Lenke 1型青少年特發性脊柱側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 長治市人民醫院康復科，長治 046000；內蒙古醫科大學，2 基礎醫學院解剖學教研室，3 研究生學院，呼和浩特 010110；4 吉林化工學院航空工程院，吉林 132022）

青少年特發性脊柱側凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）[1]，或稱遲發性脊柱側凸，是一種導致冠狀面、矢狀面和水平面畸形的脊柱疾患，在冠狀平面由脊柱發生異常彎曲、偏移而旋轉，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致的脊柱異常生長。有限元建模與實驗技術相結合已經在脊柱研究中使用了近半個世紀[4]，在脊柱側凸的生物力學研究領域已經成為一種主流。脊柱側凸的研究，不僅要評估幾何畸形，更要分析脊柱內生物力學分布特點；尸體標本實驗在測量精度，結構載荷及運動之間的比較有一些局限性[5]，而有限元分析（finite element analysis，FEA）具有可重復性，應力應變數據準確性較高等特點，且無創，因此本研究建立一個Lenke 1型特發性脊柱側凸三維有限元模型，分析脊柱及椎間盤力學分布，并與正常青少年脊柱進行比較，為分析該類型脊柱側凸生物力學特征，進一步揭示其側凸形成原因提供詳實的參考數據。

1 材料和方法

1.1 研究對象

資料選自內蒙古醫科大學第二附屬醫院影像科，志愿者基本信息：13歲正常青少年和15歲脊柱側凸（胸主彎，Lenke 1型）青少年各1例。15歲脊柱側凸病例，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，本研究經內蒙古醫科大學醫學倫理委員會審核通過（YKD2014032）。

1.2 設備及軟件

CT 掃描設備及掃描方法：采用64層螺旋CT機螺旋CT 掃描儀（美國GE公司）對脊柱進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的交互式醫療圖像控制系統，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

將連續掃描的胸腰椎斷層影像原始數據以“無損壓縮”DICOM 格式導入計算機，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、纖維環和上下2個終板組成。纖維環由兩層纖維層壓板組成，每層由3層組成，內層、中層和外層。纖維環由膠原纖維組成，具有非線性張力-長度關系，髓核與纖維環體積比分別為44%、56%。本研究椎體節段多，為了減小有限元計算資源，僅重建髓核和纖維環基質。

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

1.4 材料特性定義

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

使用經驗公式以10種材料屬性對骨性部分進行賦值[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 中有限元網格（FEA Mesh）標簽下（Materials）命令可設置。

1.5 有限元前處理

1.5.1 創建面網格 將表面光滑的模型填充三角形，進行面網格體網格處理。

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。結合DICOM圖像和體網格的信息，可以在Mimics中進行精確的材料分配。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中分散的數據。

1.6 有限元分析

將.cdb格式文件導入ANSYS 19.2中，顯示模型。

定義接觸，設置邊界條件和施加載荷。① 設置上、下關節突接觸為有摩擦，摩擦因數為0.1[10]，設置與椎間盤，纖維環與髓核，椎體與韌帶的接觸均為綁定（Bonded）。② 設置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]。

應力與應變取值：①正常青少年脊柱椎體，纖維環與髓核按照椎體“三柱理論”，分別在纖維環和髓核前2/3 和后1/3位置均勻取30個點，記錄各點應力應變值，用±s差表示，觀察變化規律；②AIS 脊柱，按照凸側與凹側劃分，分別在椎體、纖維環和髓核凸側與凹側均勻取30個點，記錄各點應力應變值，用±s表示，觀察變化規律。

2 結果

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

圖1 正常青少年脊柱胸段總位移，應力、應變云圖

圖2 AIS 脊柱總位移，應力、應變云圖

圖3 正常青少年纖維環，髓核應力（A）應變（B）均值變化圖

圖4 正常與AIS 纖維環、髓核應力（A，C）應變（B，D）均值變化圖

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

圖5 AIS 椎體應力顯示

圖6 AIS 椎弓根應力均值變化圖

圖7 正常青少年纖維環、髓核應力云圖

圖8 AIS 纖維環、髓核應力云圖

圖9 正常青少年纖維環、髓核應變云圖

3 討論

AIS患者的椎弓根寬在凹側明顯變細變窄，在頂椎位置更嚴重。本研究有限元分析得出AIS患者在彎曲位置的凹側應力集中，正常模型并未看出明顯不對稱的應力分布，還不能確定應力不對稱分布與脊柱側凸的發生和發展的因果關系，但發生脊柱側凸之后一定導致應力不對稱分布，因此應力不對稱分布會影響脊柱彎曲的進展。根據Wolff 定律，壓力的分布會影響骨骼的生長方式，以適應外界復雜的情況，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關系，Hueter-Volkmann 原理[13]指出椎骨在應力集中的位置，骨的生長會受到抑制，導致骨的不發育；應力消失，骨的生長會恢復。Goto 等[14]指出脊柱側凸會隨著骨的負荷發生變化而發展。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生脊柱側凸的獨立原因，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模型，以研究胸部不對稱生長是如何引發脊柱側凸畸形中的脊柱側凸和軸向旋轉，研究得出骨性結構的不對稱可以引起輕度的脊柱側凸和軸向旋轉。Stokes等[17]又通過有限元模型得出脊柱側凸畸形不能用施加在脊柱上的不平衡力來解釋，其病因與發病機制來自很多方面，例如胸廓的不對稱生長或椎骨的不對稱發育。所以椎骨和椎間盤上的不對稱載荷是導致AIS 進展的原因之一。本研究正常青少年胸椎與AIS患者胸椎椎骨應力分布比較，正常青少年胸椎應力分布對稱，AIS患者胸椎椎骨應力分布會隨著脊柱彎曲規律分布，應力集中在彎曲的凹側，同時也顯示在AIS患者椎骨凹側的椎弓根發育不良，椎弓根較對側（凸側）窄且細，可以得出在椎骨應力的分布影響骨的發育，并且髓核和纖維環的應力分布同樣會隨著脊柱彎曲方向發生變化。AIS患者椎骨、椎間盤應力與應變分布以上端椎、下端椎為界限，上端椎與下端椎之間是脊柱的彎曲部分，具有凹側椎弓根較窄，應力和應變較大的特點；上端椎和下端椎附近，所有應力與應變逐漸由凹側向凸側轉移，慢慢恢復至前后位置。

縱觀整個脊柱，從上端椎以上至下端椎以下，應力和應變的分布特點是圍繞著脊柱水平面移動，同時說明了AIS患者椎骨在發展過程中存在椎體旋轉。Patel 等[18]提出椎體旋轉影響周圍軟組織解剖結構，應該對相應椎骨進行評估。很大程度上脊椎旋轉是導致脊柱側凸的未知致病機制的一部分。旋轉軸的確切位置以及旋轉方式仍然不清楚[19-20]，且很多研究者都關注了椎體旋轉在AIS 中的重要影響[21-22]。椎骨在水平面的椎體旋轉是導致畸形不可或缺的一部分，既導致冠狀面畸形，也導致脊柱畸形進展期間的呼吸功能障礙，若對于椎體旋轉矯正不充分，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凸病例進行研究。另外，本模型缺乏胸廓等結構，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。還有很多結構未加入完整的脊柱側凸模型，它們之間的連接復雜，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凸的有限元建模和有限元研究，繼續優化模型是今后努力的方向。