基于特发性脊柱侧凸力学反应特性的计算机仿真模型构建及其应用研究

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) has great impacts on patients’ physical and mental health. Due to its unclear etiology and pathology, surgical treatment remains effective strategy for moderate and severe scoliosis. However, nowadays, how to correct the scoliotic curves largely depends on clinical experiences, rather than basic researches. Biomechanics is regarded as the basis of optimization of correction strategy. However, it is difficult to simulate the procedures of correction surgery accurately since the current computer biomechanical models are based on a series of assumed conditions that might cause biases. To solve these problems, we invented related methods that could evaluated the reactivity of scoliotic curves under continuous force tests and invented the instruments as well. Based on these studies, we established mathematical models of the structure reaction characteristics and high simulation models of idiopathic scoliosis, which could be used to analyze stress distributions of pedicle screws and rods under different screw-placed strategies or different screw densities. According to our results, how to implant pedicle screws could be easily established, which could provide basic theories for clinical treatments.

青少年特发性脊柱侧凸是严重危害青少年身心健康的一类疾病，由于病因不明，目前对中重度患者手术是主要治疗方式。但目前的矫治策略主要依据临床经验，缺少基础研究支持。优化矫形策略需要生物力学研究证据，而现有的计算机生物力学模型建立在一系列的假定条件基础上，很难准确模拟脊柱侧凸的矫形过程。为了解决上述问题，项目组发明了可施加连续外力测试侧凸反应性的方法和仪器设备，在此基础上创新提出利用在体结构反应特性数学模型，与传统三维有限元模型迭代拟合，从而建立高仿真特发性脊柱侧凸计算机模型；应用该模型，结合科学设计的置钉矫形分组方案，确定AIS在不同置钉方案和置钉密度下矫形钉棒应力分布的变化规律，据此确定优化的置钉矫形策略，为临床治疗提供确切的理论依据。

青少年特发性脊柱侧凸严重危害患者身心健康，由于病因不明，目前对中重度患者而言，手术仍是主要治疗方式。由于矫形能力强，后路全节段椎弓根螺钉矫形融合术已成为标准术式，但其缺点是每个节段都需置钉，因而带来较高风险且器械费用昂贵。目前，已有临床研究表明对柔韧性较好的患者适当减少置钉比例并不影响手术疗效，但采用怎样的置钉策略、置钉比例这些关键问题尚未有研究证实。现有的计算机模拟矫形模型建立在一系列的假设条件基础上，很难准确模拟脊柱侧凸矫形过程。为解决上述问题，项目组提出了建立融合实体结构反应性特性定量分析的计算机三维有限元AIS主弯模型，结合科学设计组合的置钉矫形分组方案，确定AIS在不同置钉方案和置钉密度下钉棒应力分布的变化规律，据此确定优化的置钉、矫形策略。.本项目以临床最常见的Lenke1型AIS为研究对象，通过测试得到侧凸结构对纵向矫正外力的反应性特征，绘制力学-反应曲线；通过实体脊柱在体反应曲线，对三维有限元模型进行优化，建立高仿真脊柱侧凸计算机生物力学模型，并验证其有效性；在建立的脊柱侧凸三维矫形模型上试验科学设计的不同置钉方案和置钉密度分组下侧凸的矫正以及钉棒应力、应变等目标值分布情况，得到应力分布一般规律，从而筛选推荐优化的置钉方案。研究结果表明：通过拟合不同应力下侧凸的结构反应性特征数据模型，对Lenke1型AIS患者的脊柱侧凸三维有限元模型进行功能特性的优化是可行的，验证结果显示：与在体纵向牵引测试曲线有高度的拟合性，表明该模型仿真性能好，该模型的建立为脊柱侧凸各种治疗干预手段的生物力学效应提供直观的评估手段；初步的应用筛选了优化的置钉方案。 .本项目为脊柱生物力学研究提供了新的思路，也为临床治疗提供扎实的理论依据。相关成果可减少脊柱侧凸矫形的并发症，降低治疗费用，使更多患者得到更为优化的治疗。