吳曉薇，李鑒軼,2，杜冰冉，楊巧華，范天成，李路韜

1.南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)第七附屬醫(yī)院，廣東 佛山 528244

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是發(fā)生于青春期最常見(jiàn)的脊柱畸形，2013年9月至2014年7月期間，中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱側(cè)彎中心篩查了99695名廣東省初、高中學(xué)生，發(fā)現(xiàn)AIS的發(fā)病率為5.14%[1]。AIS會(huì)導(dǎo)致患者的脊柱扭曲、畸形，胸廓變形，不僅影響患者的體型外貌，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)限制心肺功能，給患者帶來(lái)身心雙重痛苦。關(guān)于青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸發(fā)生的原因有許多學(xué)說(shuō)，包括遺傳、激素水平、生物力學(xué)因素、肌骨系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)等因素[2～10]，但確切的發(fā)病機(jī)制尚不清楚。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，有限元分析技術(shù)作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域仿真人體結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)手段，被廣泛應(yīng)用于AIS的病因研究中。但目前AIS的三維有限元分析主要針對(duì)重度患者，尚未有針對(duì)輕度AIS患者的三維有限元分析。本研究利用有限元分析技術(shù)構(gòu)建輕度AIS患者的有限元模型并驗(yàn)證模型的有效性，以期將輕度AIS患者的有限元模型用于該疾病的相關(guān)研究中。

1 材料和方法

1.1 臨床材料

1.1.1 研究對(duì)象 選取中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱側(cè)彎中心女性志愿者1名，12歲，診斷為AIS，三彎畸形，頂椎分別為第3胸椎、第11胸椎、第4腰椎，Cobb角分別為20°、15°、18°。該志愿者既往無(wú)脊柱外傷史及手術(shù)史，未合并其他脊柱損傷。收集該志愿者螺旋CT斷層圖片489張，掃描層厚1.3 mm，掃描范圍從寰椎至骶髂關(guān)節(jié)平面，包含完整的椎骨、橫突、棘突等結(jié)構(gòu)，獲得的原始CT影像數(shù)據(jù)以DICOM格式保存輸出。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)軟件 醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Mimics 21.0（Materialise公司，比利時(shí)），逆向工程軟件Geomagic Wrap 2017（Raindrop Geomagic公司，美國(guó)），計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design，CAD）軟件Solidworks 2018（達(dá)索系統(tǒng)，法國(guó)），有限元力學(xué)分析計(jì)算機(jī)軟件Ansys 17.0（ANSYS公司，美國(guó)）。

1.2 研究方法

1.2.1 構(gòu)建有限元模型（1）首先建立三維模型。將收集到的DICOM格式原始CT影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件，新建蒙版（Mask）調(diào)節(jié)灰度值（單位：HU），以獲得最接近實(shí)際需求的骨骼狀態(tài)，通過(guò)蒙版編輯（Edit Mask）對(duì)所需提取的骨與其他骨進(jìn)行分割，利用三維計(jì)算功能（Calculate）對(duì)需要提取模型的蒙版進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)出脊柱的三維模型（圖1）。利用三維工具（3D tools）的光滑功能（smooth）對(duì)三維模型進(jìn)行處理，選擇對(duì)應(yīng)的三維模型后再以STL格式將其導(dǎo)出。（2）網(wǎng)格劃分、優(yōu)化平滑。將所得的STL文件導(dǎo)入Geomagic軟件中，默認(rèn)單位為mm，網(wǎng)格大小確定為0.4。對(duì)骨骼進(jìn)行整體的“刪除釘狀物”、“去除特征”、“砂紙”、“減少噪音”、“快速光滑”、“松弛”等操作，使網(wǎng)格更加平滑（圖2）。之后通過(guò)“網(wǎng)格醫(yī)生”對(duì)骨骼整體進(jìn)行檢查，當(dāng)網(wǎng)格醫(yī)生“確診”無(wú)誤后，便可以使用“精確曲面”功能進(jìn)行曲面的操作，主要包括輪廓線的編輯和曲面片的基本編輯。生成曲面片之后，進(jìn)行“構(gòu)造格柵”操作，當(dāng)格柵的構(gòu)造不存在問(wèn)題以后，就可以直接進(jìn)行擬合曲面了。將上述完成的模型分別以WRAP格式及STP格式文件導(dǎo)出進(jìn)行保存。（3）裝配、組合、繪制、調(diào)整。在Solidworks軟件中創(chuàng)建裝配體，把所有的骨骼零件導(dǎo)入裝配體中，使用“配合”功能來(lái)固定零件。當(dāng)裝配件不存在干涉后，到“零件”格式下對(duì)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進(jìn)行組合，繪制軟骨、椎間盤(pán)（含纖維環(huán)和髓核）、終板，其中髓核體積約占椎間盤(pán)的50%～60%。（4）材料賦值、添加韌帶。根據(jù)不同材料的彈性模量與泊松比，對(duì)皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤(pán)、關(guān)節(jié)軟骨等不同部位的實(shí)體進(jìn)行材料賦值，并使用Spring彈簧單元替代韌帶。該模型設(shè)置了前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、棘上韌帶和棘間韌帶，通過(guò)定義彈簧的剛度值來(lái)代表各韌帶的約束力大小[11]，見(jiàn)表1～2。

