新型个体化三维矫形胸腰骶气囊支具的有限元研究

范建平，王传锋，魏显招，易红蕾，李志鲲，陈自强，白玉树，朱晓东，李 明

青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是一种常见的脊柱畸形，包括冠状面、矢状面及轴状面的三维畸形［1］。不仅影响患者的躯体外观和功能，还可引起心肺功能障碍，影响心理健康，给家庭及社会带来沉重的负担。近年来，随着脊柱三维矫形理论的提出及推广应用，脊柱侧凸的治疗取得了革命性的进展，各种新型的内固定器械及治疗理念的不断进展，使得手术成功率不断提高。但是手术牺牲了脊柱的运动节段，而且高额的医疗费用给家庭及社会带来了沉重的负担。因此对于脊柱侧凸及早发现和治疗，进行有效的非手术治疗，防止侧凸加重，避免手术，具有重要的意义。支具治疗是是目前证实唯一有效的非手术治疗方式［2］。近年来利用计算机辅助设计(computer aided design，CAD)进行脊柱侧凸的研究有较大进展，有限元法(finite element models，FEM)研究的应用可以更好地帮助我们理解支具原理和优化支具参数。Van 等［3］研究报道，对于脊柱胸腰段交界处施加向前凸的外力，在对矫正矢状面畸形的同时，对于矫正冠状面的畸形有帮助，这项研究结果对于研究支具治疗AIS 有着重要意义，但是相关研究仍然较少。

上述研究报道提示，如果使得支具能够在胸腰段脊柱提供一个前凸的矫形力，将有助于实现脊柱的三维矫形。但是单纯依靠支具曲面的改变很难个体化地提供这种前凸矫形力，本研究是在支具的内衬面增加一个可充放式气囊衬垫来提供这一前凸的矫形力，根据气囊充放来调整矢状面的力的大小，并通过有限元建模来模拟这一过程，来探讨增加矢状面施力后支具的治疗效果。

1 资料和方法

1.1 一般资料

女，14 岁，身高155 cm，体重48 kg，侧凸类型为“S”型弯曲。拍摄脊柱全长正侧位X 线片(见图1)，并对脊柱进行磁共振检查，排除患者髓内病变，及其他相关病变，明确为特发性脊柱侧凸。采用螺旋CT(Siemens somatom sensation cardiac 64 排)对患者脊柱从C7至尾骨进行薄层连续螺旋扫描，层厚0.8 mm，得到连续Dicom 格式图片，分别建立的髓核和纤维环模型(见图2)。并建立脊柱侧凸骨性模型(见图3)。进行脊柱加载实验验证，施加相关载荷后得到位移云图(见图4)。将结果与Panjabi等［4］报道实验结果及Teo 等［5］建立的有限元模型计算结果进行对比分析(见图5)。本研究所建立模型与Panjabi 实验结果及Teo 建立的有限元模型基本一致，认为该模型是可靠的。

图1 患者脊柱全长X 线片Fig.1 Total spinal X-ray films of patient

图2 脊柱侧凸有限元模型(椎间盘)Fig.2 Finite element model of scoliosis(intervertebral disc)

图3 脊柱侧凸有限元模型Fig.3 Finite element model of scoliosis

1.2 新型气囊支具的有限元建模

设计新型气囊支具，纳入Boston 支具的主要特点，并考虑在胸腰段矢状面增加一个气囊衬垫(见图6)。在脊柱胸弯肋骨凸峰处至骨盆根据脊柱的曲面结构，沿其表面模拟曲线，在参数化曲线的基础上模拟生成一个曲面结构。衬垫结构的模拟可以通过所在部位的子曲面向内拉伸2 mm 来进行。本模型可认定为双弯模型，分别在T8对应肋骨体表缘及L2顶锥部位进行气囊衬垫的模拟。并在胸腰段矢状面模拟气囊衬垫，支具与躯干之间的接触用面面接触非线性单元来模拟，建立的支具模型(见图7)，衬垫的相关材料属性(见表1)。

图4 位移云图Fig.4 Nephogram of drift

图5 力矩作用下T10，11的转动角度Fig.5 The rotation angle of T10，11 under the action of torque

图6 气囊支具示意图Fig.6 Diagram of airbag orthosis

图7 支具有限元示意图Fig.7 Diagram of airbag orthosis’finite element

表1 支具及衬垫材料属性及单元类型Tab.1 Orthosis’and pad’s attributes and types

1.3 支具治疗的模拟

根据临床实际设定研究的约束条件:下端固定骨盆，包括冠状面、矢状面、轴状面3 个平面的自由度。上端固定T1椎体在轴状面的自由度，而维持其他的自由度。模拟的过程中，未将重力及肌肉力考虑在内。施加载荷的过程中，考虑到结构及材料的非线性特点，脊柱及支具模型的形变特点及接触面之间的滑移，将支具与模型之间的摩擦系数设定为0.1。施加载荷后记录的参数包括脊柱冠状面Cobb角，矢状面Cobb 角，顶锥轴向旋转度，脊柱矢状面生理参数。

支具模拟加载方案分3 个方案进行，参考相关文献［6-7］，设计如下方案。方案A:冠状面施加载荷，在脊柱冠状面施加不同的侧方横向力，施加载荷的大小Fx 分别为20 N，40 N，60 N。方案B:在矢状面施加一组不同大小的前后纵向力，施加外力的载荷Fy 分别为20 N，40 N，60 N。方案C:在冠状面及矢状面结合施加载荷，进行3 种不同的组合方式，分别进行如下加载方案，Fx=20 N，Fy=40 N;Fx=30 N，Fy=30 N;Fx=40 N，Fy=20 N。

