青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证

doi:10.12307/2022.427

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (9): 1351-1356.doi: 10.12307/2022.427

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青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证

张玉芳1，吕蒙1，梅钊2

1郑州铁路职业技术学院，河南省郑州市 450000；2华柱医疗科技(上海)有限公司，上海市 200120

收稿日期:2021-06-04 修回日期:2021-06-18 接受日期:2021-07-21 出版日期:2022-03-28 发布日期:2021-12-09
通讯作者: 张玉芳，博士，讲师，郑州铁路职业技术学院，河南省郑州市 450000
作者简介:张玉芳，女，1990年生，河南省鹤壁市人，汉族，2021年大连交通大学毕业，博士，讲师，主要从事医疗器械的设计研究。

Construction and verification of a full spine biomechanical model of adolescent scoliosis

Zhang Yufang1, Lü Meng1, Mei Zhao2

1Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450000, Henan Province, China; 2Huazhu Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200120, China

Received:2021-06-04 Revised:2021-06-18 Accepted:2021-07-21 Online:2022-03-28 Published:2021-12-09
Contact: Zhang Yufang, PhD, Lecturer, Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450000, Henan Province, China
About author:Zhang Yufang, PhD, Lecturer, Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450000, Henan Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
脊柱侧弯：又称为脊柱侧凸，是指脊柱全长内一个或数个节段偏离身体中线而向侧方弯曲，进而使脊柱形成一个弧状畸形，此外患者往往出现椎体的旋转以及脊柱生理曲度的改变。
有限元分析法：将复杂的结构离散为有限个单元，单元与单元之间通过共节点连接，将载荷和约束施加在节点上，借助节点实现数据的传递。

背景：现阶段脊柱侧弯患者的生物力学模型过于简化，未建立完整的患者躯干骨骼-肌肉有限元模型，并缺少软组织力学特性的建模。
目的：构建一个真实且具有详细解剖学结构的脊柱侧弯躯干有限元模型，并对其有效性进行验证。
方法：选择1例11岁青少年脊柱侧弯患者，通过64排螺旋CT扫描获得.Dicom格式的原始数据，建立其躯干有限元模型，并进行有效性验证，将腰骶段模型和躯干模型的模拟结果分别与已公开发表的文献中实验结果进行对比验证。研究方案的实施符合鹤壁市人民医院的相关伦理要求(医院伦理批件号YK2019015)。
结果与结论：①模型的建立：整个躯干有限元模型包括8 470 000余个单元，1 690 000余个节点；②腰骶段模型验证：建立的模型在屈伸、侧屈和扭转情况下的平均刚度分别为7.15，2.56，1.92 N·m/(°)，该值介于文献报道的实验结果之间，加载结果与文献中的实验值一致；③躯干模型的验证：在3种束带张力(20，40和60 N)作用下，脊柱的应力值变化均介于文献报道的实验结果的中间；④构建的1例具有详细解剖学结构的青少年脊柱侧弯躯干生物力学模型，通过生物力学模型有效性验证，该模型可靠、合理且真实、直观地显示人体复杂骨骼及软组织结构。

https://orcid.org/0000-0002-7177-6186 (张玉芳)

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: 青少年脊柱侧弯, 解剖结构, 数字化建模, 生物力学, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: At this stage, the biomechanical model of scoliosis patients is too simplified. A complete finite element model of the patient’s trunk bone-muscle has not been established, and the modeling of the mechanical properties of soft tissue is lacking.
OBJECTIVE: To establish a real finite element model of the scoliosis trunk with detailed anatomical structure and verify its effectiveness.
METHODS: A case of 11-year-old adolescent with scoliosis was selected. The original data in .DICOM format were obtained by 64 slice spiral CT scanning. The finite element model of the trunk was established and its effectiveness was verified. The simulation results of the lumbosacral segment model and the trunk model were compared and verified with the experimental results in the published articles. The implementation of the research scheme meets the relevant ethical requirements of Hebi People’s Hospital (hospital ethical approval No. YK2019015).
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Model establishment: The finite element model of the whole trunk consisted of more than 8.47 million elements and 1.69 million nodes. (2) Validation of lumbosacral segment model: The average stiffness of the established model under flexion, extension, lateral flexion and torsion was 7.15, 2.56, and 1.92 N•m/(°), which was between the experimental results reported in the articles. Load results were consistent with the experimental values in the articles. (3) Verification of the trunk model: Under the action of the three band tensions (20, 40, and 60 N), the changes in the stress values of the spine were within the middle value of the experimental results reported in the articles. (4) One constructed adolescent scoliosis trunk biomechanical model with detailed anatomical structure, verified by the validity of the biomechanical model, is reliable, reasonable, true, and intuitive to display the complex bone and soft tissue structure of the human body.

