有限元法分析Lenke 3型青少年特发性脊柱侧凸胸-腰椎的应力及位移变化

doi:10.12307/2021.313

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (33): 5273-5280.doi: 10.12307/2021.313

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

有限元法分析Lenke 3型青少年特发性脊柱侧凸胸-腰椎的应力及位移变化

邬超1，2，高明杰1，王建忠3，张云凤4，于静红4，蔡永强3，王海燕3，和雨洁3，仝玲1，李佳伟1，高尚3，王星3，吴敏5，李志军3，李筱贺3

内蒙古医科大学，1研究生学院，3人体解剖教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010000；2包头市中心医院影像科，内蒙古自治区包头市 014040；4内蒙古医科大学第二附属医院影像科，内蒙古自治区呼和浩特市 010011；5包头医学院第一附属医院骨科，内蒙古自治区包头市 014040

收稿日期:2020-11-16 修回日期:2020-11-19 接受日期:2021-02-10 出版日期:2021-11-28 发布日期:2021-08-02
通讯作者: 李筱贺，博士，教授，硕士生导师，内蒙古医科大学基础医学院解剖实验室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110 李志军，教授，博士生导师，内蒙古医科大学基础医学院解剖实验室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110
作者简介:邬超，男，1988年生，内蒙古自治区巴彦淖尔市人，汉族，内蒙古医科大学基础学院在读硕士，主治医师，主要从事人体解剖学、医学影像学方面的研究。张云凤，女，内蒙古自治区呼和浩特市人，汉族，2003年内蒙古医科大学毕业，副主任医师。
基金资助:
国家自然科学基金(81460330)，项目负责人：李筱贺；内蒙古自然科学基金(2020MS08124，2016MS08131)，项目负责人：李筱贺；内蒙古教育厅青年科技英才项目(njyt-15-b05)，项目负责人：李筱贺；内蒙自治区科技计划项目(2016)，项目负责人：李筱贺；内蒙自治区科技计划项目(2019GG115)，项目负责人：李志军；2020年度内蒙古自治区“草原英才”工程青年创新创业人才项目，项目负责人：李筱贺；内蒙古医科大学科技百万项目(YKD2017KJBW012)，项目负责人：王海燕

Finite element analysis of stress and displacement of Lenke 3 adolescent idiopathic scoliosis thoracolumbar spine

Wu Chao1, 2, Gao Mingjie1, Wang Jianzhong3, Zhang Yunfeng4, Yu Jinghong4, Cai Yongqiang3, Wang Haiyan3, He Yujie3, Tong Ling1, Li Jiawei1, Gao Shang3, Wang Xing3, Wu Min5, Li Zhijun3, Li Xiaohe3

