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青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是脊柱在矢状面、冠状面及水平面的三维畸形，患病率达到1%～3%[1-2]。AIS 不仅影响青少年脊柱外形、心肺功能、神经系统功能，还对患者身心健康及家庭、社会造成严重影响[3]。随着三维矫形理论的不断发展，经后路椎弓根螺钉广泛应用于AIS 患者脊柱矫形。有限元分析可有效评估脊柱矫形后的稳定性，具有“个体化”“可重复”等优势。以往关于AIS 患者有限元分析，以比较不同的置钉方式、不同螺钉材料居多[4-5]，且以短节段研究多见。查阅国内外文献，对Lenke5型AIS 矫形后钛棒应力研究较少。因此本研究通过建立Lenke5型矫形后脊柱三维有限元模型，分析钛棒应力变化趋势。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2018年8月25日于内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科就诊患者的CT 影像学资料，经患者知情同意，医院医学伦理委员会审核批准。由于Lenk5型脊柱侧凸T3～L5 椎弓根螺钉固定患者非常少见，本研究为1例患者的术后CT 资料，患者为15岁男性，术前X线示：腰椎主侧弯，上端椎T12，顶椎L2，下端椎L3，Cobb 角38°；胸椎代偿弯，上端椎T5，顶椎T8，下端椎T11，Cobb 角36°；侧凸分型为Lenk5型。

1.2 测量设备与相关软件

1.2.1 MSCT 三维扫描

MSCT 机（GE 公司，LightSpeed VCT）及其自带测量软件（美国VCT-XT-64），扫描参数：层厚0.625 mm，层距0.625 mm，将获取DICOM 图像经ADW-4.3 工作站完成并存储。

1.2.2 计算机工作站

LenovoY410P 笔记本电脑：CPUIntel 酷睿i74700MQ 2.4 GHz；内存8 G；硬盘1T 5400 转；显卡NVIDIAGe-ForceGT755MIntelGMAHD4600；操作系统为Windows 8旗舰版64位。

1.2.3 有限元相关软件

1.2.3.1 Mimics Innovation Suite 16.01 软件（比利时Materialise 公司）主要用于正常及矫形后脊柱T3～L5节段三维重建。

1.2.3.2 Pro/E 5.0（Paramtric Corporation.USA）主要应用于绘制较为精确的钛钉、钛棒的几何图形。

1.2.3.3 Geomagic Studio 2015（Raindrop Geomagio Inc.USA）主要应用于从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格。

1.2.3.4 Hypermesh 14.0（Atair Corporation.USA）主要应用于网格划分、材料属性定义与赋值、约束条件的界定。

1.2.3.5 Abaqus 6.14（Dassault System.France）主要应用于有限元模型进行分析。

1.3 建模方案

1.3.1 椎骨、椎间盘模型

将收集到矫形后脊柱T3～L5 节段CT 影像学资料以DICOM 格式导入到Mimics16.01 图像处理软件中读取图像，流程如图1所示。

图1 矫形后脊柱T3～L5 节段有限元建模流程

1.3.2 钉子与钛棒模型

将影像学资料导入到Mimics16.01 图像处理软件中读取图像，分别提取椎体内钛钉、钛棒的几何轮廓，然后导入到Pro/E 5.0 绘图软件中，绘制较为精确的钛钉、钛棒几何图形，矫形后脊柱T3～L5 节段整体几何模型见图2。

图2 矫形后脊柱T3～L5 节段整体几何模型

a：矫形后脊柱前面观；b：矫形后脊柱侧面观；c：矫形后脊柱背面观

1.4 单元网格化

将表面光滑后椎骨、椎间盘、钛棒-钛钉系统模型导入到Hypermesh 14.0 内进行网格划分。

1.5 韧带结构的模型建立

添加本次计算所用到的韧带，如图3，包括前纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带等。

图3 网格化后模型韧带结构模型建立

1.6 材料属性

目前对于骨组织属性应设置各向同性还是各向异性并没有统一的定论，本研究参考辛大奇[6]对于各部分的材料参数，如表1所示。

表1 骨组织各成分材料属性

1.7 边界条件

1.7.1 约束条件

约束L5 两侧及附近部位，模拟站立时的姿势。

1.7.2 加载条件

顶部施加向下力200 N，X方向对模型施加±7 N·m 的扭力矩，模拟前屈后伸动作；Y方向对模型施加±7 N·m 的扭力矩，模拟左右侧屈动作；Z方向对模型施加±7 N·m 的扭力矩，模拟左右旋转动作。

1.8 观察指标

随机采集椎体与钛棒连接处在前屈，后伸、左、右侧屈，左、右旋转工况下5个应力点。

1.9 统计学方法

采用SPSS 22.0 统计学软件进行数据分析，比较左、右两侧钛棒应力值采用配对样本t 检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 钛棒在前屈、后伸工况下应力分析

