青少年特发性脊柱侧凸有限元模型的建立及其意义

本研究的目的是建立青少年特发性脊柱侧凸（AIS）患者脊柱的三维有限元模型，用于进一步研究AIS的支具治疗、手术治疗、病因和病理等领域的生物力学。为此，我们采用螺旋CT扫描AIS患者的T1上缘至骶尾骨末端，获得图像的DICOM格式文件，用Dieomworks软件将其转化为BMP格式的图像，经GETL＇T软件处理，获得点云的T）（T格式文件后，转入IMAGEWARE软件，将各层的点云连线后，输出保存为IGS文件格式，再转入通用有限元分析ANSYS8．0软件，利用软件的前处理工具进行蒙面，建立三维立体几何模型，继而赋予材料物理属性，进行网格划分，建成了三维有限元分析模型。结果显示所建模型外观逼真，与该AIS患者的脊柱几何形态相似性好。我们认为通过CT扫描获得准确的AIS患者脊柱的几何构型数据，并在此基础上可以建立高仿真个体化侧凸脊柱的有限元模型。     

青少年特发性脊柱侧凸有限元模型建立与验证的研究现状及进展

背景：青少年特发性脊柱侧凸在中国发病率高,且病情复杂,对青少年的身心健康具有显著危害。基于患者医学影像建立有限元模型可有效分析脊柱应力,模拟不同治疗方法的恢复效果,为患者治疗方式的选择提供科学依据。但目前有限元模型的建立方式种类繁多,尚未形成统一标准,模型质量参差不齐,验证方法也有待完善。目的：从软件选择、关键结构建模(椎体、椎间盘、韧带和躯干模型)及材料赋值等方面综述近年来青少年特发性脊柱侧凸模型建立的研究现状,从几何形态、已有文献对比、实验验证等角度概述模型验证的研究进展,总结分析有限元模型的不足与发展方向。方法：第一作者于2021年12月应用计算机在Web of Science和中国知网数据库检索2010年1月至今发表的相关文献,以“Adolescent idiopathic scoliosis,Finite Element,Biomechanical”为英文检索词,以“青少年特发性脊柱侧凸、有限元、生物力学”为中文检索词,追溯高引用权威参考文献,最终纳入83篇文献进行综述分析。结果与结论：(1)有限元法能够重建脊柱的三维模型,通过生物力学分析模拟脊柱的生理状态,为青少年特发性脊...     

脊柱侧凸有限元模型的建立和参数优化

脊柱侧凸种类繁多,为了建立特定患者脊柱的三维有限元模型,并进行生物力学相关的侧凸治疗、病因和病理等研究,参数优化是一个重要的步骤.本文采用螺旋CT扫描收集脊柱侧凸患者的几何学数据,通过系列的图像处理软件和有限元分析软件,建成脊柱侧凸的三维有限元分析模型.该模型初始的材料属性和皮质骨厚度来自文献.其后赋予模型不同材料属性和皮质骨厚度,模拟左、右侧曲试验.首先将计算的结果与临床试验对照,应用SPSS软件进行正交设计数据处理,实现模型材料性质和皮质骨厚度的参数优化.然后再利用优化后模型模拟侧屈和牵引实验,计算结果和临床实验进行对照.结果显示材料性质和皮质骨厚度优化后的模型,其生物力学行为和临床一致.因此,在初步建立的脊柱侧凸的有限元模型的基础上,进行参数优化后的模型有助于深入了解个体的侧凸脊柱的生物力学特征.     

Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸与正常脊柱有限元模型建立与分析

目的:建立青少年正常与Lenke 1型侧凸脊柱三维模型,利用有限元方法分析脊柱受力情况,观察并分析侧凸脊柱生物力学分布规律,用于评估脊柱侧凸的潜在发生机制.方法:收集内蒙古地区青少年正常胸腰CT资料,选择13岁正常青少年和15岁脊柱侧凸(胸主弯,Lenke 1型)青少年各一例,利用Mimics及Ansys软件分别对脊柱...     