1.4 评估指标

冠状面:主弯和次弯的Cobb 角。矢状面:胸椎后凸角，即T5椎体上终板与T12椎体下终板之间的夹角;胸腰段后凸角，即T10椎体上终板至L2椎体下终板之间的夹角;腰椎前凸角，即L1上终板与S1上终板之间的夹角。轴状面:顶锥旋转角度。

2 结 果

模拟的3 种加载方案脊柱相关参数的记录分别见表2～4。3 组方案获取最佳胸弯矫正率分别为66%、37%、52%，腰弯矫正率分别为65%、34%、53%。方案A:冠状面施加载荷增加，脊柱冠状面Cobb 角逐渐减小。同时脊柱矢状面曲度及顶锥轴状面旋转度变化并不明显(见表2)。方案B:胸腰段矢状面施加载荷增加，脊柱冠状面Cobb 角变小，但是变化幅度不大。矢状面序列胸椎后凸变化不大，腰椎前凸增加，并且顶锥旋转度改善明显(见表3)。方案C:在固定冠状面及矢状面总体大小的情况下，随着冠状面分力的增加侧凸矫正率增加，随矢状面分力减小脊柱矢状面腰椎前凸角及顶锥旋转度有所减少(见表4)。

3 讨 论

AIS 及早发现并进行治疗对于防止畸形加重及相关并发症具有重要意义。脊柱侧凸研究学会(Scoliosis Research Society，SRS)对适合支具治疗的患者纳入标准进行了统一，符合如下条件:年龄≥10岁;Risser 征为0～2 级之间;初始治疗Cobb 角为25°～40°;女性患者在初潮前后1 年内［8］。SRS 推荐密切随访患者至骨骼成熟后至少2 年，观察脊柱侧凸进展情况。Hueter-Volkmann 定律认为当骨骺承受的压力增加时，骨的生长受到抑制;当骨骺所承受压力降低时，骨的生长速度就会加快［9］。

随着计算机辅助技术的发展，计算机三维有限元方法引入到脊柱侧凸支具的生物力学研究当中，提供了一种新型的研究方式。Andriacchi 等［10］通过建立5 例侧凸类型计算机模型，来模拟Milwaukee

支具的即刻矫形效果，通过回顾性分析进行模型的有效性验证。模拟支具模型用来预测支具实际的治疗效果，结果显示81%的患者，实际结果与预测值相一致。研究认为，利用基于生物力学原则的Milwaukee 支具对于脊柱侧凸治疗有效。

表2 方案A 模拟施加不同载荷脊柱相关参数的变化Tab.2 Change of spine’s parameter under different load by scheme A

表3 方案B 模拟施加不同载荷脊柱相关参数的变化Tab.3 Change of spine’s parameter under different load by scheme B

表4 方案C 模拟施加不同载荷脊柱相关参数的变化Tab.4 Change of spine’s parameter under different load by scheme C

基于支具对脊柱矢状面治疗的局限，创新性地提出了在胸腰段增加一个气囊支具，对矢状面进行施力。本研究通过建立特发性脊柱侧凸及支具的三维有限元模型，进行模拟不同矫形方案支具治疗脊柱侧凸的生物力学研究。支具模型基本包括了Boston 支具的特点，另外在胸腰段矢状面模拟了一个气囊衬垫。支具与躯干之间的接触通过面面接触单元进行模拟，能良好的将支具施加的载荷传递到脊柱上。在3 组施力方案中，单纯在冠状面进行施加载荷时，脊柱侧凸的矫形效果主要在冠状面，并且随着施力的增加，矫形效果更加明显，当施力为60 N 时，侧凸矫正率＞60%。此种方案中，矢状面及轴状面矫形效果不明显，并且矢状面的生理曲度有所减小，和临床治疗观察中发现的平背综合征情况类似。方案B 中，基于文献［3］报道在脊柱矢状面施加载荷在改善矢状面序列的同时，可以对冠状面的矫形有帮助。通过模拟的气囊衬垫单纯在脊柱矢状面施加载荷，可以发现对脊柱侧凸冠状面矫形有所帮助，当施力为60 N 时，冠状面侧凸矫正率可以＞30%。观察椎体的旋转度发现，随着矢状面施力的增加，椎体旋转度矫形效果明显，这与文献［11］报道的结果相一致。方案C 中通过组合冠状面和矢状面施加载荷，发现当冠状面分力增大时侧凸矫正明显，当矢状面分力增大时轴状面矫形明显并且可以改善矢状面序列，通过在矢状面增加气囊衬垫结合冠状面施力，使得支具治疗更好地做到了脊柱侧凸的三维矫形，避免了传统支具只注重冠状面矫形而忽略了矢状面的矫形效果，并且矢状面序列的改善可以防止平背综合征的发生。气囊支具在下一步临床应用中可以根据患者的耐受能力调节气囊压力来增加患者的顺应性，减少并发症，提高治疗效果。为脊柱侧凸的支具治疗提供了一种新的治疗理念，为下一步气囊支具的实物设计及运用打下了基础。本研究在支具施加载荷过程中采取了一定程度的简化，比如矫形过程中载荷和边界条件的设定，未将模型肌肉软组织及体表考虑在内，施加力直接在支具上施加设定的冠状面及矢状面的力，将支具自身的施力特点进行了简化。通过有限元方法获得的脊柱参数变化可以反映不同方案的治疗趋势，但是对于新型气囊支具的实际三维矫形效果，仍需临床进一步验证。

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