1Graduate School, 3Department of Human Anatomy, Inner Mongolia Medical University, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 2Department of Radiology, Baotou Central Hospital, Baotou 014040, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 4Department of Imaging, Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 5Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Baotou Medical College, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2020-11-16 Revised:2020-11-19 Accepted:2021-02-10 Online:2021-11-28 Published:2021-08-02
Contact: Li Xiaohe, MD, Professor, Master’s supervisor, Department of Human Anatomy, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China Li Zhijun, Professor, Doctoral supervisor, Department of Human Anatomy, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Wu Chao, Master candidate, Attending physician, Graduate School, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Department of Radiology, Baotou Central Hospital, Baotou 014040, Inner Mongolia Autonomous Region, China Zhang Yunfeng, Associate chief physician, Department of Imaging, Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010011, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 81460330 (to LXH); Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2020MS08124, 2016MS08131 (to LXH); Youth Science and Technology Excellence Project of Education Department of Inner Mongolia Autonomous Region, No. njyt-15-b05 (to LXH); the Science and Technology Project of Inner Mongolia Autonomous region, No. 2016 (to LXH), No. 2019GG115 (to LZJ); 2020 Inner Mongolia Autonomous Region “Prairie Talent” Project for Youth Innovation and Entrepreneurship (to LXH); the Science and Technology Million Project of Inner Mongolia Medical University, No. YKD2017KJBW012 (to WHY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
Lenke 3型青少年特发性脊柱侧凸：是指在胸椎段和腰椎段都存在侧凸，且侧凸程度接近(即双主弯)的青少年患者，此年龄段患者的脊柱发育较快，脊柱结构及应力的改变进展明显，有限元生物力学分析对疾病发展及手术治疗有指导意义。
背景：青少年特发性脊柱侧凸导致脊柱结构发生改变，侧凸脊柱的应力也会发生相应变化，胸、腰椎在整个脊柱中承担了大部分的应力负荷，所以此次研究模拟分析侧凸脊柱胸-腰椎不同工况下的生物力学特点，对该疾病的病因研究非常有意义。
目的：构建青少年特发性脊柱侧凸Lenke 3型三维数字化模型，模拟分析侧弯脊柱在6种工况条件下应力及位移变化特征。
方法：选择特发性脊柱侧凸双主弯畸形青少年患者1例进行脊柱CT扫描，将扫描后CT数据以Dicom格式导入Mimics软件，根据CT灰度区分相应组织并导出为stl或者cloud点云格式，再进行去噪、铺面、平滑等处理，然后将处理好的图像传入Hypermesh软件中进行网格划分，对椎体及周围组织赋予特定的材料属性，建立青少年特发性脊柱侧凸的三维有限元模型，并模拟脊柱韧带的作用。用Abaqus & Ansys软件进行力学分析。
结果与结论：①在做屈伸、侧屈和旋转运动时，脊椎侧弯明显处(即T6、T12椎体处)、胸-腰弯交界段、腰椎段椎体应力较大，且小关节及椎弓根部位的应力相对于其他部位较大；胸弯顶椎到端椎应力逐渐减小；②在侧屈和旋转运动时，脊柱凹处部位(T6-7处于左缘、T10-11、L3-4处于右缘)的应力较大；③成功建立了Lenke 3型特发性脊柱侧凸患者的胸-腰椎三维有限元模型，模拟结果表明在不同工况条件下，特发性脊柱侧凸椎体及椎间盘的不同位置受力及位移有相应变化，研究结果可为脊柱侧凸三维矫形提供全域性和区域性的量化指标，为临床器械矫形及支具治疗提供数字化模型。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 青少年, 特发性脊柱侧凸, Lenke 3型, 胸椎, 腰椎, 生物力学, 三维有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Juvenile idiopathic scoliosis causes changes in spine structure, and the stress of the scoliosis spine changes accordingly. The thoracic and lumbar vertebrae bear most of the stress load throughout the spine. Thus, this study simulates and analyzes the biomechanical characteristics of the thoracolumbar spine under different working conditions, which is very meaningful for the study of the etiology of the disease.
OBJECTIVE: To establish a Lenke type 3 three-dimensional digital model of adolescent idiopathic scoliosis, to simulate and analyze the stress and displacement characteristics of scoliosis under six working conditions.
METHODS: A case of adolescent patient with idiopathic scoliosis and double main curvature deformity was selected to undergo spine CT scan. The scanned Dicom format CT data were imported into Mimics software. According to the CT gray scale, the corresponding tissues were distinguished and stl or cloud point cloud format was exported. After denoising, paving, smoothing and other processing, the processed image was transferred to Hypermesh software for meshing. Specific material properties were given to the vertebral body and surrounding tissues. A three-dimensional finite element model of adolescent idiopathic scoliosis was established to simulate the role of spinal ligaments. Finally, the mechanical analysis was performed in Abaqus & Ansys software.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) During flexion and extension, lateral flexion and rotation, the stress of vertebral body in lateral curvature (T6 and T12 vertebral body), thoracolumbar junction and lumbar vertebrae was larger, and the stress of facet joint and pedicle was larger than that of other parts. The stress from the apex to the end decreased gradually. (2) When lateral flexion and rotation motion, the stress at the concave part of the spine (T6-7 at the left margin, T10-11, and L3-4 at the right margin) was greater. (3) Three-dimensional finite element model of chest-waist segment of Lenke 3 adolescent idiopathic scoliosis patients was successfully established. The simulation analysis showed that the stress and displacement of the vertebral body and intervertebral disc of adolescent idiopathic scoliosis at different positions under different loading conditions changed accordingly. The results of the study may provide global and regional quantitative indicators for the three-dimensional scoliosis correction, and provide a digital model for clinical device orthopedics and brace treatment.