青少年特发性侧凸脊柱的动态特性

目的基于人体脊柱侧凸CT图像建立胸椎至骶椎T1～S三维有限元模型,并研究模型的动力学特性。方法采用轴向压缩和剪切加载方式验证所建立的侧凸脊柱模型,验证结果与前人实验数据非常吻合。利用有限元软件ABAQUS对侧凸脊柱进行模态和稳态分析,并提取稳态分析在5、10Hz振动频率下模型的动态响应。结果模态分析提取前4阶模态,前2阶模态的固有频率分别为1.097、1.384Hz,振型分别为屈伸和侧弯。第3、4阶模态固有频率分别为5.688、28.090Hz,振型分别为垂直振动和绕竖直轴扭转。稳态分析中在模态固有频率附近出现振幅峰值,而且脊柱侧凸段椎体的平均振幅要明显大于其他节段椎体的平均振幅。在5、10Hz振动频率下,应力主要集中在脊柱侧凸节段的凹侧和凸侧以及侧凸节段的椎间盘上,且分布不均匀。结论脊柱侧凸患者的侧凸节段是脊柱的薄弱环节,在振动环境中更容易受到损伤,应尽量避免处于振动的环境中,特别是对自身较为敏感的频率范围。研究结果为侧凸患者的康复治疗、防护、临床病理研究提供方法性辅助和力学分析依据。     

PUMCⅡd1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型的建立

背景：建立高质量的有限元模型是进行生物力学分析研究的重要基础,完整的青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型报道甚少。 目的：建立PUMCⅡd1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型,为特发性脊柱侧凸的生物力学分析提供有效的数字化平台。 方法：采集1 例14岁PUMCⅡd1型特发性脊柱侧凸女性志愿者从T1至骶尾骨的CT 断层图像,将CT数据导入Mimics 16.0医学三维重建软件中,建立包括胸廓结构的完整脊柱侧凸三维几何模型。再将几何模型以点云格式导入Geomagic Studio 11.0软件中,对三维模型进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理,生成特发性脊柱侧凸三维有限元模型。最后导入ANSYS 14.0有限元分析软件中添加韧带、设置单元类型和定义材料属性,生成完整的特发性脊柱侧凸三维有限元模型。 结果与结论：成功建立了完整的PUMCⅡd1型特发性脊柱侧凸三维有限元模型,包括四面体单元522 887个和杆单元730个,共计523 617个单元,159 008个节点。试验建立了外形逼真的PUMCⅡd1型特发性脊柱侧凸三维有限元模型,为进一步的生物力学分析提供了可靠的数字化模型。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

不同体位下青少年特发性脊柱侧凸患者椎旁肌的超声影像测量与分析

目的　超声评估青少年特发性脊柱侧凸（AIS）患者脊柱两侧椎旁肌的对称性和形态学特征,为AIS运动治疗提供线索和依据。 方法　收集23例AIS患者（患者组）与23例无脊柱侧凸的青少年（对照组）,应用超声对两组受试者在休息位（腰背部肌肉取俯卧位、腹部肌肉取仰卧位）、站立位下测量椎旁肌（T12~L5水平竖脊肌、T12~S1水平多裂肌、腰方肌和腹横肌）厚度,计算肌肉厚度变化率。 结果　休息和站立位时,AIS患者主弯曲线T12~L4水平竖脊肌、T12~S1水平多裂肌、腰方肌和腹横肌（仅休息位）凸侧厚度均小于凹侧（P<0.05）;休息和站立位时,AIS患者凸侧竖脊肌、多裂肌、腰方肌和腹横肌（仅休息位）厚度均小于对照组（P<0.05）;AIS患者凹凸两侧的竖脊肌收缩厚度变化率均小于对照组（P<0.05）。 结论　休息和站立位时,AIS患者主弯曲线多个椎体节段椎旁肌对称性不良,较对照组凸侧椎旁肌厚度薄。     

