1. 介绍
1.1. 脊柱侧凸概述
脊柱侧凸指人体的脊柱某一部分或全部分向一侧扭曲。按照不同的发病原因进行区分，其可分为先天性(脊柱侧凸)、特发性、肌肉神经性等，其中特发性的占比高达75%~85%。同比其他年龄段的人群，青少年患有脊柱侧凸(AIS)的几率更高，其流行率在1%~4% [1]。
AIS严重到一定程度，不仅会影响患者的外貌体型，甚至可能引起许多其他症状，如腰背部疼痛、心肺功能障碍，影响胸廓运动甚至影响到脊髓造成下肢瘫痪[2]。
在脊柱侧凸患者中，有相当部分患者其脊柱椎体会产生旋转。Patel [2]等提出，椎体旋转会影响周围的软组织解剖结构。水平面内的椎体旋转是导致脊柱产生畸形的因素之一，在脊柱畸形进展过程中会导致冠状畸形和呼吸功能障碍。如果患者的椎体旋转矫正不充分，则会直接影响矫正治疗的满意度[3]。
1.2. AIS的病因、诊断及治疗
截至目前，国内外学者对其病因、发病机制、解剖和病理等进行了大量的研究和实验，然而最后都没有得到明确的结论。国内外学者一直认为AIS的发病原因复杂，是由多种原因共同产生的(例如遗传因素、激素水平等)，无法从根源上防止脊柱侧弯的产生。
一般而言，AIS一般最常用的检查方式是X线检查。通过X片可以看出侧凸的一些相关因素，如弯度，旋转，骨龄，柔韧性等。评价侧凸是否严重的相关参数指标，是Cobb角。通常认为，当患者的Cobb角超过10˚，那么该患者就会被确诊为患有脊柱侧弯疾病。医生通过脊柱X光片进行人工测量，获取脊柱侧弯的Cobb角，再根据Cobb角度的不同，对脊柱侧弯进行诊断[4]。
根据患者不同的cobb角度大小、自然病史等因素，可将脊柱侧弯的治疗方式分为两类：手术方式和非手术方式。假如侧凸病人的Cobb角度超过45˚，要对其进行手术治疗。如果患者的cobb角在20˚以内，可以先不进行治疗，而应该先进行严格的观察。如果每年其cobb角度都增加5˚及以上，就应该立即对其进行治疗。若患者的cobb角介于25˚至45˚，适宜对其采用矫形器治疗的方式。
1.3. 有限元法
1.3.1. 有限元法概述
最早提出有限元分析是在上世纪50年代，刚开始主要是被应用于解决飞行器结构的计算，随后被广泛应用在工程领域。而随着计算机技术的进步以及生物力学的发展，有限元分析被广泛应用在了医学领域[5]。
1.3.2. 有限元法在医学中的应用
1972年，Brekelmans等[6]首次尝试在医学领域运用有限元手段，利用该技术探究骨骼的应力情况。2019年，赵俊勇等[7]建立了骨质疏松病人的三维胸椎段模型，使用有限元分析软件验证了使用椎弓根钉穿透椎体前部皮质骨能够提高内固定方式的稳定性。2021年，李硕等[8]选取1例股骨髁上截骨患者，建立手术前后的膝关节三维有限元模型，对手术前后模型进行有限元分析，探究股骨髁上截骨矫治膝内翻的治疗效果。结果表明，股骨髁上截骨能够很好的矫正矫治膝内翻。
1986年，Viviani等[9]首次尝试将有限元技术运用到脊柱侧凸领域。2004年，Périé等[10]借助有限元法成功创建了3例有限元模型，同时在该模型中再次构建了骨盆、腹壁、胸壁、支具等模型，并且对Boston支具在模型施加的压力进行严密监测。2009年，唐明星[11]借助建立的Lenke1A型模型，于Cobb角较小的情况下，对比分析了横向矫正、纵向拉伸及旋转三种不同力学干预手段的效果。结果表明就侧凸矫形效果而言，相比于纵向撑开力，横向矫正力治疗效果更优。2014年，易红蕾[12]将一种新型矫形支具作用于已建立完成的脊柱侧凸模型上，观察其治疗效果，同时将其在临床上进行应用，观察其即刻矫正效应。结果证实该新型支具的疗效超过了以往所使用的传统支具。2019年，辛大奇[13]对建立好的Lenke3型侧凸模型的各个区域施加矫正应力。其研究成果不仅为预测此类脊柱侧凸手术疗效提供了科学支撑，也为个性化手术方案的设计奠定了坚实的理论基础。
综合以上考量，本文研究内容如下：
1) 基于一例AIS患者的全脊柱CT影像数据，建立一个三维模型。
2) 对构建出的模型施加相应的力矩，利用有限元软件得出其各个节段的活动度，并与以往文献的实验结果做对比。
2. AIS三维模型的构建
2.1. 材料
2.1.1. 获取影像数据