圖2 椎體三維有限元模型a：未經(jīng)平滑處理的椎體 b：經(jīng)Geomagic Wrap平滑處理后的椎體Fig.2 3D finite element model of vertebral bodya:the vertebra before smoothing;b:the vertebra after smoothing by Geomagic Wrap

表1 AIS患者三維有限元模型不同部位的材料屬性Tab.1 Material properties of different parts of the AIS3D finite

表2 不同韌帶的彈簧剛度（N/mm）Tab.2 Spring stiffness of different ligaments（N/mm）

1.2.2 有效性驗(yàn)證（1）幾何形態(tài)驗(yàn)證。將構(gòu)建好的AIS患者脊柱有限元模型與該患者原始的CT數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行重疊比對(duì)，從幾何形態(tài)上比較模型與實(shí)體CT圖像的符合情況。（2）力學(xué)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。結(jié)合該患者畸形頂椎所處的節(jié)段，從有限元模型中將T1～4、T9～12、L1～4分段提取出來(lái)，包括其間的椎間盤(pán)及韌帶，將下端椎體的下表面各向活動(dòng)進(jìn)行約束，然后在上端椎體的上表面施加不同方向的1.5 N·m純力矩，模擬屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別測(cè)量上述3個(gè)節(jié)段在施加載荷后各方向上的活動(dòng)度（range of motion，ROM），將活動(dòng)度情況與Busscher等[12]的研究結(jié)果進(jìn)行比較。同理進(jìn)行L1～5節(jié)段驗(yàn)證，從有限元模型中將L1～5節(jié)段提取出來(lái)，在L1椎體的上表面向下施加均勻分布的400 N載荷，約束L5椎體下表面各向活動(dòng)，施加不同方向的1.5 N·m純力矩，模擬側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量該節(jié)段各方向的ROM，將活動(dòng)度情況與Zander等[13]的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。同理，從有限元模型中將C7～L1節(jié)段提取出來(lái)，在C7椎體的上表面向下施加均勻分布的40 N載荷，約束L1椎體下表面各向活動(dòng)，施加2 N·m的純力矩模擬旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量該節(jié)段的ROM，將活動(dòng)度情況與Watkins等[14]的研究結(jié)果進(jìn)行比較。

1.2.3 應(yīng)力分布 約束有限元模型的骶髂關(guān)節(jié)下表面，在C6的上表面向下施加均勻分布的40 N載荷，并在該表面施加不同方向的1.5 N·m純力矩，模擬前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)，提取該模型各椎體的應(yīng)力分布結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 有限元模型