在前屈、后伸工况下，钛棒应力呈“W”型变化；在下胸段和胸腰段应力较大，T11应力最大；在T12、L1，前屈、后伸工况下左右两侧的钛棒应力值比较，差异有统计学意义（P＜0.05）（图4～5，封三；图6）。

图4 钛棒在前屈工况下应力云图

图5 钛棒在后伸工况下应力云图

图6 钛棒在前屈、后伸工况下左右两侧应力变化趋势

前屈、后伸工况下左右两侧的钛棒应力值比较，*P＜0.05

2.2 钛棒在左、右侧屈工况下应力分析

在左、右侧屈工况下，钛棒应力呈“W”型变化；在下胸段和胸腰段应力较大，T11应力较大；在T9，左、右侧屈工况下左右两侧的钛棒应力值比较，差异有统计学意义（P＜0.05）（图7～8，封三；图9）。

图7 钛棒在左侧屈工况下应力云图

图8 钛棒在右侧屈工况下应力云图

2.3 钛棒在左、右旋转工况下应力分析

在左、右旋转工况下，钛棒应力呈“〈”型变化，钛棒在T3～T11应力逐渐增大，T11～L4应力逐渐减小，L4～L5应力增大，钛棒在下胸段和胸腰段应力较大，T11应力最大（图10～11，封四；图12）。

图9 钛棒在左、右侧屈工况下左右两侧应力变化趋势

左、右侧屈工况下左右两侧的钛棒应力值比较，*P＜0.05

图10 钛棒在左旋转工况下应力云图

图11 钛棒在右旋转工况下应力云图

图12 钛棒在左、右旋转工况下左右两侧应力变化趋势

3 讨论

3.1 有限元分析在AIS 的研究

由于我国人口基数较大，青少年人数较多，AIS发病率逐年增加，越来越多的学者不断深入脊柱侧凸发病机制、治疗方案、愈后情况等研究[6-9]。由于脊柱是躯干的支柱，是人体的力学桥梁，起着支撑人体、保护内脏器官、维持运动平衡、缓冲震荡等作用，生物力学在脊柱侧凸的形成、发展与转归中均发挥重要的作用。因此，研究脊柱侧凸发病机制、治疗及转归过程中内在的生物力学变化，对脊柱侧凸的诊断、治疗都具有重要意义。

3.2 有限元分析的优点

有限元分析优点具有以下优[7-9]：①标本的材料特性、载荷、边界条件等均可用数学形式概括，可以通过改变其中一个或几个参数来观察对整个结构的影响；②不仅可以进行静态的形态学研究，还可以进行动态的模拟研究；③可以重复加载多种实验条件，对于同一模型，可以排除由于条件不同引起的误差；④能够对无法直接测量的物体进行生物力学研究，如测量物体的内部应力；⑤使用计算机对数据进行处理，能够较快得出实验结果；⑥能很好地反映不同运动工况下，钛棒、螺钉及椎体内部的应力情况。

3.3 有限元分析的缺点

虽然有限元分析法在脊柱外科中应用越来越广泛，但依然有许多不足[10-14]：①由于在建模过程中划分单元、选择节点、加载载荷及边界条件的选择上，仅依靠经验公式，常常会忽略个体差异等，因此构建的模型存在一定的误差。②脊柱周围解剖结构复杂，非骨性结构较多，然而建模中软组织通常用类似性质材料实施取代，但椎间盘以及韧带等结构，在很多的方面上施展的作用较大[15]。③目前还没有统一的标准来真实地反映椎体、韧带、椎间盘、腰椎肌肉等组织力学参数。④我国有限元分析起步较晚，积累的经验不足。

3.4 钛棒应力较大区域分析

内固定失败以断棒最为常见，断棒发生率为7%～22%[16]。断棒部位多出现在脊柱前方结构缺损或后方结构不连续的水平、三柱截骨的部分或腰骶骨盆连接处[17]。於玮[18]对胸椎经肋椎关节内固定脊柱有限元分析中，前屈和后伸运动中，连接棒中部应力为零，但在侧弯时骤然升高，连接棒最下端应力始终大于上、中端，故前屈、后伸连接棒下端和侧弯时连接棒中段都最容易发生疲劳性断裂。本研究结果显示，钛棒在六种工况下，胸弯T11应力最大，腰弯T12应力最大，应力最大位于胸弯下顶椎与腰弯的上顶椎，尤其在左、右旋转工况下。这可能是由于患者发生侧弯的脊柱位于中、下胸段及胸腰段，钛棒在矫形中，端椎是矫形固定主要受力点，通过固定两侧端椎，使发生侧弯的椎体得到矫正。

3.5 小结

综上所述，矫形后钛棒在六种工况下，胸弯在T11应力最大，腰弯在T12应力最大，应力最大位于胸弯下顶椎与腰弯的上顶椎，尤其在左、右旋转工况下。提示在侧凸的顶椎考虑增加钛棒直径或采用多棒技术；在左、右旋转时，发生断棒的风险更高。

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