背景青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)在青少年中的发病率约为2%～3%,严重威胁着青少年的身心健康。其治疗方法较前大有改进,疗效也明显提升。但是,很多问题仍有待进一步研究,其中脊柱侧凸的生物力学研究是最为重要的一方面。脊柱生物力学研究方法有多种,包括动物实验、物理实验、尸体实验等。脊柱侧凸在自然界的动物中尚未发现,模型选材困难,而脊柱侧凸的人体标本获取更是困难。随着电子计算机的发展,有限元法已经迅速发展成为一种现代计算方法。其可在研究中重复,并可改变任何质量与定量变化,同时提供了局部以及内部的反应机制。Hueter-Volkmann定律认为:骨骼所受到的应力增加,骨的生长就会受到抑制;骨骼所受到的应力减小,骨的生长就会加速。上述定律可解释AIS在生长高峰时侧凸的进展。而支具就是通过施加矫形力将凸侧和凹侧的椎间盘应力平衡,从而达到治疗效果的。在本次研究中我们选取一名青少年特发性脊柱侧凸患者,Lenke分型1A-型(PUMC分型Ⅱa型),Risser征3级,通过建立特发性脊柱侧凸的有限元模型,研究不同矫形力的生物力学特性,并模拟支具治疗后椎间盘凸侧、凹侧应力的分布变化,预测支具治疗的效果,为AIS的生物力学研究提供一个量化指标。第一章目的:建立青少年特发性脊柱侧凸的三维有限元模型,并验证模型的有效性,为下一步研究提供平台。方法:选取一名青少年特发性脊柱侧凸患者,螺旋CT对其脊柱进行层厚1mm的连续扫描,以Dicom格式文件储存所得的扫描图像。用Mimics软件生成脊柱侧凸的三维几何模型,导入Hypermesh软件进行网格划分,并对网格赋予特定的材料属性。将患者建立的模型与仰卧位、站立位、仰卧左右侧屈位X线片进行比较,并选取T12-L2、L3-S1节段与相关的生物力学实验研究相比较。结果:1、仰卧位、站立位、仰卧左、右侧屈位X线片的Cobb角分别为31°、40°、44°、19°,而有限元模型中相应的角度分别为30°、41°、40°、20°。2、椎体质心偏离骶骨中线的距离:仰卧位、站立位、仰卧左右侧屈位X线片与有限元模型相比较,P>0.10,可以认为两者没有差别。3、T12-L2、L3-S1节段与相关的生物力学实验研究相比较,平均刚度均在相关生物力学实验研究的范围内。结论:1、基于CT扫描的Dicom格式文件,采用Mimics及Hypermesh软件,构建了T1至骶骨的青少年脊柱侧凸有限元模型,该模型包括了T1至骶骨的所有椎体、椎间盘、韧带,同时还包括了胸廓的肋骨、肋软骨及胸骨。2、将该模型与临床仰卧位、站立位、仰卧左、右侧屈位X线片及体外生物力学实验结果相对比,验证结果显示X线片与模型符合程度高,充分说明了该模型的可靠性和有效性,为脊柱侧凸生物力学的进一步研究提供了数值化平台。第二章目的:利用上一章节所建立的脊柱侧凸有限元模型,研究不同矫形力的生物力学特性。方法:1、胸1椎体约束X、Y方向的移动,固定骨盆,限制其X、Y、Z三个方向的移动。于顶椎凸侧所对应的三根肋骨侧面均匀施加20N,40N,60N大小的力,观察矫形效果。2、限制胸1椎体约束X、Y方向的移动,固定骨盆,限制其X、Y、Z三个方向的移动。在胸1椎体上加载100N,200N,400N的撑开力,观察矫形效果。3、限制胸1椎体约束X、Y方向的移动,固定骨盆,限制其X、Y、Z三个方向的移动。在胸8、胸9椎体上加载总共大小为10N.m,20N.m,40N.m的旋转力矩,观察矫形效果。结果:1、施加20N、40N、60N的横向矫正力时,胸弯的Cobb角度由最初仰卧位的31度分别减少至26°、20°、15°,顶椎旋转角度减小了1.234°、2.501°、3.674°。2、加载100N、200N、400N撑开力后,侧弯的Cobb角度分别减少至25°、18°、13°,顶椎旋转角度减小了0.09°、0.21°、0.33°。3、在T8至T9这两个椎体加载总共大小为10N.m、20N.m、40N.m的旋转力矩后,脊柱的Cobb角度分别减少至26°、24°、25°,顶椎旋转角度减小了10.781°、18.423°、30.795°。结论:(1)利用有限元方法分析不同矫形力的生物力学特点,为临床器械矫形及支具治疗提供生物力学依据。(2)利用有限元方法研究脊柱侧凸的矫形力,为脊柱侧凸三维矫形提供了全域性和区域性的量化指标。(3)侧凸畸形的Cobb角度较小时,横向矫形力对侧凸畸形矫正效率高于撑开力。(4)三种不同矫形力对三维矫形的效率不相同:施加撑开力、横向矫形力主要起脊柱去旋转的作用,而旋转力主要起椎体去旋转的作用。第三章目的:利用已建立的脊柱侧凸模型,分析支具治疗后椎间盘凸侧、凹侧椎间盘应力分布的变化,预测支具治疗效果。方法:1、站立位下脊柱生物力学特点约束条件:固定骨盆,限制其在各个方向的活动,在椎体各个节段施加相应的重力载荷。观察并测量椎间盘应力、韧带应力分布情况,预测1年后椎体增加的高度及椎体契形病变角度。2、支具矫形效果约束条件:为达到较好的模拟佩戴支具条件下的工况,需固定骨盆,约束其X、Y、Z轴三个方向的活动,限制T3、T4的肋骨在X、Y方向的活动。施加载荷:在椎体各个节段施加相应的重力载荷,再在T8、T9、T10椎体凸侧的肋骨上施加横向力,力的大小分别为0N、10N、20N、30N、40N、60N、80N、100N。观察并计算凸侧和凹侧椎间盘平均应力变化、凸/凹应力比值,预测1年后椎体增加的高度及椎体契形病变角度。结果:1、站立位下,患者T6-T11之间的椎间盘凹侧应力值高于凸侧,凸/凹侧应力比值均小于1,T8/9椎间盘凸/凹侧应力比值最小,为0.23。2、随着施加横向矫形力的增加,T6-T11之间的椎间盘凸/凹侧应力比值也相应的增加,当施加的力达到30N时,T6/7椎间盘凸/凹侧应力比值达到了1.00,而T8/9、T9/10椎间盘凸/凹侧应力比值在施加100N力时,仍小于1。3、随着横向矫形力的增加,T6-T11之间椎体的契形病变逐渐减小,预计1年后总的椎体契形病变也呈减小趋势。其中在加载100N矫形力后,主胸弯椎体契形病变角度总和被逆转为负数。结论:(1)首次利用有限元方法研究脊柱侧凸椎间盘凸、凹侧应力值,并应用凸、凹侧应力值预测支具治疗的效果,为预测支具治疗效果提供了一种新的方法。(2)有限元方法对椎间盘凸、凹侧应力值的研究,为支具的改良设计提供了一个新的量化指标。(3)站立位下,脊柱侧凸项椎附近椎间盘应力值凹侧高于凸侧,凸/凹侧应力比值有向顶椎逐渐减小的趋势。