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新型个体化三维矫形胸腰骶气囊支具的有限元研究

作　者: 范建平
导　师: 李明
学　校: 第二军医大学
专　业: 外科学
关键词: 青少年特发性脊柱侧凸有限元支具生物力学
分类号: R682.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

【背景】青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是不明原因引起的脊柱三维畸形，Cobb角大于10°可以诊断。AIS危害较大，如不及时发现并加以治疗，畸形将逐渐加重，影响患者的身体外形、心肺功能及心理健康，给家庭和社会带来沉重的负担。对于早期发现的轻中度AIS，支具治疗是唯一有效的保守治疗方式。支具治疗还存在诸多问题，主要包括支具佩戴的舒适性差、无法实现畸形三维矫形及支具无法实现个体化等不足。本课题组前期已经完成新型气囊支具的理论研究及外观的设计工作，创新性地提出气囊支具概念，可以改善患者的佩戴舒适性。传统的支具对于患者施力主要在冠状面，对矢状面矫形效果有限，长时间佩戴甚至可以引起平背畸形等并发症。Piet等学者报道，对于胸腰段交界处施加前凸外力，在对矫正矢状面的同时，可以矫正冠状面的畸形，这项研究结果对于研究支具治疗AIS有着重要意义，但是相关报道仍然较少。有限元法是利用影像图形进行数字模拟，可以建立脊柱侧凸模型，模拟支具的治疗，已有相关的报道，但是相关研究仍然局限在冠状面，对于矢状面的研究报道甚少。【目的】运用计算机技术，基于患者CT影像，建立特发性脊柱侧凸有限元模型，进一步优化模型的参数，验证模型的有效性。仿真模拟支具在冠状面、矢状面和两者组合施力的情况下的矫形效果，记录相关参数的变化，探讨支具的最佳矫形方案。【方法】1.建立特发性脊柱侧凸三维有限元模型选择一例14岁女性双弯AIS患者，行仰卧位C7至尾骨连续CT薄层扫描，获取的CT影像导入建模软件Mimics10.0，进行处理后建立三维仿真模型，并对其进行几何清理。随后，将模型导入软件Ansys11.0，利用相关软件工具进行划分，定义连接与接触，根据文献报道定义材质属性，并添加椎间盘、肋软骨、韧带等组织，建立AIS模型。优化参数模型，验证模型原始的几何参数。参照文献，对脊椎节段分段施加载荷与体外实验结果进行比较，验证模型的有效性。2.个性化支具仿真及模拟其治疗效果基于患者的脊柱有限元模型，仿真模拟个性化支具的有限元模型，并进行脊柱、胸廓、骨盆、躯干外形及支具等几何模型的叠加，建立真实的支具有限元模型。分别在冠状面、矢状面、两者组合三组不同施力方案，记录相关参数的变化。【结果】1.成功建立了完整的AIS三维有限元模型，包括了颈7，12节胸椎、5节腰椎、骶尾骨、胸廓、锁骨、肩胛骨及附属韧带结构。本模型共有3中单元类型，15种材料性质；共计691271个单元，包括658503个实体单元，32251个壳单元，517个线缆单元。所建立的模型与X线片相似性良好。选取脊柱节段加压与相关的体外生物力学实验相比，变化范围在实验研究的范围内。2.顺利完成了个性化支具的有限元模型，在冠状面、矢状面、两者结合分别施力，最佳矫形结果为胸弯矫正率分别为66%、37%、52%，腰弯矫正率分别为65%、34%、53%；后两组可以获得较高顶锥旋转度矫正率和更好的矢状面平衡。【结论】1.基于患者CT图像，利用计算机建模软件建立了形态逼真的AIS三维有限元模型，具有良好的几何相似性，为模拟脊柱侧凸支具的有限元分析提供了操作平台。2.对有限元模型进行参数优化，并进行了相关的有效性验证，真实反映了实际个体脊柱的生物力学特性。3.创新性提出对支具矢状面施力，并结合冠状面施力，获得了良好的冠状面矫正率以及旋转矫正率、并且有助于改善脊柱矢状面曲度，对支具的治疗具有重要意义。

新型个体化三维矫形胸腰骶气囊支具的有限元研究

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