Key words: teenagers, idiopathic scoliosis, Lenke 3, thoracic vertebrae, lumbar vertebrae, biomechanics, three-dimensional finite element analysis

中图分类号:

邬超, 高明杰, 王建忠, 张云凤, 于静红, 蔡永强, 王海燕, 和雨洁, 仝玲, 李佳伟, 高尚, 王星, 吴敏, 李志军, 李筱贺. 有限元法分析Lenke 3型青少年特发性脊柱侧凸胸-腰椎的应力及位移变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(33): 5273-5280.

Wu Chao, Gao Mingjie, Wang Jianzhong, Zhang Yunfeng, Yu Jinghong, Cai Yongqiang, Wang Haiyan, He Yujie, Tong Ling, Li Jiawei, Gao Shang, Wang Xing, Wu Min, Li Zhijun, Li Xiaohe. Finite element analysis of stress and displacement of Lenke 3 adolescent idiopathic scoliosis thoracolumbar spine[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(33): 5273-5280.

图/表（结果） 10

2.1 三维重建结果成功建立了Lenke 3型AIS胸-腰段三维有限元模型，包括全部胸椎、腰椎、椎间盘及脊柱所有韧带、关节结构，此次研究的模型精确展现了双转弯型青少年AIS胸-腰椎的解剖学特征。模型共采用2种单元类型，共划分
497 484个节点，总单元个数是294 692，见表2。

2.2 有限元实验模型的验证此次研究模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转作用下的平均刚度值与以往文献报道中的平均刚度值基本吻合[11-12]，并且做了几何形态相似性模型验证，将优化后的模型与临床站立位X射线片相对比，测量胸弯、腰弯的Cobb角及诸椎体中心到骶骨中垂线的垂直距离，测量结果差异性在实验要求范围内，因此所建三维有限元模型是有效的，可以用于临床研究。
2.3 AIS患者胸-腰段模型应力云图、位移云图变化此研究模型发现，AIS胸-腰段脊柱模型在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转情况下，侧弯明显处及胸-腰弯交界段、腰椎段椎体、椎间盘应力较大，见图5。脊柱椎体从上至下(C7-L5)位移值逐渐减小，见图6。

2.4 各椎体、椎间盘应力云图变化此研究模型在6种不同工况条件下，AIS在做屈伸、侧屈和旋转运动时，脊椎侧弯明显处(即T6、T12椎体处)、胸-腰弯交界段、腰椎段椎体应力较大，且小关节及椎弓根部位的应力相对于其他部位较大；胸弯顶椎到端椎应力逐渐减小，见图7。纤维环所承受的应力比髓核大，胸-腰椎椎间盘右缘在前屈、右屈、右旋条件下应力较大，椎间盘左缘在左屈、左旋条件下应力较大；侧屈、旋转运动时，脊柱凹处部位(T6-7椎间盘处于左缘、T10-11、L3-4椎间盘处于右缘)的应力较大，见图8。

2.5 胸-腰椎重建模型侧弯处椎体、椎间盘的应力值、应变值变化见表3-7及图7，8。
侧弯处椎体及椎间盘在6种不同工况条件下的应力值、应变值比较差异存在显著性意义(P < 0.05)，多组之间比较发现T6、T7、T10、T11、L4椎体后伸位应力值最大，前屈位椎弓根应力值明显大于上下关节突应力值；前屈位T7、L4椎体应力较大，后伸、侧屈、旋转位T10、T11椎体应力值较大，T11椎体后伸位上关节突应力值明显大于下关节突及椎弓根，椎体应力值明显大于椎间盘应力值，见表3，6及图7。
多组之间比较发现T7、T10、T11、L4椎体后伸位应变值最大，T6椎体上关节突及椎弓根在后伸位应变值最大，下关节突在前屈位应变值最大，T10、T11椎体屈伸、侧屈、旋转位应变值较大，椎间盘应变值相对椎体应变值略大，见表4，7及图8。T6-7、T10-11、L3-4椎间盘各缘应力值、应变值在屈伸、侧屈、旋转之间差异有显著性意义(P < 0.05)；T6-7、T10-11、L3-4椎间盘侧屈应力值较大，见表3，多组之间比较发现T10-11、L3-4屈伸位应变值较大；T6-7侧屈应变值较大，见表4。侧屈、旋转运动时，T6-7椎间盘左缘应力较大，T10-11、L3-4椎间盘右缘应力较大，且椎间盘变值大于椎体应变值，见表4，5。

