1.4.1  初步重建三维模型  该患者进行全脊柱CT扫描，CT采用TOSHIBA/Aquilion ONE 320排CT行扫描，扫描间隔1 mm，像素分辨率为512×512，层厚0.5 mm，共获取CT二维图像2 434张，以DICOM格式保存。将所得图像导入三维医学重建软件Mimics中，得到初步三维立体模型(图1A)。由于初步建立的三维模型不利于有限元分析软件的计算，采用Geomagic studio 2013对该模型进行三维修补和填充，修饰和优化一些孔洞和缺陷、不规则的边界，以改善四面体单元的模型质量。最后利用UG NX8.5模拟脊柱矫形术式，包括添加椎弓根螺钉和固定棒等后路内固定系统，模拟载荷平面，采用曲线和草图性能，同时构建连接椎体之间的僵化韧带模型。

1.4.2  建立三维有限元模型  将修饰后的截骨脊柱模型导入Ansys 15.0有限元分析软件，对模型中的皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带、椎弓根螺钉、固定棒、Synmesh融合器等的弹性模量、泊松比进行赋值，采用尽量接近实体的全脊柱僵化韧带模型参数^[15]，见表1。建立强直性脊柱后凸的三维有限元模型，为了保证模型的精准度，采用四面体接触，共955 608个单元，1 554 431个节点(图1B)。

1.4.2  建立三维有限元模型  将修饰后的截骨脊柱模型导入Ansys 15.0有限元分析软件，对模型中的皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带、椎弓根螺钉、固定棒、Synmesh融合器等的弹性模量、泊松比进行赋值，采用尽量接近实体的全脊柱僵化韧带模型参数^[15]，见表1。建立强直性脊柱后凸的三维有限元模型，为了保证模型的精准度，采用四面体接触，共955 608个单元，1 554 431个节点(图1B)。

截骨方式：截骨角度采用肺门-髋轴法，对矢状面平衡及截骨角度进行计算，参考SONG等^[1]利用肺门和髋轴入射角之间的平衡关系，使截骨角度更加接近真实人体生物力学平衡点(图2，Ansys中的L_2，3椎体单节段的去松质骨截骨截骨设计图)。截骨方式分别为全脊柱截骨与去松质骨截骨^[19]，截骨模型简称分为去松质骨截骨模型与全脊柱截骨模型，分为双节段与单节段截骨，截骨节段分别是，对L₁和L₂椎体行单节段截骨，对T₁₂、L₂和T₁₂、L₃椎体行双节段截骨，即L₁单节段全脊柱截骨模型、L₁单节段去松质骨截骨模型、L₂单节段全脊柱截骨模型、L₂单节段去松质骨截骨模型、T₁₂L₂双节段全脊柱截骨模型、T₁₂L₂双节段去松质骨截骨模型、T₁₂L₃双节段全脊柱截骨模型、T₁₂L₃双节段去松质骨截骨模型8组。

截骨模型与加载：强直性脊柱炎常常伴随关节及韧带的纤维骨化和滑膜增厚。在实验过程中为了更加接近实体模型，以T₁₂和L₂椎体双节段全脊柱截骨模型(图3)为例说明，设颈椎顶点为a，T₁₂与L₂椎体截骨面后方位置处为b、c点(如模型为单节段截骨则标记为一点，如图4)，骶骨前端为d。将脊柱想象为有一定抗弯刚度的曲杆，在加载过程中使截骨椎体产生一定曲度，使模型中的螺钉随着截骨上端运动。运动中由于不再接受垂直力的约束，其受到垂直的反力会更小。但由于截骨模型简化为铰支座，不传递弯矩，只会传递轴力，将发生轴向变形，几乎无侧向(垂直脊柱方向)运动。根据受力平衡条件，随着钛棒穿过螺钉两端的夹角改变，螺钉受到的拔力将向上，见图3，4。



截骨模型与加载：强直性脊柱炎常常伴随关节及韧带的纤维骨化和滑膜增厚。在实验过程中为了更加接近实体模型，以T₁₂和L₂椎体双节段全脊柱截骨模型(图3)为例说明，设颈椎顶点为a，T₁₂与L₂椎体截骨面后方位置处为b、c点(如模型为单节段截骨则标记为一点，如图4)，骶骨前端为d。将脊柱想象为有一定抗弯刚度的曲杆，在加载过程中使截骨椎体产生一定曲度，使模型中的螺钉随着截骨上端运动。运动中由于不再接受垂直力的约束，其受到垂直的反力会更小。但由于截骨模型简化为铰支座，不传递弯矩，只会传递轴力，将发生轴向变形，几乎无侧向(垂直脊柱方向)运动。根据受力平衡条件，随着钛棒穿过螺钉两端的夹角改变，螺钉受到的拔力将向上，见图3，4。