支具治疗青少年特发性脊柱侧凸的临床随访

目的 评价支具治疗青少年特发性脊柱侧凸的临床疗效，分析影响疗效的相关因素，并探讨支具治疗的适应证。方法 对79例接受支具治疗的青少年特发性脊柱侧凸患者进行随访，记录患者的Cobb角，侧凸类型，女性患者初潮与否，坐高，站高，Risser征，顶锥旋转度等。结果 随访12～60个月，平均23．9个月。末次随访时21例（26．6％）畸形明显进展，40例（50．6％）畸形维持或稍进展，18例（22．8％）畸形改善。初诊时原发弯Cobb角〉45。组侧凸进展率较Cobb角≤35。组高，侧凸改善率较Cobb角≤35。组低（P〈0．05）；顶锥旋转度Ⅲ。以上组侧凸进展率较0～Ⅱ°组高，侧凸改善率较0～Ⅱ°组低（P〈0．05）．侧凸类型、Risser征等参数不同的患者畸形进展和改善的比率均存在不同程度的差别，但差异不具有显著性（P〉0．05）。结论 矫形支具能够有效控制或改善轻、中度特发性脊柱侧凸畸形。单独借助Risser征预测侧凸畸形变化趋势并不可靠。初始Cobb角〉45°，顶锥旋转度在Ⅲ°以上的患者，如果支具治疗的效果不佳，应考虑尽早于术矫形。图4表1参10。     

青少年特发性脊柱侧凸研究热点及趋势的可视化分析

背景：青少年特发性脊柱侧凸是最常见的脊柱侧凸畸形,占所有脊柱侧凸的80%左右,其发病机制不明,近年来发病率呈明显上升趋势,严重威胁着青少年的身心健康。目的：通过文献计量学方法对近20年来青少年特发性脊柱侧凸的相关文献进行可视化分析,探索该领域的研究热点与趋势,以期为进一步研究提供参考。方法：计算机检索Web of Science核心合集数据库2002-01-01/2021-12-31收录的相关文献,采用CiteSpace 5.8.R3软件绘制科学知识图谱,对合作网络、共被引网络、关键词共现、突现、聚类及时间线图谱进行可视化分析。结果与结论：共纳入文献5 245篇,近20年该领域年发文量总体呈波动上升趋势。对合作网络分析可知,发文量最多的作者是邱勇、机构是南京大学、国家是美国,而中介中心性最高的作者是Lowe TG、机构是费城儿童医院、国家是瑞士。共被引网络分析可知,被引频次最高的作者是Lenke LG、文献是Weinstein SL(2013,《N Engl J Med》)、期刊是《Spine》,而中介中心性最高的被引作者是Suk SI、被引文献是Danielsson AJ(2001,...     

青少年特发性脊柱侧凸患者颈椎矢状位曲度变化及影响因素分析

目的　总结48例青少年特发性脊柱侧凸（AIS）患者的影像学资料,分析AIS侧凸患者颈椎矢状位曲度变化特点及其影响因素。 方法 AIS患者拍摄站立位脊柱全长正侧位X片以及左右侧屈位片（Bending相）。测量并记录中立位及左右Bending相冠状位Cobb角、颈椎矢状位曲度（C2~7 Cobb角）、胸椎后凸角（T5~12 Cobb角, TK）、腰椎前凸角（L1~5 Cobb角, LL）、骨盆入射角(Pelvic Incidence,PI)、骶骨倾斜角(Sacrum Slop,SS)、骨盆倾斜角(Pelvic Tilt,PT)、C7~S1 及C2~7 SVA (Sagittal Vertical Axis)。26例健康青少年志愿者拍摄脊柱全长正侧位片,记录C2~7 Cobb角。应用两变量相关性分析及t检验作为主要统计方法。 结果 AIS患者颈椎矢状位曲度异常发生率75.0%,后凸发生率47.9%,失平衡发生率10.4%,失平衡者均合并颈椎后凸。AIS患者PI-LL<10°者占所有AIS患者的62.5%。AIS患者与健康青少年相比,C2~7 Cobb角显著性增大（P=0.008）。AIS患者中颈椎后凸组,T5-12 Cobb角显著降低（P =0.011）。胸椎后凸角度<30°组C2~7 Cobb角显著增大（P=0.021）。C2~7 Cobb角与T5~12 Cobb角成负相关(P =0.009）,与L1~5 Cobb角成正相关（P=0.005）。C2~7 Cobb角与冠状位Cobb角度、PI、SS、PT、C7~S1 SVA及Lenke分型未见相关性（P＞0.05）。 结论 AIS患者颈椎矢状位曲度异常者比例高于正常青少年,且多为后凸型。颈椎矢状位曲度与胸椎后凸角度、腰椎前凸角度相关,而与胸腰椎冠状位角度及骨盆指数无关。     