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(责任编辑：GD，ZN，ZH)

引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析，计算机模拟实验，方差分析。
1.2 时间及地点于2019年7月在内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科实验室完成。
1.3 对象选择青少年AIS双主弯患者1例，男，15岁，身高160 cm，无手术史，既往拍摄脊柱X射线片已诊断为青少年AIS(双主弯型)，征得患者本人及父母同意，自愿进一步拍摄CT脊柱扫描片，诊断为Lenke 3型[5]，T6、T12分别为胸、腰弯顶椎，L4为稳定椎。
1.4 实验设备西门子双源炫速CT，SIEMENS公司；Mimics Innovation Suite 16.01软件(比利时Materialise公司)：主要用于脊柱三维重建；Raindrop Geomagio Inc. USA，Geomagic Studio 2015：主要用于创建出多边形模型和网格；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；Abaqus 6.14(Dassault System.
France)：主要应用于有限元模型进行分析。
1.5 方法
1.5.1 建立三维有限元模型
(1)CT扫描二维图像获取：患者取仰卧位，螺旋CT扫描范围：C7-L5椎体；扫描条件：管电压：120 kV，管电流：125 mA，层厚：0.625 mm，间距：1 mm。以Dicom格式储存扫描图像。
(2)确定坐标方向：以CT扫描轴位图像原始坐标为基准，取患者左右方向为X轴，正方向为椎体左侧指向右侧，Y轴为前后方向，正方向为椎体后方指向前方，上下方向为Z轴，正方向为由骶椎指向胸椎。
(3)划分建模与网格：用Mimics软件直接打开CT扫描所得Dicom格式图像，得到脊柱侧凸C7-L5椎体的影像，软件分别从矢、冠、轴3个位置呈现重建图像，调整显示的灰度值。通过使用Mimics软件的内部工具对断面影像进行分割、修补、擦除等处理，导出stl文件。将导出的文件传入Geomagic Studio中进行修复、光滑处理，生成相似性较高的Mimics 3D图。
将在Geomagic Studio中优化后的模型导入Hypermesh软件进行网格划分、材料属性定义与赋值、约束条件的界定等处理。在壳单元内自动生成椎体松质骨单元，定义密质骨、松质骨为四面体单元。椎间盘建立通常是通过Mimics 3-matic模块的建模功能和布尔运算，依次得到上、下终板，纤维环和髓核，从而得到与上、下椎体紧密贴合的椎间盘模型，见图1。网格划分采用布尔运算将椎体头合并为整体，对三维实体采用四面体自由网格进行网格划分，使得面网格模型转化为体网格模型，并对单元进行优化，见图2。根据前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带和棘间韧带等韧带的解剖起止点，在棘突间添加棘间韧带、棘上韧带，横突间添加横突间韧带，板间添加黄韧带，小关节之间添加关节囊韧带，椎体前缘及后缘分别添加前纵韧带和后纵韧带，所有韧带均采用solid四面体单元，见图3。

(4) 有限元分析：在有限元建模中关节突关节软骨层厚约0.5 mm，关节软骨的表面接触定义为面-面接触。接触单元的初始间距为0.5 mm，忽略摩擦。关节软骨的材料属性被设置为线弹性，且弹性模量设定为10 000 MPa。利用Abaqus 6.14有限元分析软件进行处理分析，关节突关节摩擦系数为0，椎骨与椎骨、椎间盘、韧带均通过Tie连接，前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带等根据其功能均用Tension only truss单元模拟，定义Truss单元为压缩无弹力、拉伸有弹力的属性。
1.5.2 脊柱各材料属性此次研究脊柱各材料属性参数均参考国外文献报道[6-10]，初步赋予各解剖结构材料性质，设置各韧带的横截面积，见表1。依据弹性模量和泊松比的不同进行脊柱不同材质的区分，见图4。