Key words: adolescent scoliosis, anatomical structure, digital modeling, biomechanics, finite element analysis

中图分类号:

张玉芳, 吕蒙, 梅钊. 青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1351-1356.

Zhang Yufang, Lü Meng, Mei Zhao. Construction and verification of a full spine biomechanical model of adolescent scoliosis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(9): 1351-1356.

图/表（结果） 4

2.1 有限元模型建立的结果青少年特发性脊柱侧弯有限元模型构建的处理采用逆向工程Geomagic及HyperMesh软件，整个躯干有限元模型包括8 470 000余个单元，1 690 000余个节点。对于模型的椎体、椎间盘、肋骨、胸骨、骶骨、骨盆等组织间建立绑定(tie)约束，小关节间的接触与骨骼和肌肉间的组织接触设定为无摩擦接触，保证各组织结构间力传递的准确性。最终构建的青少年特发性脊柱侧弯患者躯干生物力学人体模型，见图5。

2.2 腰骶段模型的有效性验证结果建立的模型在屈伸、侧屈和扭转情况下的平均刚度分别为7.15，2.56，1.92 N·m/(°)。将模拟结果与已公开发表的实验及数值计算结果的相关文献进行对比验证[14，18]，见图6。

在屈伸力矩作用下，YAMAMOTO等[14]和HEUER等[18]的实验所得的平均刚度为8.98，5.26 N·m/(°)；在侧屈力矩作用时，YAMAMOTO和HEUER的实验值分别为2.86，2.44 N·m/(°)；在扭转力矩作用时，YAMAMOTO和HEUER的实验值分别为2.35，1.75 N·m/(°)。由图7可知，此次研究数值计算结果介于两者之间，加载结果与文献中的实验值一致。因此，此次建立的脊柱侧弯椎骨模型是可靠、合理的，可为接下来矫形器的设计提供较为准确的数值结果。

2.3 躯干模型的有效验证结果当束带张力作用于躯干并传递至侧弯脊柱时，将脊柱的应力值变化与CLIN等[10]和聂文忠[19]的研究结果进行比较。研究发现，此次的躯干模型在3种束带张力作用下，脊柱的应力值变化情况均介于上述文献报道的值中间，见图8。因此，此次研究建立的脊柱侧弯模型可靠合理，可用后续有限元的分析研究。

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引言

材料方法

1.1 设计三维有限元分析。
1.2 时间及地点实验于2019年5月至2020年10月在鹤壁市人民医院完成。
1.3 对象选择1例在鹤壁市人民医院就诊的11岁右胸弯和左侧弯青少年特发性脊柱侧弯患者，胸、腰椎侧弯Cobb角分别为36°和24°，最大侧弯位移处为T9和L3椎骨。利用螺旋CT设备(德国西门子，炫速双源64排)以1 mm层厚连续扫描，获得全脊柱.Dicom格式的CT数据。
研究方案的实施符合鹤壁市人民医院的相关伦理要求(医院伦理批件号YK2019015)，患者及监护人对试验方案知情且已签订知情同意书。
1.4 材料 Mimics 19.0、3-matic 11.0(比利时，Materialise 公司)是处理CT、MRI断层数据生成三维图像的专业医疗影像软件；Geomagic Wrap 2017(美国，Geomagic公司)是一款逆向工程软件，主要用来优化几何模型并且精确的拟合出几何曲面模型；Hypermesh 14.0(美国Altair公司)用于有限元预处理；Abaqus 6.14(美国Dassault公司)用于有限元模型的计算和处理。
1.5 方法基于人体解剖学基础建立了1例脊柱侧弯患者的躯干有限元模型，模型包括胸椎、腰椎、椎间盘、肋骨、肋软骨、胸骨、骨盆、韧带、内脏等组织。利用脊柱侧弯患者人体CT扫描数据，借助专业的医学图像处理Mimics软件和逆向工程Geomagic studio软件对人体模型进行三维重建，然后利用专业的有限元HyperMesh和Abaqus软件，结合显式有限元理论进行模型网格化并定义材料属性，最后对建立的人体有限元模型进行有效性验证从而保证有限元模型的有效性，具体技术路线见图1。