2.1  模型的有效性验证  根据BURSTEIN等^[17]、SHIRAZI-ADL等^[18]、LEFèVRE等^[20]在尸体的载荷实验数据，此次模型采用文献中尸体实验数据进行模型有效性验证，此模型在力矩加载载荷下的弹性模量结构参数均在尸体实验数据范围内，见表2。

2.2  各组模型全脊柱的整体位移趋势  见表3。

实验结果显示无论是去松质骨截骨模型还是全脊柱截骨模型，单节段截骨的全脊柱整体位移均明显小于双节段截骨，提示在行双节段截骨时该有限元模型将更加不稳定。单节段与双节段去松质骨截骨模型的脊柱整体变形差距尤其明显，提示可能行多节段去松质骨截骨时脊柱的整体位移显著增加，稳定性将大幅度下降；而在全脊柱截骨模型中，双节段与单节段截骨的脊柱位移差距不明显，尤其是L₁单节段全脊柱截骨模型与T₁₂、L₂双节段全脊柱截骨模型比较时差距约为0.13 mm(如图5，6)，推断可能在行该两种截骨方式时截骨节段的影响相较于截骨方式比较对全脊柱稳定性差异可能更小。

实验结果显示无论是去松质骨截骨模型还是全脊柱截骨模型，单节段截骨的全脊柱整体位移均明显小于双节段截骨，提示在行双节段截骨时该有限元模型将更加不稳定。单节段与双节段去松质骨截骨模型的脊柱整体变形差距尤其明显，提示可能行多节段去松质骨截骨时脊柱的整体位移显著增加，稳定性将大幅度下降；而在全脊柱截骨模型中，双节段与单节段截骨的脊柱位移差距不明显，尤其是L₁单节段全脊柱截骨模型与T₁₂、L₂双节段全脊柱截骨模型比较时差距约为0.13 mm(如图5，6)，推断可能在行该两种截骨方式时截骨节段的影响相较于截骨方式比较对全脊柱稳定性差异可能更小。

2.3  各组模型脊柱内固定装置的应力分布趋势  加载过程中各模型脊柱内固定装置的等效应力数据，见表4，实验所记录数据均为各模型内固定装置中等效应力的最大值，可更好地模拟截骨模型抗屈服能力的最大极限。在8种工况中，多节段截骨模型的等效应力明显大于单节段截骨模型，且选择的截骨节段不同等效应力差异较大，愈接近截骨节段的置钉位置，应力云图(mises云图)的等效应力逐渐增加，大部分等效应力最大值的有限元单位分布于更易接近截骨节段的区域。

模型加载后的统计结果显示，双节段截骨模型的等效应力整体大于单节段截骨，提示双节段截骨模型更易屈服，所承受的生物力学强度更大。由应力实验结果推测单节段截骨方式可能优于双节段截骨，其中等效应力最小的截骨模型出现在L₁单节段全脊柱截骨模型(图7A)，提示L₁全脊柱截骨的椎弓根螺钉及连接棒所承受的生物强度最小(图7B)，内固定装置的稳定性最优。

内固定的等效应力大部分集中在截骨模型截骨节段周围，如L₂全脊柱截骨的等效应力最强点出现在L₁单节段的左侧(图8A)，而T₁₂、L₃双节段去松质骨截骨的最大等效应力出现在L₂节段的右侧(图8B)。提示越接近截骨节段时内固定装置的等效应力越强，在选择近截骨节段的内固定装置时可有针对性地采用生物强度更强的脊柱内固定材料。

2.4  各组模型截骨接触面的等效应力分布  实验针对截骨接触面的有限元单位进行加载计算，结果见表5。由表可见，单节段截骨模型接触面的最强等效应力均未超过28 MPa，而大多数双节段截骨模型的截骨接触面积均较大，推测单节段截骨接触面的稳定性优于双节段截骨。双节段截骨时，去松质骨截骨的接触面应力均大于全脊柱截骨，推测在双节段截骨模型中，全脊柱截骨接触面应力小于去松质骨截骨，其中T₁₂、L₃双节段截骨模型L₃椎体截骨接触面的等效应力最强，且远大于其他截骨模型。此结果证明T₁₂、L₃双节段截骨模型的抗屈服能力最弱，稳定性最差。

