2.1  三维重建结果  成功建立了腰主弯型青少年特发性脊柱侧凸腰椎-骨盆的有限元模型，包括椎间盘、各韧带和小关节的三维结构，该模型精确地再现了腰主弯型青少年特发性脊柱侧凸腰椎-骨盆的解剖指征，模型的总节点数为1 365 927个，总单元数为906 849个，见表2，3。

2.2  三维有限元模型的验证  由于脊柱侧凸的角度各不相同，没有公认的验证标准，故对正常脊柱腰骶验证的方法对于脊柱侧凸腰骶椎建模同样有效。此模型在前屈、后伸、侧屈、旋转作用下的平均刚度值与以往文献报道中模型的平均刚度值的比较结果基本吻合，因此所建的三维有限元模型是有效可靠的，可以应用于临床研究^[16]。

2.3  韧带对脊柱承载能力的影响  各椎骨间借韧带、软骨和滑膜关节相连，有限元模型中建立的前纵韧带、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、髂腰韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带，在脊柱承载前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转载荷时均能够承担一部分载荷^[17]。其中前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带对施加载荷后脊柱的运动起着尤为重要的作用。前纵韧带是椎体前面延伸的一束坚固的纤维束，有防止脊柱过度后伸的作用；后纵韧带位于椎管内椎体的后面，窄而坚韧，有限制脊柱过度前屈的作用；黄韧带位于椎管内，连结相邻两椎弓板间，有限制脊柱过度前屈的作用；棘上韧带是连结胸、腰、骶椎各棘突尖之间的纵行韧带，有限制脊柱前屈的作用。此次研究中未建立的肌肉也可承担载荷^[18]，维持脊柱姿态。且竖脊肌一侧收缩使脊柱向同侧屈，两侧同时收缩使脊柱后伸和仰头；腹肌前外侧群包括腹外斜肌、腹内斜肌等使脊柱前屈、侧屈及旋转；后群为腰方肌使脊柱侧屈。

2.4  青少年特发性脊柱侧凸患者腰椎骨盆模型位移云图变化  由位移云图可知，青少年特发性脊柱侧凸腰主弯模型在6种工况下(前屈后伸，左右侧屈及左右旋转)，L₁椎体上部在左、右侧屈时位移变化最大，骶骨下端在前屈时位移最大，见图4。

2.5  青少年特发性脊柱侧凸患者腰椎骨盆模型应力云图变化  该模型在6种载荷条件下变化的应力云图见图5。应力均是从腰椎椎体至骶骨上半部分，然后分2支至两侧骶髂关节面上。左侧屈、右侧屈及前屈时，应力区集中于骶髂关节面，左旋转、后伸和右旋转应力区集中于骶髂关节面。

2.6  各椎体应力云图变化  该模型在6种载荷条件下变化的应力云图见图6。应力主要集中部位是腰椎椎体前缘、上关节突、下关节突及骶骨岬处，上关节突应力集中区范围较小，未及下关节突及椎体前缘范围大。L₂椎体前下缘在左右旋时应力较为集中，在左、右旋转条件下主要集中在上关节突和椎弓根下缘；L₃在左、右旋转应力主要分布在下关节突和椎体前缘，其中下关节突应力大于椎体前缘；L₄在左、右旋转载荷条件下应力区集中于下关节突，且应力达到3.104 MPa；L₅在前屈，后伸，左、右旋转条件下应力集中于左右上关节突及横突；骶骨的应力主要集中于骶骨岬及骶骨的上关节突。

2.7  椎间盘应力云图变化  纤维环承受应力较中间髓核承受的应力大，在左右旋转工况下，纤维环承受的应力更大，且随着椎间盘节段的增加应力逐渐增大，L_4/5的应力最大，L_3/4在左右侧屈及左右侧旋时两侧纤维环应力最大，且随着旋转的方向，纤维环的同侧应力最大，见图7。

2.8  重建模型椎体骨性结构的应力变化  不同节段的椎骨在6种运动状态下，其上关节突的应力总是大于下关节突，除了前屈运动外，其余运动均为下关节突应力大于同节段椎弓根；从L₂-L₅随着椎序的增加，其上下关节突及椎弓根的应力均逐渐增加，L₅最大；其中L₅在不同运动状态下最大应力值间差异无显著性意义(P > 0.05)，见表4。