数据来自上海交通大学附属新华医院脊柱中心。患者基本信息：女性，15岁，体重47 kg，腰主弯，Cobb角20度。
2.1.2. 设备及软件
64层螺旋CT机螺旋CT扫描仪(美国GE公司)；医学影像软件Mimics 21.0 (Materialise公司，比利时)、逆向工程软件Geomagic Wrap 2020 (Raindrop Geomagic公司，美国)、Solidworks 2021 (达索系统，法国)。
2.2. 方法
2.2.1. 提取影像数据并建立三维模型
通过CT (计算机断层扫描)技术获取人体脊柱影像常被作为获取侧凸影像数据最主要的方式[14]。将原始CT数据(DICOM格式)导入到Mimics软件中，通过新建蒙版、区域增长等功能，得到初始的三维模型。将初始模型导入到Geomagic Wrap软件中，进行平滑处理，随后再将导出的新模型导入Solidworks软件中补充椎间盘，软骨等结构。
2.2.2. 材料赋值、划分网格、添加韧带
材料赋值：本研究模型中划分了皮质骨、松质骨、纤维环等结构，不同结构具备不同的弹性模量与泊松比。两者都表示材料弹性性质的物理量。本研究中的材料赋值如表1所示。
Table 1. Material properties of different parts of the three-dimensional spinal model of AIS patients
表1. AIS患者三维脊柱模型不同部位的材料属性
属性 |
弹性模量(MPa) |
泊松比 |
皮质骨 |
12000 |
0.3 |
松质骨 |
100 |
0.2 |
软骨 |
10 |
0.4 |
髓核 |
1 |
0.499 |
纤维环 |
4.2 |
0.45 |
划分网格：由于脊柱模型的复杂性，本次模型统一采用四面体网格进行划分。软骨的网格大小设置为0.5 mm，其余结构网格大小设置为2.0 mm。
添加韧带：韧带具备稳定脊柱结构的功能。本研究中以弹簧的方式代替韧带。所添加的韧带的刚度值如表2所示。
Table 2. Corresponding stiffness values of different ligaments
表2. 不同韧带的对应刚度值
韧带 |
刚度值(N/mm) |
前纵韧带 |
8.74 |
后纵韧带 |
5.83 |
横突间韧带 |
15.38 |
黄韧带 |
0.19 |
棘上韧带 |
15.75 |
棘间韧带 |
2.39 |
至此，模型已建立完毕。模型如图1所示。
3. 获取活动度
软件：ANSYS 19.3 (ANSYS公司，美国)。
将脊柱模型中的T1-T4，T5-T8，T9-T12，L1-L5分别提取，包含其椎间盘及韧带。向每个节段的下表面施加约束固定(Fixed Support)，在上表面施加不同方向，大小为4000 N*mm的力矩(Moment)，模拟前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转，得到相应的活动度。与Busscher等[15]的研究结果做对比。
Figure 1. 3D model of the spine
图1. 脊柱三维模型
4. 结果
4.1. T1-T4
T1-T4在施加4000 N*mm力矩后，模拟前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转的活动度如表3所示。
Table 3. Range of motion in T1-T4 segments
表3. T1-T4的活动度
工况 |
屈伸 |
侧屈 |
旋转 |
活动度(˚) |
5.3 |
7.0 |
6.2 |
将所得数据与Busscher等人[15]的结果相比较，结果如图2所示。
Figure 2. Comparison of the range of motion in T1-T4 segments
图2. T1-T4节段活动度对比
4.2. T5-T8
T5-T8在施加4000 N*mm力矩后，模拟前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转的活动度如表4所示。
Table 4. Range of motion in T5-T8 segments
