賦值，其實是按線性屬性處理，可以運(yùn)用Mimics中通過CT資料灰度值附屬性。以大量文獻(xiàn)為參考，定義材料楊氏模量（E）與泊松比，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)以灰度值賦值，為非線性結(jié)構(gòu)；椎間盤定義為非線性結(jié)構(gòu)；軟組織定義為非線性結(jié)構(gòu)。

使用經(jīng)驗公式以10種材料屬性對骨性部分進(jìn)行賦值[9]

D=1.92×HU-170

E=47+1.222×D

公式中：D為材料密度（kg/m3），HU為CT 圖像灰度值，E為材料彈性模量（MPa），Mimics 中有限元網(wǎng)格（FEA Mesh）標(biāo)簽下（Materials）命令可設(shè)置。

1.5 有限元前處理

1.5.1 創(chuàng)建面網(wǎng)格 將表面光滑的模型填充三角形，進(jìn)行面網(wǎng)格體網(wǎng)格處理。

1.5.2 材料賦值 CT掃描的影像資料可為指定有限元模型賦材料屬性，骨骼按照圖像的灰度值賦值。結(jié)合DICOM圖像和體網(wǎng)格的信息，可以在Mimics中進(jìn)行精確的材料分配。由于缺乏椎間盤和韌帶的個性化材料特性，有限元模型使用了文獻(xiàn)中分散的數(shù)據(jù)。

1.6 有限元分析

將.cdb格式文件導(dǎo)入ANSYS 19.2中，顯示模型。

定義接觸，設(shè)置邊界條件和施加載荷。① 設(shè)置上、下關(guān)節(jié)突接觸為有摩擦，摩擦因數(shù)為0.1[10]，設(shè)置與椎間盤，纖維環(huán)與髓核，椎體與韌帶的接觸均為綁定（Bonded）。② 設(shè)置L1椎體下表面為“Fix Support”固定約束。③ 參照《人體測量方法》[11]，研究對象體重按被檢測者體重50 kg 計算，在T1椎體上表面施加軸向載荷200 N的壓力，以模擬正常站立時頭部與頸部的重力情況，隨著椎序的增加，每個椎體上表面受到的力應(yīng)不斷增大，所以在每個每個椎體上表面施加重力方向25 N的壓力，以模擬椎體累積承載壓力[12]。

應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)≈担孩僬Ｇ嗌倌昙怪刁w，纖維環(huán)與髓核按照椎體“三柱理論”，分別在纖維環(huán)和髓核前2/3 和后1/3位置均勻取30個點，記錄各點應(yīng)力應(yīng)變值，用±s差表示，觀察變化規(guī)律；②AIS 脊柱，按照凸側(cè)與凹側(cè)劃分，分別在椎體、纖維環(huán)和髓核凸側(cè)與凹側(cè)均勻取30個點，記錄各點應(yīng)力應(yīng)變值，用±s表示，觀察變化規(guī)律。

2 結(jié)果

從整體來看，中立位的青少年正常脊柱應(yīng)力主要集中在中柱和后柱部分，應(yīng)變主要集中在椎間盤部分（圖1）；AIS的應(yīng)力集中在椎骨彎曲的凹側(cè)，應(yīng)變主要集中在椎間盤部分，應(yīng)力應(yīng)變在彎曲的凹側(cè)最明顯（圖2）。正常青少年纖維環(huán)應(yīng)力值與應(yīng)變值約是髓核的10倍和3倍，纖維環(huán)應(yīng)力、應(yīng)變明顯大于髓核，不同椎骨節(jié)段變化不明顯（圖3）；AIS與正常青少年相比，不同椎骨節(jié)段變化趨勢明顯，應(yīng)力、應(yīng)變以上端椎（T3）、下端椎（T12）為界限在凸側(cè)與凹側(cè)規(guī)律分布（圖4、5、6）。

圖1 正常青少年脊柱胸段總位移，應(yīng)力、應(yīng)變云圖

圖2 AIS 脊柱總位移，應(yīng)力、應(yīng)變云圖

圖3 正常青少年纖維環(huán)，髓核應(yīng)力（A）應(yīng)變（B）均值變化圖

圖4 正常與AIS 纖維環(huán)、髓核應(yīng)力（A，C）應(yīng)變（B，D）均值變化圖

正常青少年，應(yīng)力云圖顯示上胸段（T1～T4），椎間盤前方應(yīng)力大于后方，中胸段（T5～T8），椎間盤應(yīng)力集中在纖維環(huán)和髓核邊緣，下胸段（T9～T12）中T9、T10應(yīng)力特點同中胸段，椎間盤應(yīng)力集中在纖維環(huán)和髓核邊緣，而T11、T12椎間盤應(yīng)力集中在纖維環(huán)和髓核后方，應(yīng)變特點同應(yīng)力特點（圖7、9）。AIS脊柱應(yīng)力云圖顯示主要集中在脊柱彎曲的凹側(cè)，在上端椎（T3）與下端椎（T12）之間，彎曲凹側(cè)應(yīng)力集中，但上端椎（T3）以上，下端椎（T12）以下應(yīng)力逐漸向?qū)?cè)轉(zhuǎn)移（圖5）。纖維環(huán)應(yīng)力云圖T2～T4應(yīng)力集中在凸側(cè)側(cè)前方，并逐漸向凹側(cè)移動，T5～T9應(yīng)力集中在凹側(cè)，T10～T12應(yīng)力轉(zhuǎn)移到凹側(cè)側(cè)后方。髓核應(yīng)力云圖無明顯變化規(guī)律，T9～T11應(yīng)力明顯集中在凹側(cè)側(cè)后方。纖維環(huán)與髓核應(yīng)變云圖變化特點與應(yīng)力云圖相似（圖8、10）。

