胸廓对侧凸脊柱动态响应稳定性的影响

本研究通过比较胸廓对正常脊柱和Lenke1型侧凸脊柱稳定性影响的差异,以期揭示胸廓对侧凸脊柱的保护作用。首先,根据X射线计算机断层扫描(CT)图像数据,建立了正常脊柱无胸廓(N1)、正常脊柱正常胸廓(N2)、侧凸脊柱无胸廓(S1)和侧凸脊柱变形胸廓(S2)共4个脊柱有限元模型(SFEMs),模型均是从第一胸椎至骶椎(T1～S)。然后,通过模态分析获得了4个SFEMs的固有振动特性。最后,通过稳态分析得到4个SFEMs在外界激励下的最大振动幅度。最终研究结果显示,与N1相比,N2的T4～T6节段在X轴(冠状轴)方向、Y轴(矢状轴)方向、Z轴(垂直轴)方向的最大形变分别减少了38.44%、53.80%、33.72%;与S1相比,S2的侧凸节段T4～T6在X、Y、Z轴方向的最大形变分别减少了44.26%、增加了32.80%、减少了49.23%。由此可见,对于正常脊柱来说,胸廓在3个方向都可以提升整个脊柱的稳定性;对于所研究的Lenke1型侧凸脊柱,胸廓减弱了侧凸脊柱在X轴和Z轴方向上的振动,并提高了这两个方向的稳定性,而在Y轴方向上,由于侧凸前倾严重,变形的胸廓加剧侧凸脊柱此方向的振动并破坏此脊柱Y轴方向稳定性。本研究揭示了胸廓对侧凸脊柱稳定性影响的生物力学特性,对侧凸脊柱患者的日常保护方式和防护工具的研究具有指导性意义。     

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。