脊柱侧凸治疗进展中的有限元分析

背景：脊柱侧凸是一种包括椎体水平面旋转的复杂病理特点的三维脊柱畸形。有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行重复实验分析以及数字化仿真模拟,在脊柱侧凸的生物力学研究中的运用日益深入。目的：旨在强调运用有限元分析法对脊柱侧凸的支具和手术治疗方面进行简要的阐述。方法：以“脊柱侧凸;有限元”为检索词,检索PubMed数据库以及万方数据库1986年1月至2013年5月文献。选择文章主要内容与脊柱侧凸治疗的有限元分析直接相关的、代表性好、相关领域权威杂志的文章共38篇进行讨论。结果与结论：如何设计出更加符合脊柱侧凸生物力学特征的个体化支具已成为研究热点。利用多重影像学技术将肋骨、胸骨以及骨盆等引入有限元模型中,分析研究脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式。研究发现施加载荷最佳的方式是在脊柱侧凸的凸侧区域。有限元分析法可预测和评估患者的矫形过程及效果,进而制定出合理的矫形治疗方案。有限元分析法模拟分析内固定器械与脊柱之间的应力分布情况,更有效的预防治疗后并发症的发生。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

2~5掌指关节屈伸活动中关节面应力分布的有限元分析

目的　建立掌指关节三维有限元模型,分析掌指关节屈伸活动中掌指关节面应力分布情况。 方法　健康男性志愿者1名,对其右手掌指关节分别于0°、30°、60°、90°屈曲位进行CT扫描,利用扫描数据建立掌指关节三维有限元模型;于4个角度沿指骨径向分别施以10、20、30、40、50 N荷载,观察掌指关节应力分布,并对结果进行分析。 结果　4组不同弯曲角度的掌指关节网格模型节点数量、单元数量基本相同,每组模型约40070个节点,178903个四面体单元。相同载荷作用下,弯曲的角度越大,各掌指关节面的应力越大。在实现0°、30°、60°、90°屈曲过程中,2~5掌指关节掌骨头应力峰值变化范围分别为0.20~2.46、0.22~1.58、0.22~1.69、0.22~2.25 Mpa。 结论　掌指关节屈伸过程中,弯曲的角度越大,掌指关节面的接触应力越大,其应力分布范围亦增大。     

正常青少年及青少年特发性脊柱侧凸患者枕颈部矢状面形态相关研究

目的比较正常青少年与青少年特发性脊柱侧凸（AIS）患者枕颈矢状面形态,探讨其枕颈矢状面形态与颈椎矢状面形态相关性。方法收集2012年3月—2014年3月在南京鼓楼医院脊柱外科入院治疗并符合入选标准的AIS患者80例（男14例,女66例）作为AIS组;正常青少年志愿者100名（男17名,女83名）作为对照组。在枕颈部侧位X线片上测量并记录枕骨入射角（OI）、枕骨斜率（OS）、枕骨倾斜角（OX）、上颈椎前凸角（C0-C2）、下颈椎前凸角（C2-C7）和颈椎前凸角（C0-C7）,比较对照组与AIS组枕颈参数差异及其与年龄、性别的关系,并分析枕颈参数与颈椎矢状面形态相关性。结果对照组OI、OS和OT分别为36．12°±2．55°（30°～44°）、26．34°±8．41°（15°-46°）和-10．06°±7．51°（-22°～11°）,AIS组OI、OS和OT分别为35．62°±3．01°（31°～42°）、24．27°±8．49°（7°-42°）和-11．52°±9．23°（-28°-10°）,两组枕颈部形态参数差异均无统计学意义（t分别为0．878、1．014、1．306,P值均〉0．05）,且不受年龄（≤14岁,〉14～18岁）、性别影响（P值均〉0．05）。对照组OI与C0-C2角和C0-C7角显著相关（r=0．307和r=0．298,P值均〈0．05）,OS和OT分别与C2-C7角和C0-C7角显著相关（r=0．402和r=0．560、r=0．428和r=0．550,P值均〈0．05）;而AIS组仅OI和OS与C0-C2角存在显著相关性（r=0．532和r=0．620,P值均〈0．05）。结论正常青少年和AIS患者的枕颈参数无显著差异,且不受年龄与性别影响。正常青少年OI、OS和OT与颈椎矢状面形态显著相关,而AIS患者枕颈部矢状面形态仅与其上颈椎矢状面形态密切相关。     