2.9  重建模型椎间盘的应力变化  在6种载荷条件下，不同位置的椎间盘L_2/3-L₅/S₁的应力值逐渐增大；在前屈时前缘大于后缘应力，后伸时后缘大于前缘应力，见表5。

特发性脊柱侧凸是一种伴有脊柱三维(冠状面、矢状面、轴面)的畸形^[1]，该病常发生于青春期前后，患病率达到1%-3%^[2]，严重影响着青少年的身心健康和健康生活^[3]。青少年特发性脊柱侧凸发病原因至今仍不清楚，关于青少年特发性脊柱侧凸的病因学有很多假说，如神经肌肉理论^[4-5]、激素理论、基因理论等^[6]。有学者认为椎体两侧应力不平衡是导致侧凸发生进展的原因之一^[7]。目前有限元分析可以模拟多种受力情况，比如轴向的拉伸、压缩、扭转载荷及多个方向的弯曲载荷，也可以提供模型总的受力情况和内部区域的应力、位移分布等信息^[8-9]，为脊柱外科矫形及新器械的发展提供有效参考^[8-10]。以往对于青少年特发性脊柱侧凸的有限元分析主要是针对整体脊柱或者脊柱胸腰段^[8-10]，尚未有专门针对青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎骨盆的有限元分析，因此文章对于青少年特发性脊柱侧凸患者的腰椎-骨盆进行三维重建及有限元分析，可通过建立腰椎-骨盆的三维有限元模型，更好的理解脊椎侧凸畸形的形态及受力情况，在脊椎侧凸疾病的治疗和研究中有重要的学术意义和应用价值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

1.1  设计  三维有限元分析。

1.2  时间及地点  于2018年6月在内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科及内蒙古医科大学数字医学中心完成。

1.3  对象  内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科收治的1例女性特发性脊柱侧凸腰主弯患者(顶椎在L₅)，13岁，无相关部位手术史，先天性侧凸或神经源性侧凸，并未实施截骨手术。对其脊柱L₂-L₅及骨盆、股骨头进行0.625 mm的薄层CT扫描，该患者监护人对试验方案知情同意且得到医院伦理委员会批准。

1.4  主要仪器及软件  16排螺旋CT机(GE16层螺旋CT，美国)；图像处理软件Mimics 15.01 (Materialise Corporation，Belgium)；绘图软件Pro/E 5.0(Paramtric Corporation，USA)；网格划分软件：Hypermesh 13.0(Atair Corporation，USA)；有限元分析软件：Abaqus 6.14 (Dassault System，France)。

1.5  方法

1.5.1  影像学数据采集  仰卧位脊柱腰段至股骨头颈三维CT扫描，扫描条件为：120 kV，125 mV，层厚0.625 mm；并将CT断层扫描图像以标准Dicom格式进行刻盘储存。

1.5.2  骨性模型的建立及边界修改  通过Mimics 15.01 (Materialise Corporation，Belgium)提取Dicom格式的文件，通过Mimics设定Bone Scale，进行区域增长，利用Region Growth对相邻椎骨进行图像分割，利用3D Calculation对以不同颜色形成的mask分别进行重建。重建后将L₁-股骨头颈的三维模型分别以stl格式保存。并用Geomagic Studio软件进行表面网格调整和修饰，以提高结果的准确性。

1.5.3  网格划分和几何模型的建立  利用Pro/E 5.0软件建立初步几何模型，再进行去噪、铺面、平滑等处理以优化模型几何结构；再将初步几何模型导入到Hypermesh 13.0软件，以四面体网格对模型进行网格划分，见图1。并通过Hypermesh软件建立完整 L₂、L₃、L₄、L₅、骶椎、骨盆，软组织包括椎间盘以及前纵韧带、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、髂腰韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带^[11-12]，见图2。