目前中国鲜有对强直性脊柱后凸截骨矫形模型的生物力学分析报道。强直性脊柱炎主要侵袭人体脊柱椎间关节，引起严重关节僵硬及疼痛，并发后凸畸形。目前临床主要采用脊柱截骨矫形手术纠正后凸矢状面失衡，改善患者生活质量，但脊柱外科的矫形手术风险较高，出血量大，且可能伴随严重的术后神经系统并发症^[1]，所以手术方案的设计与患者的预后密切相关。早期的人体脊柱截骨矫形临床及基础研究常受到各方面条件限制。目前随着影像学与数字医学的发展，可以通过三维重建软件建立强直性脊柱后凸的有限元模型，加载模拟截骨过程，记录并整理数据，做相关生物应力分析，为临床工作提供了大量的参考依据^[2-13]。

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

1  材料和方法  Materials and methods 

1.1  设计  有限元分析。

1.2  时间及地点  实验于2013至2019年在内江市第一人民医院生物力学研究实验室完成。

1.3  材料  CT影像学资料来自1例30岁男性强直性脊柱后凸患者，身高172 cm，体质量70 kg，排除其他系统及相关脊柱脊髓疾病，矢状位X射线片示后凸Cobb角为30.9°，顶椎为T₁₀椎体，影像资料由新疆医科大学第六附属医院放射科提供。实验采用强直性脊柱后凸301分型，测量胸椎后凸为77.5°，胸腰段后凸21°，腰椎前凸存在，将该病例归类为ⅢA型^[14]，符合去松质骨截骨及全脊柱截骨手术适应证。患者对实验方案、实验目的取得知情同意，并得到医院伦理委员会批准。

1.4  实验方法

1.4.1  初步重建三维模型  该患者进行全脊柱CT扫描，CT采用TOSHIBA/Aquilion ONE 320排CT行扫描，扫描间隔1 mm，像素分辨率为512×512，层厚0.5 mm，共获取CT二维图像2 434张，以DICOM格式保存。将所得图像导入三维医学重建软件Mimics中，得到初步三维立体模型(图1A)。由于初步建立的三维模型不利于有限元分析软件的计算，采用Geomagic studio 2013对该模型进行三维修补和填充，修饰和优化一些孔洞和缺陷、不规则的边界，以改善四面体单元的模型质量。最后利用UG NX8.5模拟脊柱矫形术式，包括添加椎弓根螺钉和固定棒等后路内固定系统，模拟载荷平面，采用曲线和草图性能，同时构建连接椎体之间的僵化韧带模型。

1.4.2  建立三维有限元模型  将修饰后的截骨脊柱模型导入Ansys 15.0有限元分析软件，对模型中的皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带、椎弓根螺钉、固定棒、Synmesh融合器等的弹性模量、泊松比进行赋值，采用尽量接近实体的全脊柱僵化韧带模型参数^[15]，见表1。建立强直性脊柱后凸的三维有限元模型，为了保证模型的精准度，采用四面体接触，共955 608个单元，1 554 431个节点(图1B)。

1.4.3  截骨术式与加载过程

截骨方式：截骨角度采用肺门-髋轴法，对矢状面平衡及截骨角度进行计算，参考SONG等^[1]利用肺门和髋轴入射角之间的平衡关系，使截骨角度更加接近真实人体生物力学平衡点(图2，Ansys中的L_2，3椎体单节段的去松质骨截骨截骨设计图)。截骨方式分别为全脊柱截骨与去松质骨截骨^[19]，截骨模型简称分为去松质骨截骨模型与全脊柱截骨模型，分为双节段与单节段截骨，截骨节段分别是，对L₁和L₂椎体行单节段截骨，对T₁₂、L₂和T₁₂、L₃椎体行双节段截骨，即L₁单节段全脊柱截骨模型、L₁单节段去松质骨截骨模型、L₂单节段全脊柱截骨模型、L₂单节段去松质骨截骨模型、T₁₂L₂双节段全脊柱截骨模型、T₁₂L₂双节段去松质骨截骨模型、T₁₂L₃双节段全脊柱截骨模型、T₁₂L₃双节段去松质骨截骨模型8组。

截骨模型与加载：强直性脊柱炎常常伴随关节及韧带的纤维骨化和滑膜增厚。在实验过程中为了更加接近实体模型，以T₁₂和L₂椎体双节段全脊柱截骨模型(图3)为例说明，设颈椎顶点为a，T₁₂与L₂椎体截骨面后方位置处为b、c点(如模型为单节段截骨则标记为一点，如图4)，骶骨前端为d。将脊柱想象为有一定抗弯刚度的曲杆，在加载过程中使截骨椎体产生一定曲度，使模型中的螺钉随着截骨上端运动。运动中由于不再接受垂直力的约束，其受到垂直的反力会更小。但由于截骨模型简化为铰支座，不传递弯矩，只会传递轴力，将发生轴向变形，几乎无侧向(垂直脊柱方向)运动。根据受力平衡条件，随着钛棒穿过螺钉两端的夹角改变，螺钉受到的拔力将向上，见图3，4。