1.5.1 几何模型的建立将患者CT扫描数据导入Mimics软件中，借助Thresholding工具和骨骼对应的阈值范围，构建出躯干骨骼初始模型。值得注意的是，该初始模型并非实体模型，其各组织间相互连接边界不明显，并且骨骼内部存在孔洞，无法完成后续的仿真分析。为获得最佳的三维模型，则需要逐层检查骨骼的CT图像，进行图像分割处理，构建出的硬骨组织模型并以.stl格式输出，患者骨骼三维模型见图2。
应用三维区域增长算法和数学形态学方法，在Mimics软件中对患者的软组织进行三维分割，分割目标为肺部、心脏、腹腔及体表等组织。人体腹部内脏组织，如心脏、肝、脾肾等的密度相差不大，若仅用灰度值提取组织则得不到准确的几何轮廓外形。为获得较准确的轮廓形状，调整灰度值的阈值，得到组织的大致范围，再结合人体解剖学对软组织结构进行人工分割，获得具有解剖学特征的组织模型。为使模型的生物力学仿真分析更接近实际情况，在已建立的骨骼几何模型的基础上增加了软组织模型。椎骨间的韧带主要包括前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带和横突间韧带等，见图3。

1.5.2 模型的误差分析依据CT扫描数据提取的各组织模型在基于逆向工程原理重构三维几何模型过程中，由于模型的修整不可避免的产生一定程度上的偏差。接下来对构建的三维模型进行偏差分析，检测其偏差范围是否超过允许精度范围，若偏差较大则需要重构该模型。通过Geomagic studio软件的偏差分析功能对每个模型进行偏差分析，以椎体模型为例，显示的偏差分析图见图4。各模型的偏差均在±0.2 mm范围内，满足偏差要求，保证了后续数值计算分析的精度。

1.5.3 材料性能赋值对于人体生物结构的有限元分析，人体各组织器官材料复杂，大多呈现非线性的材料性质，且不同组织材料属性存在较大差异。此研究在以往研究的基础上，采用多种线性、非线性的材料模型，对模型中骨骼、肌肉、韧带等模型赋予相应的材料属性，尽可能地还原各组织材料的生理状况，提高模型的可靠性。结合已公开发表文献，定义骨骼的材料参数，见表1。

综合肖智韬[13]在Abaqus软件中对不同超弹性材料模型的拟合结果，将韧带材料模型定义为Ogden-3超弹性模型。则各韧带材料属性以Ogden-3参数定义，见表2。

试验对于心脏、肺、肝、肾等组织采用黏弹性材料模拟。根据相关文献给出的材料值进行材料属性的赋予，材料参数见表3。

1.5.4 模型验证
(1)腰骶段模型的验证：为确保有限元分析的可靠性，对建立的脊柱侧弯有限元模型进行有效性验证。基于构建的患者全脊柱三维模型，选取L1至骶骨段模型进行生物力学有效性验证。通过设置边界条件和加载方式模拟不同运动方式下，分析模型的应力应变情况。对L1骶骨段模型模拟在10 N·m载荷下前屈、后伸、左右侧弯和扭转的变化情况。约束骶骨6个方向上的自由度，在L1椎骨上端面施加力矩，方向分别指向椎体前方、后方、左侧、右侧以及绕椎体顺时针和逆时针方向，从而模拟6种变化情况下腰段的应变情况。
(2)躯干模型的验证：建立的脊柱侧弯模型还包含了肌肉、体表、内脏等组织，为确保全脊柱数值模型的准确性，还需要对整体模型进行有效性验证。由于没有可以参考的完整的骨骼、肌肉受力的相关实验，此次研究将模型与已发表的脊柱侧弯矫形数值计算结果进行对比分析，检验其有效性。对患者从躯干到脊柱产生的压力进行评估，并将其与文献[16]中的模拟结果进行比较。此次研究所采用的边界条件与文献中的一致，即约束躯干下表面的6个自由度，上端面约束在x，y方向的移动，保留z方向上的自由度，将相同的矫正力应用于已建立的躯干模型。结合
MAC-THIONG等[17]对躯干施加20，40和60 N束带张力，观察脊柱应力的变化。
1.6 主要观察指标 ①青少年特发性脊柱侧弯有限元模型建立的结果；②模型的验证结果。