1.5.4  有限元分析  对几何模型进行赋值，骶髂关节关节面扁平，彼此对合非常紧密，属平面关节。在有限元建模中是使用小摩擦面面接触^[13]，由于滑膜液的存在，此次研究确定摩擦系数为0.000 1；所有部件(椎体、骶骨、椎间盘、髋骨)定义为弹性体，依据弹性模量和泊松比的不同来进行不同材质的区分，见图3。骨组织和软组织的材料参数见表1^[14]。利用Abaqus 6.14有限元分析软件进行处理分析，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、髂腰韧带、骶髂前韧带、骶髂后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。

1.5.5  加载^[15]

(1)约束条件约束双侧臼顶及附近部位，模拟站立时的姿势。

(2)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。

(3)观察指标：椎体位移情况、最大应力；试验数据绘制折线图及应力、位移分布云图。

1.6  主要观察指标

1.6.1  测量不同载荷条件下椎体不同位置的应力值及位移值  分别选取在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转条件下的腰椎：L₂-L₅上关节突、下关节突和椎弓根处的5个应力及位移集中点。

1.6.2  测量不同载荷条件下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、右旋转条件下的椎间盘：L_2/3-L₅/骶骨前缘、后缘、左缘、右缘处的5个应力及位移集中点。

1.7  统计学分析  通过SPSS 23.0软件分析椎体、椎间盘不同位置的应力值、位移值及其变化趋势，采用F 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

国际脊柱侧凸研究学会对脊柱侧凸定义如下：应用Cobb法测量站立正位X射线平片的脊柱侧方弯曲，如角度>10°则定义为脊柱侧凸。特发性脊柱侧凸为最常见的脊柱侧凸，原因不明，占脊柱侧凸总数的75%-80%，且该疾病好发于青少年，女性多见，常导致脊柱-骨盆矢状面失衡^[20]，合并胸廓畸形等并发症。青少年特发性脊柱侧凸会导致脊柱结构发生明显的改变，与正常青少年脊柱椎体相比，侧凸椎体凹侧楔形变，并出现旋转，主侧弯的椎体向凸侧旋转，棘突向凹侧旋转，凹侧椎弓根变短、变窄，椎板略小于凸侧。棘突向凹侧倾斜，使凹侧椎管变窄，凹侧小关节增厚并硬化而形成骨赘；脊柱椎间盘、肌肉及韧带也因侧凸发生了相应的改变：凹侧椎间隙变窄，凸侧增宽，凹侧的小肌肉可见轻度痉挛。青少年特发性脊柱侧凸患者脊柱结构的改变必然会引起椎体、椎间盘等受力的改变。因为腰椎是整个脊柱中承担负荷和运动范围最大的一段，且骨盆是躯干与自由下肢骨之间的骨性成分，起着传导重力和支持、保护盆腔脏器的作用^[21-22]，故腰椎和骨盆的力学作用极为重要。

椎间盘是连结相邻2个椎体的纤维软骨盘^[19，23]，椎间盘既坚韧又富弹性，承受压力时被压缩，除去压力后又复原，可缓冲外力对脊柱的震动、承受脊柱载荷、缓解和分散其应力也可增加脊柱的运动幅度。韧带是连于相邻两骨之间的致密纤维结缔组织束，有加强关节的稳固或限制其过度运动的作用，其在脊柱承担拉伸载荷时能够承担一部分载荷。在椎弓根与椎弓板结合处分别向上、下方突起，即上关节突和下关节突，相邻关节突构成关节突关节。两侧的关节突关节与前方椎间盘组成了脊柱运动的三关节复合体，在维持腰椎稳定的过程中发挥着重要作用^[24-27]。由于青少年特发性脊柱侧凸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、左右旋转运动时椎骨及椎间盘的受力也会发生相应的变化^[28-30]，因此，青少年特发性脊柱侧凸对青少年腰椎-骨盆段受力影响不可忽视。