本實(shí)驗(yàn)成功建立了輕度AIS第6頸椎至第5腰椎的三維有限元模型，模型的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2561811個(gè)、總單元數(shù)為1547806個(gè)（圖3～4）。

圖3 AIS患者的三維有限元模型（正面觀）圖4 AIS患者的三維有限元模型（網(wǎng)格劃分）Fig.3 3D finite element model of the AIS(Anterior view)Fig.4 3D finite element model of the AIS(Grid division)

2.2 模型有效性

2.2.1 幾何形態(tài)的驗(yàn)證 將AIS患者脊柱有限元模型與其CT數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行重疊比對(duì)，可見(jiàn)二者具有良好的一致性（圖5）。

圖5 AIS患者脊柱三維有限元模型與CT圖像的比對(duì)情況Fig.5 Comparison between CTimages and 3D finite element model of the AIS

2.2.2 力學(xué)數(shù)據(jù)驗(yàn)證（1）T1～4、T9～12、L1～4分節(jié)段驗(yàn)證。該有限元模型各節(jié)段在加載1.5 N·m純力矩后，模擬屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)度與Busscher等[12]的研究結(jié)果對(duì)比，胸椎上段的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)和腰椎的側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)稍有差異（圖6）。（2）提取該有限元模型L1～5腰椎節(jié)段，加載1.5 N·m純力矩后，模擬側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)度與Zander等[13]的實(shí)驗(yàn)基本一致（圖7）。（3）提取該有限元模型C7～L1節(jié)段，加載2 N·m純力矩后，模擬旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)度與Watkins等[14]的研究結(jié)果基本一致（圖8）。

圖6 不同節(jié)段活動(dòng)度 本研究與Busscher等[12]對(duì)比Fig.6 Comparison of the range of motion in different segment（thisstudy versus Busscher）

圖7 L1～～L5節(jié)段活動(dòng)度 本研究與Zander等[13]對(duì)比Fig.7 Comparison of the range of motion in L1～L5 segment（this study versus Rohlmann）

圖8 C7～L1節(jié)段旋轉(zhuǎn)活動(dòng)度 本研究與Watkins等[14]對(duì)比Fig.8 Comparison of the range of motion of axial rotation in C7～L1 segment（this study versus Watkins）

2.3 應(yīng)力分布

2.3.1 全節(jié)段椎體應(yīng)力變化 模擬該有限元模型進(jìn)行屈伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，各椎體應(yīng)力與靜態(tài)時(shí)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 應(yīng)力分布對(duì)比Fig.9 Comparison of stress distribution

2.3.2 特征椎體應(yīng)力變化 提取畸形最顯著的第3胸椎處的應(yīng)力分布云圖（圖10、11），可見(jiàn)各向活動(dòng)時(shí)的應(yīng)力變化均較靜態(tài)時(shí)有較大差異，其中后伸、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)，第2～4胸椎的應(yīng)力變化趨勢(shì)與靜態(tài)時(shí)相反。

圖10 T3節(jié)段的應(yīng)力分布云圖（a：靜態(tài)b：后伸c：左旋d：右旋）Fig.10 Stress distribution in T3 segment（a:static state;b:backward extension;c:left rotation;d:right rotation）

3 討論

利用有限元分析技術(shù)進(jìn)行AIS相關(guān)研究的基礎(chǔ)是構(gòu)建一個(gè)有效的有限元模型。對(duì)脊柱有限元模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證的方法主要有4種[15]，包括將有限元模型進(jìn)行相同條件下的尸體標(biāo)本力學(xué)實(shí)驗(yàn)、對(duì)比力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與有限元模型相關(guān)文獻(xiàn)所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，模擬手術(shù)操作并與術(shù)后相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以不同體位下的脊柱正側(cè)位片相關(guān)數(shù)據(jù)做評(píng)估。由于AIS患者的畸形形態(tài)各不相同，無(wú)論是以往的尸體標(biāo)本或者目前的真實(shí)案例，都難以找到身體條件、疾病特點(diǎn)幾近類(lèi)似的樣本；加之輕度患者無(wú)手術(shù)指征，因此難以通過(guò)常規(guī)的方法去嚴(yán)格驗(yàn)證輕度AIS患者有限元模型的有效性。結(jié)合病例特點(diǎn)和研究目的，本研究通過(guò)將有限元模型與該患者原始CT圖像作比較及觀察模型在不同工況下不同節(jié)段的脊柱活動(dòng)度是否與既往文獻(xiàn)的報(bào)道相仿兩方面來(lái)進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證。