有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸治疗及病因研究中的应用

青少年特发性脊柱侧凸发病率较高且病情复杂,对青少年身心健康可造成显著影响,但其因病因不明,临床尚未形成治疗共识。近年来基于患者医学影像进行仿真建模的有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸治疗及其病因研究中已经有了一系列的应用。本文即从非手术治疗、手术治疗、病因研究、现有局限等角度对有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸中的应用进行综述,以期为临床实践及相关研究提供参考。     

钢板骨折区增加螺钉帽对胫骨骨折内固定影响的有限元分析

目的　探讨固定胫骨骨折时骨折区钢板置入螺钉帽对固定结构生物力学性能的影响。 方法　通过CT扫描数据和三维图像重建,模拟临床手术固定建立胫骨中段粉碎性骨折锁定钢板固定有限元模型,13孔钢板布钉位置为1、2、4、5、9、10、12、13孔,骨折区钉孔为6,7,8,并设计两种钢板固定方式：A（骨折区置入螺钉帽）和B（骨折区不置螺钉帽）,对模型A和模型B分别进行600N压缩试验和1000N三点弯曲试验,计算分析模型各部位的力学指标并进行比较分析。 结果　压缩试验中,模型A钢板最大应力出现在钢板下端,模型B钢板最大应力出现在骨折区,模型A钢板最大应力明显小于模型B;三点弯曲试验中,两种模型钢板最大应力均出现在骨折区,模型A钢板最大应力明显小于模型B。 结论　在钢板骨折区空螺钉孔处增加螺钉帽,可以明显降低钢板的最大应力,减少钢板骨折区的应力集中,从而减少在骨折端处钢板发生疲劳性断裂的风险。     

A validated finite element analysis of nerve root stress in degenerative lumbar scoliosis

Few studies have shown the relationship between the curve pattern and nerve root symptoms in degenerative lumbar scoliosis, and its mechanism remains unclear. We developed a finite element model of two patterns of scoliotic curves (isolated lateral bending curve, lateral bending combined with rotation curve). The stress on the nerve root was calculated on both sides (right and left) of the apex vertebra. In the lateral bending curves without rotation, the compressive nerve root stress on the concave side was greater than the tensile stress on the convex side at the apex vertebra. In contrast, when the segmental rotation of the vertebrae was added to the lateral bending curve, there was significantly higher tensile stress on the convex side, and lower compressive stress on the concave side. To conclude, rotatory listhesis may be an important pathomechanism in the development of neurologic symptoms on the convex side of the curve. H.-J. Kim and H.-J. Chun contributed equally to this work.     

手舟骨腰部骨折3种内固定方式的有限元分析

目的　通过建立手舟骨腰部骨折三维模型来比较3种不同内固定方式的生物力学差异,为临床内固定方式的选择提供依据。 方法　选取健康志愿者的腕关节CT数据,应用软件建立舟骨腰部骨折的3种内固定方式模型：克氏针固定组、Herbert螺钉固定组、钉脚固定器组。分别在中立握拳位和腕背伸桡偏位施加载荷,并分析舟骨变形量、内固定器械的应力。 结果　在3种内固定装置下舟骨的变形量,克氏针最大,钉脚固定器最小。在两种工况下,舟骨变形量和固定装置的最大应力值不等,但趋势相同,均为钉脚固定器的舟骨变形量最小、所受的最大应力最小。钉脚固定器存在偏心效应,当载荷达到临界值时,易使舟骨愈合面出现开裂或不对称偏心现象。 结论　克氏针固定效果最差,钉脚固定器的固定效果最佳,钉脚固定器术后应适当限制手部负重。