此次研究就是通过有限元方法分析6种不同载荷条件下的位移云图、应力云图及该模型各椎体及椎间盘应力云图变化^[31-33]；并得到了青少年特发性脊柱侧凸重建模型上、下关节突、椎弓根及椎间盘的应力和位移值的变化规律。此次研究成功建立了可用于腰椎骨、骨盆及椎间盘、韧带力学分析的青少年脊柱侧凸患者腰椎-骨盆的三维有限元模型。建立青少年特发性脊柱侧凸的三维有限元模型^[34-35]，与其他模型进行验证和比较，为青少年特发性脊柱侧凸生物力学研究提供基础模型，并为临床诊断与治疗脊柱侧凸提供力学依据。结合脊柱侧凸患者腰椎-骨盆段位移、应力云图及腰椎-骨盆段各椎骨及椎间盘的应力云图，可以看出青少年特发性脊柱侧凸模型在不同载荷条件下的高位移区均集中在L₁，未及髋骨，应力主要集中部位是L₅椎体、骶髂关节面。椎骨应力主要集中部位是腰椎椎体前缘、上关节突、下关节突及骶骨岬处。与正常青少年相比椎间盘的应力分布范围更大，周边纤维环承受较大压力，髓核的压力明显降低。

参考以往文献可知，正常条件下前屈时两侧关节突关节所受压力较小，后伸时两侧关节突关节受力较均匀，侧弯时对侧关节突关节几乎不受力，而同侧小关节承受压力，轴向旋转时同侧关节突关节不受压力，而对侧关节突关节承受压力^[36]。此次研究结果表明，青少年特发性脊柱侧凸患者在前屈、后伸、侧屈、旋转等载荷条件下，均为L₅的下关节突所受应力最大。前屈条件下的同一椎骨的不同部位处，椎弓根所受应力较大；后伸、侧屈及旋转条件下的同一椎骨的不同位置处，上关节突所受应力大于下关节突，故青少年特发性脊柱侧凸使得患者受力情况明显改变。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(P < 0. 05)，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^[19]。此次研究表明，椎间盘左缘均在右侧屈运动条件下所受应力最大；椎间盘右缘均在左侧屈运动条件下所受应力最大。前屈位时，腰椎间盘所受应力为前缘最大，左缘所受应力最小；后伸位时后缘所受应力最大而右缘所受应力最小；侧屈位及旋转位时，右缘所受应力最大，前缘所受应力最小。故特发性脊柱侧凸使得青少年在不同载荷条件下应力变化与正常青少年有显著的区别。

有限元方法在脊柱方面的应用已较为成熟^[37-40]，随着有限元方法的发展，该技术逐渐应用于脊柱侧凸方向的研究。有限元分析可对青少年特发性脊柱侧凸病理过程中的力学变化进行分析，对患者无任何伤害，并且可为临床研究提供有力的支持，为青少年脊柱疾患的预防、诊断及特发性脊柱侧凸手术设计及疗效评估提供参考。通过有限元计算与刚体动力学相结合的方法，可以研究矫形过程中的生物力学特性^[41]，探讨出不同矫形策略对临床结果的影响也可用来分析生理和病理过程中的力学变化，术前模拟手术过程，预测手术效果，并对手术方案进行优化^[42]。可较全面探索该年龄段特发性脊柱侧凸疾患形成机制、年龄变化和形态结构及力学特性，具有很强的实用性和推广价值。

此次有限元模型采用的CT数据来源于1例青少年特发性脊柱侧凸患者，样本数量有限，因此不能排除弯曲类型对测量结果的干扰。此次试验有限元模型为腰椎-骨盆段，主要研究腰主弯下腰椎与骨盆应力变化特点，未结合颈、胸段分析脊柱承载载荷的作用规律。该试验模型只是添加了椎间盘和韧带，并分析了椎间盘和韧带的受力情况，没有分析肌肉承载载荷条件下椎骨、椎间盘应力及位移的变化。但此次研究对认识青少年特发性脊柱侧凸患者受力特点，进一步认识青少年特发性脊柱侧凸的病理变化将有一定帮助。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

文题释义：

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

基于CT图像结合有限元分析方法建立了精确的青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎骨盆的有限元模型，其中包括了下腰椎、骨盆所有骨组织及相应的韧带、椎间盘等。快速有效地研究了腰椎-骨盆段在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种不同载荷条件下椎骨尤为脊柱后柱骨性结构的位移、应力变化特点，为青少年特发性脊柱侧凸病因的探索及疾病的防止奠定了基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程