從幾何形態(tài)的對(duì)比圖可看出，本研究構(gòu)建的有限元模型與原始CT影像數(shù)據(jù)所得的骨骼形態(tài)具有良好的一致性，體現(xiàn)出了患者的三彎畸形且側(cè)凸角度均較小，直觀表明該模型有效。

本研究的對(duì)象是一名三彎畸形的AIS患者，因此采取分節(jié)段的方式進(jìn)行力學(xué)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。結(jié)合研究對(duì)象的頂椎位置和既往研究報(bào)道，首先提取T1～4、T9～12、L1～43個(gè)節(jié)段進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胸椎上段的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)和腰椎的側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)情況與既往Busscher實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在1°～2°的差異。由于脊柱的活動(dòng)度主要存在于頸椎和腰椎，為探究上述差異的原因，本實(shí)驗(yàn)提取該模型的L1～5、C7～L1節(jié)段，以上述節(jié)段的活動(dòng)度代表腰段和頸腰段的活動(dòng)度。

圖11 T3節(jié)段的應(yīng)力分布對(duì)比（后伸、旋轉(zhuǎn)與靜態(tài)）Fig.11 Comparison of stress distribution in T3 segment（backward extension and axial rotation versus static state）

既往對(duì)脊柱的研究多聚焦于特定節(jié)段，如頸椎、腰椎，而全脊柱的力學(xué)實(shí)驗(yàn)較少，因此本研究首先選取2009年Busscher等[12]利用尸體T1～L4節(jié)段進(jìn)行的生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。但是，Busscher等[12]采用的標(biāo)本為老年男性尸體（死亡時(shí)的平均年齡為72歲），而本研究的志愿者是一名12歲的少女，為消除年齡導(dǎo)致的脊柱活動(dòng)度差異，本研究將實(shí)驗(yàn)力矩進(jìn)行減半處理，其余實(shí)驗(yàn)條件與Busscher等[12]保持一致。從結(jié)果部分可以看出，本研究構(gòu)建模型的活動(dòng)度情況與Busscher等[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異不大，較明顯的差異存在于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上。因此，本實(shí)驗(yàn)又提取模型的L1～5、C7～L1節(jié)段進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)，并將活動(dòng)度情況與既往類(lèi)似研究繼續(xù)進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)與Busscher等[12]全脊柱分節(jié)段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，本研究構(gòu)建的有限元模型中T1～4節(jié)段的屈伸和側(cè)屈活動(dòng)、T9～12節(jié)段的各向活動(dòng)及L1～4節(jié)段的屈伸活動(dòng)情況與Busscher的結(jié)果一致；進(jìn)一步將該模型的L1～5節(jié)段的側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)活動(dòng)、C7～L1節(jié)段的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)情況與Zander等[13]、Watkins等[14]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上述活動(dòng)情況高度一致。

綜合分析以上3種運(yùn)動(dòng)的模擬結(jié)果，認(rèn)為本研究構(gòu)建的輕度AIS患者的有限元模型是有效的，可以將該模型用于輕度AIS的進(jìn)一步研究中。

從該有限元模型全節(jié)段椎體應(yīng)力及特征椎體應(yīng)力與靜態(tài)時(shí)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)畸形最顯著的第3胸椎（Cobb角20°），在模擬后伸、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)，第2～4胸椎的應(yīng)力變化趨勢(shì)與靜態(tài)時(shí)的應(yīng)力呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，提示該患者在進(jìn)行后伸及旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)，椎體的應(yīng)力變化可能有利于改變畸形。