综上所述，使用上述方式对8种截骨模型分别采用同样的力学加载方式，施加垂直于脊柱方向300 N的轴向力，模拟重力。椎弓根螺钉分别施加垂直于全脊柱方向，以节点载荷的形式分100个子步加载力矩载荷100 N·m，试模拟置钉过程中的载荷。分别计算8种截骨模型下的脊柱内固定系统等效应力范围及截骨模型的位移变化。

1.5  主要观察指标  8种模型的整体变形位移、脊柱内固定系统的等效应力及变化趋势、截骨面等效应力强度。

在初期单节段模拟截骨的基础上，实验实现了将脊柱强直性后凸畸形进行模拟化的更深入探索，分析先前课题的单节段截骨模型实验数据^[9]，总结经验，首次成功建立了双节段截骨的全脊柱模型，此次实验数据内容及截骨节段更加丰富，对强直性脊柱矫形的生物力学探索更深入与具体。近年来，国内外相继有脊柱矫形的生物力学研究报道^[21-28]，主要针对正常脊柱椎间盘活动度的有限元动态模型研究较多且更加深入，如LEFÈVRE等^[20]将正常人体骨组织和间质组织在衰老过程中的骨质和间质区域机械性质进行了深入探究，但对强直性脊柱矫形的生物力学研究尚较缺乏。实验将强直性脊柱畸形的单节段截骨与双节段截骨分别进行模拟，加载力矩，对全脊柱的位移、脊柱内固定系统的等效应力、截骨接触面的生物力学强度进行比较。但是，实验未实行动态应力增加的加载过程，因脊柱后凸模型有限元单位过于庞大，动态应力加压的过程预计在后续实验中进行，并加强对国内外相关研究的对比。脊柱畸形的治疗本身就是脊柱外科研究的高难度领域，具有特异性高、精确度强的特点，且常需要多学科联合，尤其通过与数字医学领域的合作可以对疾病进行更深入的理解，这种研究模式对脊柱外科的发展将具有巨大潜力。脊柱变形位移、椎弓根内固定系统的生物力学变化、截骨接触面的等效应力强度均与强直性脊柱后凸矫形治疗策略息息相关，尤其脊柱畸形的个体化治疗差异较大，但模型的分析结果尚未获得临床中的术后对照，所以实验的临床意义有待进一步验证。

强直性脊柱后凸畸形是脊柱外科医师研究的重点与难点，在临床中常对矫形策略的术前计划出现争论^[30-31]。实验将单、双节段截骨及不同截骨方式、截骨节段的模型进行了更具体及深入的实验，得出结论：在截骨节段方面，单节段截骨模型的生物力学稳定性优于双节段截骨，而去松质骨截骨的位移变化、等效应力均高于全脊柱截骨，可能全脊柱截骨模型的稳定性优于去松质骨截骨。但实验中出现了个别实验数据异常增高的现象，推测出现这种现象的原因可能是由于强直性脊柱后凸畸形患者的特异性较强，患者的畸形程度及后凸角度变化较复杂，在制定术前计划时有限元分析法对复杂生物模型的内部生物力学特点研究具有独特的优势，在相邻截骨节段、截骨方式的选择上，术前模拟截骨的生物力学研究可能为临床治疗提供有效参考依据。

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

文题释义：

全脊椎截骨：即全椎体切除，是截骨矫形中的常用截骨矫形方式，切除截骨节段的整个椎体，相关数据显示该技术可以很好地纠正骨盆倾斜与脊柱冠状面及矢状面畸形，但是手术并发症较多，包括脊髓损伤、胸腔积液、肺部感染及伤口深部感染等严重并发症，同时出血量较大，与手术时间和患者体质量相关。

去松质骨截骨：由301医院的王岩首次提出，具体切除范围包括椎体后方椎板、上下关节突及棘突，对椎体行横Y形截骨，闭合椎体后方并张开前方截骨面。

1.研究在初期单节段模拟截骨的试验基础上，实现了将脊柱强直性后凸畸形进行模拟化的更深入探索，首次成功建立了双节段截骨的全脊柱模型。

2.研究将强直性脊柱畸形的单节段截骨与双节段截骨分别进行模拟，加载力矩，对全脊柱的位移分析、脊柱内固定系统的等效应力、截骨接触面的生物力学强度相互比较。

3有限元分析的研究模式对脊柱外科的发展将具有巨大潜力。脊柱变形位移、椎弓根内固定系统的生物力学变化、截骨接触面的等效应力强度均与强直性脊柱后凸矫形治疗策略息息相关。

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#br#