表4. T5-T8的活动度
工况 |
屈伸 |
侧屈 |
旋转 |
活动度(˚) |
2.3 |
6.5 |
5.0 |
将所得数据与Busscher等人[15]的结果相比较，结果如图3所示。
Figure 3. Comparison of the range of motion in T5-T8 segments
图3. T5-T8节段活动度对比
4.3. T9-T12
T9-T12在施加4000 N*mm力矩后，模拟前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转的活动度如表5所示。
Table 5. Range of motion in T9-T12 segments
表5. T9-T12的活动度
工况 |
屈伸 |
侧屈 |
旋转 |
活动度(˚) |
1.6 |
3.3 |
3.4 |
将所得数据与Busscher等人[15]的结果相比较，结果如图4所示。
4.4. L1-L5
L1-L5在施加4000 N*mm力矩后，模拟前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转的活动度如表6所示。
Figure 4. Comparison of the range of motion in T9-T12 segments
图4. T9-T12节段活动度对比
Table 6. Range of motion in L1-L5 segments
表6. L1-L5的活动度
工况 |
屈伸 |
侧屈 |
旋转 |
活动度(˚) |
2.0 |
8.2 |
4.5 |
将所得数据与Busscher等人[15]的结果相比较，结果如图5所示。
Figure 5. Comparison of the range of motion in L1-L5 segments
图5. L1-L5节段活动度对比
5. 结论
除T5-T8侧屈的活动度外，T1-T4，T5-T8，T9-T12节段的活动度与Busscher的结果差距极小(<1˚)，但L1-L5节段与Busscher的结果差距较为明显(>2˚)。这说明该模型正常节段活动度几乎未受到侧凸的影响。但是具有侧凸的节段，其活动度数值会受到一定影响。
6. 讨论
总体看，T1-T12的活动度与Busscher的结果十分接近，但是T5-T8的侧屈活动度数值较为特殊，与Busscher的实验结果差距很大。结合二者实验，导致出现该情况的原因可能如下：1) 研究对象不同。Busscher采用的实验对象是成年男性尸体的脊柱，其年龄在50岁以上。而本实验所采用的是一名青少年女性的脊柱。研究对象在性别，年龄，体重等方面均有明显差异。2) 研究方法不同。Busscher采用的是四点弯曲装置对脊柱各节段进行活动度测试，而本实验是采用有限元模拟手段，利用软件模拟活动度。
在医学领域，人体脊柱在结构剖析与受力情况十分复杂，使用传统实验方法效率低下，且无法保证结果的正确性与精确度。三维有限元法可以模拟各种几何形状复杂的结构，分析多种工况下的应力分析，有效地保证了结果的正确性与精确度，可动态反映实验模型在外部载荷下的内部应力变化状态，以及在改变相关参数的条件下，可重复进行相关实验，对其进行连续研究。该研究技术日臻成熟，已为脊柱侧凸的病理机制、支具的设计及应用和手术方式的选择等研究提供了有力的支持[15]。
但是，有限元分析方法必然也存在一些不足。例如，个体之间脊柱会存在差异，用过往的设置材料参数可能并不能很好地反映目前在研究的病例，并且使用何种类型的单元，多少数量的网格密度等基本都要依靠实验者的主观经验。除此之外，由于人体真实结构的复杂性，不太可能将人体内所有的组织都包含在有限元模型中。例如肌肉组织，其在支具负载部分中的影响十分重要，但是很多情况下由于肌肉组织建模过程十分复杂，其往往会在建立脊柱有限元模型时会被忽略[16]。另外，本实验模型还缺乏椎间盘中的终板结构，在一定程度上也会影响实验最终结果。有限元模型的不断完善乃至技术的进步，都是今后需要不断努力的方向。
基金项目
国家重点研发计划(编号：2023YFC2507702)。
NOTES
*通讯作者。