退变性腰椎侧弯三维有限元模型的建立及手术模拟

来源 :内蒙古医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tianxu36966688
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目的:本课题通过应用螺旋CT连续扫描获得医学影像学资料,并利用CAE软件对数据资料进行分析处理,建立成人退变性腰椎侧弯(degenerative lumbar scoliosis,DLS)的三维有限元模型,按照建模要求进行优化处理,有效性验证。进一步模拟后路三维矫形手术操作,以探讨有限元法对于DLS的临床治疗的理论支持与指导意义。  方法:选择一位DLS患者为志愿者,行仰卧位全腰椎螺旋CT连续扫描,将获得的Dicom格式资料录入Mimics软件中,提取骨组织信息重建DLS有限元模型,对初步建立的几何模型进行光顺,填充等优化操作,进一步导入Ansys有限元分析软件中划分网格,添加椎间盘,韧带等结构。参照文献资料赋材料属性,以建立一个相对完整的DLS有限元模型。将模型进一步模拟左右侧屈,测量Cobb角,与实际患者X线片数据进行对比,统计学分析。同时提取几个腰椎椎体单元进行力矩加载,模拟前屈后伸,左右侧屈,轴向旋转等操作,测量椎体活动度,与前人已完成的实验结果相对照,进行统计学分析,以此验证模型的有效性。利用已经建立好的,具有有效性的DLS有限元模型进行后路三维矫形手术模拟,初步探讨DLS后路矫形手术的效果以及生物力学特征。  结果:成功建立了包含椎间盘,韧带等结构的退变性腰椎侧弯的三维有限元模型。除了韧带采用Truss单元,其他结构均为四面体实体单元。其中共包含2264815个四面体实体单元和156个Truss单元,共计2264971个单元,448284个节点。与患者腰椎X线片相对比,模型外形高度一致,几何相似性高,通过左右侧屈试验以及力矩加载实验,与参考文献结果以及患者真实资料相比并无统计学差异。最后顺利进行了后路三维矫形手术模拟,矫形模拟结束后,腰椎的畸形得到改善,矫形率为51.9%,手术效果良好。  结论:基于临床患者CT资料所建立的DLS三维有限元模型,并对其进行了优化操作,有效性验证,成功地模拟了后路三维矫形手术模拟并获得了良好的矫形效果。获取了对于这一类脊柱病变的有限元分析方法的经验与规律,创造了一个个体化的、数字化的生物力学研究平台,为今后预测DLS矫形手术疗效,术前规划,术后分析等临床工作提供了宝贵的经验与理论指导。
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