圖5 AIS 椎體應(yīng)力顯示

圖6 AIS 椎弓根應(yīng)力均值變化圖

圖7 正常青少年纖維環(huán)、髓核應(yīng)力云圖

圖8 AIS 纖維環(huán)、髓核應(yīng)力云圖

圖9 正常青少年纖維環(huán)、髓核應(yīng)變云圖

3 討論

AIS患者的椎弓根寬在凹側(cè)明顯變細(xì)變窄，在頂椎位置更嚴(yán)重。本研究有限元分析得出AIS患者在彎曲位置的凹側(cè)應(yīng)力集中，正常模型并未看出明顯不對稱的應(yīng)力分布，還不能確定應(yīng)力不對稱分布與脊柱側(cè)凸的發(fā)生和發(fā)展的因果關(guān)系，但發(fā)生脊柱側(cè)凸之后一定導(dǎo)致應(yīng)力不對稱分布，因此應(yīng)力不對稱分布會影響脊柱彎曲的進(jìn)展。根據(jù)Wolff 定律，壓力的分布會影響骨骼的生長方式，以適應(yīng)外界復(fù)雜的情況，脊柱各個部位的生長情況與其所承受的壓力有必然的對應(yīng)關(guān)系，Hueter-Volkmann 原理[13]指出椎骨在應(yīng)力集中的位置，骨的生長會受到抑制，導(dǎo)致骨的不發(fā)育；應(yīng)力消失，骨的生長會恢復(fù)。Goto 等[14]指出脊柱側(cè)凸會隨著骨的負(fù)荷發(fā)生變化而發(fā)展。Huynh 等[15]研究指出椎弓根的幾何形狀或生長速率的不對稱是產(chǎn)生脊柱側(cè)凸的獨(dú)立原因，一定程度上也證實了Hueter-Volkmann原理。Stokes 等[16]通過建立胸部的生物力學(xué)模型，以研究胸部不對稱生長是如何引發(fā)脊柱側(cè)凸畸形中的脊柱側(cè)凸和軸向旋轉(zhuǎn)，研究得出骨性結(jié)構(gòu)的不對稱可以引起輕度的脊柱側(cè)凸和軸向旋轉(zhuǎn)。Stokes等[17]又通過有限元模型得出脊柱側(cè)凸畸形不能用施加在脊柱上的不平衡力來解釋，其病因與發(fā)病機(jī)制來自很多方面，例如胸廓的不對稱生長或椎骨的不對稱發(fā)育。所以椎骨和椎間盤上的不對稱載荷是導(dǎo)致AIS 進(jìn)展的原因之一。本研究正常青少年胸椎與AIS患者胸椎椎骨應(yīng)力分布比較，正常青少年胸椎應(yīng)力分布對稱，AIS患者胸椎椎骨應(yīng)力分布會隨著脊柱彎曲規(guī)律分布，應(yīng)力集中在彎曲的凹側(cè)，同時也顯示在AIS患者椎骨凹側(cè)的椎弓根發(fā)育不良，椎弓根較對側(cè)（凸側(cè)）窄且細(xì)，可以得出在椎骨應(yīng)力的分布影響骨的發(fā)育，并且髓核和纖維環(huán)的應(yīng)力分布同樣會隨著脊柱彎曲方向發(fā)生變化。AIS患者椎骨、椎間盤應(yīng)力與應(yīng)變分布以上端椎、下端椎為界限，上端椎與下端椎之間是脊柱的彎曲部分，具有凹側(cè)椎弓根較窄，應(yīng)力和應(yīng)變較大的特點；上端椎和下端椎附近，所有應(yīng)力與應(yīng)變逐漸由凹側(cè)向凸側(cè)轉(zhuǎn)移，慢慢恢復(fù)至前后位置。

縱觀整個脊柱，從上端椎以上至下端椎以下，應(yīng)力和應(yīng)變的分布特點是圍繞著脊柱水平面移動，同時說明了AIS患者椎骨在發(fā)展過程中存在椎體旋轉(zhuǎn)。Patel 等[18]提出椎體旋轉(zhuǎn)影響周圍軟組織解剖結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對相應(yīng)椎骨進(jìn)行評估。很大程度上脊椎旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致脊柱側(cè)凸的未知致病機(jī)制的一部分。旋轉(zhuǎn)軸的確切位置以及旋轉(zhuǎn)方式仍然不清楚[19-20]，且很多研究者都關(guān)注了椎體旋轉(zhuǎn)在AIS 中的重要影響[21-22]。椎骨在水平面的椎體旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致畸形不可或缺的一部分，既導(dǎo)致冠狀面畸形，也導(dǎo)致脊柱畸形進(jìn)展期間的呼吸功能障礙，若對于椎體旋轉(zhuǎn)矯正不充分，直接影響矯正治療的滿意度[23]。

FE 模型中，肌肉力的影響通常被忽略或通過施加跟隨載荷而簡化，載荷力的方向遵循脊柱生理曲度并大致通過椎體或終板中心。本研究未考慮肌肉力的影響。由于全脊柱的CT 資料稀少，本實驗無法選用相同年齡的正常與側(cè)凸病例進(jìn)行研究。另外，本模型缺乏胸廓等結(jié)構(gòu)，椎間盤的處理沒有考慮椎體終板，這些與實際情況存在一定偏差。還有很多結(jié)構(gòu)未加入完整的脊柱側(cè)凸模型，它們之間的連接復(fù)雜，難以逼真的建立約束，建立模型工作量大，目前所建的模型有許多簡化，與真實情況仍有很大差距，這些都影響了脊柱側(cè)凸的有限元建模和有限元研究，繼續(xù)優(yōu)化模型是今后努力的方向。