1.5.3 实验约束及加载条件
约束条件：约束T12底部及附近部位，模拟站立时的姿势。
加载条件：①工况载荷1(Load1)：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；②工况载荷2(Load2)：顶部施加向下力200 N，Y方向对模型施加±7 N•m的扭力矩，模拟左、右侧屈动作；③工况载荷3(Load3)：顶部施加向下力200 N，Z方向对模型施加±7 N•m 的扭力矩，模拟左、右旋转动作。
1.5.4 测量不同载荷条件下AIS侧弯处椎体、椎间盘不同位置的应力值分别选取在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转条件下的椎体T6、T7、T10、T11、L4关节突及椎弓根处的5个应力及位移集中点；椎间盘：T6-7、T10-11、L3-4前缘、后缘、左缘、右缘处的5个应力及位移集中点。
1.6 主要观察指标胸-腰椎椎体、椎间盘位移、最大应力情况；构建青少年Lenke 3型AIS重建模型，观察胸-腰椎应力、位移分布云图。
1.7 统计学分析通过SPSS 23.0软件分析椎体、椎间盘不同载荷条件下应力值、位移值及其变化趋势，分别采用方差分析进行数据间比较，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

3.1 AIS有限元分析的进展在形态学上，AIS是千变万化的，而且获取侧凸脊柱标本难度极大[13]，故研究脊柱侧凸生物力学的变化十分困难[14]。有限元分析技术是现代生物力学研究的一个重要手段，是一种数学计算类技术[15]。对脊柱侧凸的研究既可以获得椎体内生物力学特性又可以获得椎体表面的生物力学变化，它是对传统生物力学研究的突破和有益补偿。
在AIS应用有限元方法中，已有研究者来研究脊柱的生物力学。1974年BELYTSCHKO等[16]首先建立二维椎间盘模型，把有限元分析方法用于脊柱力学研究。1986年VIVIANI等[17]第一次将有限元方法应用在脊柱侧凸研究领域，主要用于指导手术矫正，优化矫正方案，未建立AIS三维有限元模型。2000 年GIGNAC等[18]建立的有限元分析模型包含了胸廓的部分结构。2004年PERIE
等[19]建立了3例有肋骨、骨盆的青少年AIS的有限元分析模型，探索了躯体内部作用力的相互关系。2013年ZHANG等[20]建立了AIS Lenke 5型有限元分析模型，在4种手术方式矫正下，得出脊柱Cobb角和顶椎旋转角度的变化，有利于指导手术的选择及其预后。2016年WANG等[21]应用有限元分析验证了在不对称负荷的情况下，小关节会出现小关节压缩性变形，限制椎体的旋转和摆位能力，小关节接触力的不对称负载加速了腰椎的不对称。2017年LI等[22]研究发现不对称张力导致椎体上的蛋白表达和骨质量不对称，最终导致解剖不对称，而且解剖不对称加剧了张力不对称，首次证明在AIS中存在不对称性。2018年SCHLAGER等[23]根据无视力畸形患者的CT数据，建立了相关的胸膜、胸部及脊柱的有限元分析模型，研究证实了不对称的胸膜腔内压与脊柱生物力学和病理学的潜在相关性。
3.2 此次实验研究模型的特点此次研究所选病例具有一定代表性，是脊柱侧凸畸形的常见类型；利用螺旋CT连续扫描图像构建模型，包含C7-L5的脊柱结构。在CT图像上难以显示的椎间盘，此次研究根据其解剖位置关系通过Mimics软件来重建，并将椎间盘进一步划分了纤维环和髓核两部分。此外，根据韧带的解剖起止点，分别增加了黄韧带、前后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带和关节囊韧带等，使得所建的模型更接近患者真实效果，也更符合个体化生物力学研究的要求。在建模过程中，没有按照以往学者们所采用的对称建模的方法，而是完全依据建模对象的实际形态来建立，最终形成的模型显示该患者脊柱侧凸形态完全不对称，采用此方法建立的模型可更真实地反映患者本身的生理状态。
此模型把密质骨、松质骨、椎弓、纤维环和髓核6种材料作为脊柱的成分，在结构和材料性质两方面都尽量模拟了原脊柱的构造。这样既可以精确地反映脊柱区域性的信息，又可以反映脊柱全域性的信息，而电阻应变仪测量法对于传统尸体标本不能反映内部的变化，仅能测量标本表面的应变。