讨论

脊柱侧弯又称为脊柱侧凸，是指脊柱全长内一个或数个节段偏离身体中线而向侧方弯曲，进而使脊柱形成一个弧状畸形，此外患者往往出现椎体的旋转以及脊柱生理曲度的改变[20]。脊柱侧弯通常发生在青少年的两个生长期，一个阶段是从5-8岁，另一个阶段是10岁直到生长发育结束。在生长过程中，如果脊柱侧弯得不到及时有效的治疗，脊柱的畸形情况会在短时间内快速发展，并引起各种并发症。例如，脊柱侧弯会引起肋骨形状的改变，导致左右胸腔容积不相等进而呼吸困难，患者长时间呼吸不畅易产生胸闷、气短等并发症[21]；同时，腹腔内脏功能发生改变，引起肺功能障碍，产生缺氧情况，导致血黏度增高、血压升高，严重时可导致心肺功能衰竭等状况。脊柱侧弯不仅影响患者身体健康，而且由于脊柱引起的外观的畸形，可能会产生一定的心理疾病，影响患者正常生活[22-23]。构建高精度的有限元模型是进行有限元法研究的基础，基于特定患者的高精度人体躯干有限元模型，不仅在几何上需要与实际人体解剖结构一致，且各关节及连接部位的力学性能也需要得到准确仿真[24]。
1970年，SCHULTZ等[25]建立了人体脊柱数学模型，将椎体简化为刚体，并分析了屈曲、伸展、侧弯和轴向旋转4种动作下韧带和椎间盘的变化情况。1973年，有研究者建立了首个人体胸部有限元模型[26]。ANDRIACCHI等[27]创建出包含肋骨、脊椎骨和胸骨等刚体结构的人体有限元模型，旨在研究椎骨间的相互作用。1977年，SUNDARAM等[28]建立了包含胸腔、肌肉等组织结构的模型，但该模型仍较粗糙。随着计算机技术的发展，WANG[12]开发了一个包含人体胸腔内各个器官的胸部模型，研究汽车侧面碰撞的生物力学响应。PLANK等[29]构建了由肋骨组成的胸部有限元模型，并进行碰撞模型的动态响应分析。由于脊柱模型结构的复杂性，对其进行有限元研究起步较晚。1986年，VIVIANI等[30]建立了第一个脊柱侧弯有限元模型，虽然该模型将侧弯脊柱简化为一维线性单元，无法反映脊柱真实的生理解剖形态，但对脊柱侧弯生物力学的研究开拓了新思路。在此模型基础上，多位学者利用数值分析结合治疗手段，模拟分析对比不同矫形器的矫形效果[31-32]。早期的脊柱侧弯有限元模型多采用简化的三维梁单元结构，该模型只能对脊柱做整体分析，无法完成局部细节的应力分析[33]。
东北大学郭立新等[34]通过建立人体脊椎T12-S1段的三维非线性有限元力学模型，对腰骶椎骨在振动过程中在前后和垂直方向上的振动幅度，对脊柱损伤的影响进行了研究。张治刚等[35]建立了1例较完善的胸部有限元模型，模型包括内脏、肌肉组织和相关骨性组织，该模型具有一定生物逼真度。费琦等[36]根据患者脊柱胸腰段的相关信息建立了有限元模型，在此基础上，分析了3种轴向载荷下椎间盘、软骨终板和椎体的应力变化情况。2015年，崔世海团队[37-38]基于CT医学图像构建了1例6岁儿童胸腹部有限元模型，该模型具有较真实详细的胸腹部解剖结构，并对碰撞中各组织器官的应力应变进行了研究。惠宇等[39]构建了包含前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、纤维环等软组织的L3、L4段腰椎骶段有限元模型，并在不同工况下，对比研究了正常腰椎和椎间盘突出模型的应力、应变情况。吴雪海等[40]构建了1例青少年患者腰椎骶化模型，并分析了前屈、后伸、左弯曲、右侧弯4种工况下模型的应力和变形情况。林泽宇等[41]利用python语言构建了腰椎体的三维模型，采用智能建模系统构建的三维模型具有较高的精度，可应用于有限元分析中。张聪等[42]建立了1例脊柱侧弯患者腰椎-骨盆有限元模型，并分析了前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转等6种工况下的受力情况，为青少年特发性脊柱侧弯的治疗提供研究基础。然而，对于脊柱侧弯患者躯干全脊柱有限元模型，缺乏详细解剖学结构模型，均有一定的局限性。
结论：此研究选取1例青少年特发性脊柱侧弯患者的CT扫描数据，基于人体解剖学完成了骨骼、肌肉、韧带等组织的逆向建模，并且将每个组织结构单独处理及实体化。模型构建的处理采用逆向工程Geomagic及HyperMesh软件，整个躯干有限元模型包括8 470 000余个单元，1 690 000余个节点，网格比较精密，所构建的模型计算精准度较高。在研究了大量人体组织材料的相关文献及实验，对躯干骨骼和软组织等结构赋予了较合适的材料属性，建立了具有非线性材料属性和三维软组织结构的人体躯干三维有限元模型。文章建立了1例青少年特发性脊柱侧弯全脊柱躯干有限元模型，未构建患者整体模型，在后续的研究中将构建患者包括股骨、膝关节等下肢的结构，并且与正常人进行生物力学分析比较，进一步指导脊柱侧弯患者的诊治。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

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