此次研究所建立的模型运用了逆向工程软件及有限元分析软件，并对有限元模型进行不同载荷、工况模拟，分析不同载荷、工况下侧凸脊柱侧弯处结构内部力学参数差别；这样更有利于观察和量化患者在日常生活中的疾病进展状态，为患者下一步的术前力学分析提供可靠的数字化模型。
3.3 此次实验研究的特征性结果分析此次研究参考Lenke等[5]关于AIS的分型方案，通过CT采集标本数据，对Lenke 3型AIS有限元模型进行6种不同工况条件下力学模拟分析，并获得了令人满意的效果。
有研究表明，青少年AIS会导致关节突关节的方向和形状、椎间盘的厚度、韧带的位置及厚薄等发生改变，故在加载条件下的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转运动时椎体及椎间盘的受力也会发生相应的变化[24-26]。此次研究发现Lenke 3型AIS模型在做屈伸、侧屈和旋转运动时，脊椎侧弯明显处(即T6、T12椎体处)、胸-腰弯交界段、腰椎段椎体应力较大，胸弯处呈现顶椎区域集中现象，并且逐渐呈现向端椎减小的趋势，这与杨晓明等[27]的研究结果相符合；此次研究还进一步测量了侧弯处椎体(包括上下关节突及椎弓根)应力、应变值，发现除侧弯处受力较大，胸-腰弯交界段在6种不同工况下受力也较为明显，并且容易出现楔形变和小关节、椎弓根变形、断裂。
此次研究发现，Lenke 3型AIS模型在屈伸、侧屈和旋转运动时两侧小关节及椎弓根部位的应力相对于其他部位较大，后伸位两侧关节突关节受力不对称，侧弯脊柱凹侧受力明显；与此同时发现前屈位椎弓根受力明显大于上下关节突受力，更容易发生变形。腰椎是整个脊柱中承担压力负荷最大的节段，起着支持和传导重力的作用，且该节段运动范围较大[28-30]，此次研究发现侧弯脊柱腰椎段受力明显，不仅具有顶椎区域集中现象而且下端椎区域受力也较为明显。
正常青少年椎间盘前部及前外侧应力最高，明显高于中后部，前部纤维环的应力可通过两侧纤维环和中部的髓核将应力向后侧和后外侧传递[31]。此次研究发现Lenke 3型AIS模型在侧屈、旋转运动时，椎体侧凸段、椎间盘凹侧平均应力值较凸侧高，即侧弯处椎间盘T6-7应力较大处位于左缘，T10-11应力较大处位于右缘，与杨晓明等[27]、庞胤等[32]的研究结果相一致；此外对侧弯处椎间盘进行了应力、应变值定量测量，研究发现侧弯处椎间盘侧屈时应力值较大，侧屈、旋转时椎间盘应变值较椎体应变值大，研究证明侧弯处椎间盘侧屈、旋转运动时更容易发生变形和破损，且椎间盘相对于椎体更容易发生变形和破损。
既往对于AIS的治疗缺乏生物力学认识和力学量化资料，在选择融合节段、保持躯干平衡、正确选择内固定器械以及手术方式等方面做出不正确的决断，从而导致畸形进展、躯干失平衡、脊柱部分节段退变等并发症。此次研究模拟了AIS患者在真实生活状态下侧凸脊柱的受力情况，并且在Hueter-Volkmann原理基础上预测患者在自然状态下的疾病进展情况[33]，通过定量分析提示侧凸脊柱病变加速进展的精确部位，分析脊柱侧凸生理和病理过程中的力学变化。因而，此次研究所建立的Lenke 3型AIS模型可以为脊柱侧凸三维矫形提供全域性和区域性的量化指标，为脊柱外科矫形手术内固定融合节段的选择、关键椎选取、置钉强度确定及手术方案的优化提供理论参考[34-38]。
此次研究也存在不足之处，虽然所建立的有限元模型与实际相比符合程度较高，但没有加入胸廓骨性结构及肌肉组织模拟分析；建立的模型是四面体单元结构，较六面体单元结构的准确性有一定差距，后续会在青少年AIS有限元分析方面加大研究力度，建立更加完整、科学的有限元模型。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

有限元法分析Lenke 3型青少年特发性脊柱侧凸胸-腰椎的应力及位移变化

Finite element analysis of stress and displacement of Lenke 3 adolescent idiopathic scoliosis thoracolumbar spine

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